（电力电子与电力传动专业论文）并联型有源电力滤波器的理论研究与仿真.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s ，n o n l i n e a rl o a d sa r ew i d e l yu s e di n t h ep o w e rs y s t e m ，w h i c hb r i n g sa b o u tas e r i o u so fp r o b l e m so ns y s t e mo p e r a t i o n t h e m o s ti m p o r t a n ti sh a r m o n i c sp o l l u t i o n a c t i v ep o w e rf i l t e ri sa l le l e c t r o n i cp o w e r e q u i p m e n tw h i c hc a nc o m p e n s a t ev a r i e dh a r m o n i c sa n dr e a c t i v ep o w e rd y n a m i c a l l y t h eb s eo fa c t i v ep o w e rf i l t e ri sav a l i dw a yt or e s t r a i nh a r m o n i c sa n dc o m p e n s a t e r e a c t i v ep o w e ra tp r e s e n t t h ep a p e rd i s c u s s e st h eb a s i cp r i n c i p l eo fa c t i v ep o w e rf i l t e ra n di t sc o n f i g u r e o v e r a l l ，t h e nd i s c u s s e sh a r m o n i c sd e t e c t i n gm e t h o d s ，c o n t r o l l i n gm e t h o d s ，d e s i g n i n g t h em a i nc i r c u i ta n do t h e rr e s p e c t si nd e t a i l o nt h eb a s eo ft h e s e ，t h em a t l a b m o d e l so fs h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e ra lee s t a b l i s h e da n dr e s e a r c hi sd o n e t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ep r e s e n t e dt oc o n f i r mt h ee f f e c t i v e n e s so ft h es h u n ta c t i v ep o w e r f l t e r k e y w o r d s ：h a r m o n i ci n s t a n t a n e o u s ，r e a c t i v ep o w e rt h e o r y , a c t i v ep o w e rs y s t e m ， s i m u l a t i o n 山东大学硕士学位论文 符号说明 电源电流 屯负载电流 o 基波电流 么谐波电流 f c 补偿电流的指令信号 补偿电流 屯负载电流屯和有源电力滤波器电流之和 g ，( s ) 指令电流运算电路的传递函数 g 爿( s ) 补偿电流发生电路的传递函数 g z ( s ) 电源电流与乞之间的传递函数 乞、e 。三相电路的电压瞬时值 i 。、i 6 、f 。三相电路的电流瞬时值 、两相正交的岔坐标系上二相瞬时电压 、两相正交的口一坐标系上二相瞬时电流 f ，瞬时有功电流 瞬时无功电流 p 瞬时有功功率 g 瞬时无功功率 厂滞环控制下开关频率 三出线电感值 c 直流侧电容值 f 。电流控制的周期 ( ，电容器的平均直流电压 邑有源电力滤波器的容量 v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：超萤 e t 期：一2 垒! 星：巨：兰。 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：燧遣导师签名：a 丛! 望日 期：2 1 1 ：! ：2 9 q 山东大学硕士学位论文 第一章引言 2 0 世纪7 0 年代以来，随着电力电子技术的飞速发展，特别是功率半导体器 件和变流技术的发展，各种电力电子装置在军事、工业、生活及高新技术领域获 得了越来越广泛的应用，并带来了一系列的经济效益，如装置体积的减小，能量 转换效率的提高，可靠性增加等等。但同时由于这些电力电子器件本身所具有的 非线性特性亦给电力系统带来了一系列的问题，其中之一就是电力系统中的谐波 问题。电力谐波问题日益严重，对电能质量以及电力系统的安全、经济运行带来 了很大的影响。治理电力系统谐波污染已经成为电力系统所面临的一个重大课 题，受到了越来越多的关注，很多国家都对此给予了足够的重视，并在治理谐波 污染的理论研究和实际应用方面进行了大量的研究，目前已取得了一些突破性的 进展。 1 1 电力系统谐波的定义及产生的原因n 2 】 电力系统中，理论上的电压和电流波形是工频下的正弦波，电能的质量可以 用电压和频率来衡量。但是，实际的波形总有不同的非正弦畸变。谐波的概念实 际来自于研究正弦波畸变的数学方法，我们将畸变的正弦波分解成系列正弦 波，这样可使研究畸变的波形转成研究一组正弦波形，而使问题得到简化。通常 比基波幅值小且频率为基频整数倍的正弦波称为高次谐波，也就是谐波。 i e e e 标准中给出的谐波定义为“一个周期电气量的正弦波分量，其频率为 基波的整倍数。这个定义明确了谐波性质的两个问题：( 1 ) 谐波次数n 必须是正 整数：( 2 ) 谐波要和暂态现象加以区别( 谐波的波形保持不变，而暂态现象每周的 波形都发生变化) 瞄。 实际的波形产生畸变的原因，主要在于电力系统中存在着各种非线性元件。 因此，即使电力系统中电源电压为正弦波，但由于系统中有非线性元件，结果在 系统中和用户处的线路上总有谐波电流和电压产生。产生谐波的非线性元件很 多，主要分为以下三类： 1 具有铁磁饱和特性的铁芯设备，如：变压器、电抗器等： 2 以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备，如：气体放电灯、交流 弧焊机、炼钢电弧炉等： 3 以电力电子元件为基础的开关电源设备，如：各种电力变流设备( 整流器、 逆变器、变频器) 、相控调速和调压装置，大容量的电力晶闸管可控开关设备等。 山东大学硕士学位论文 电力电子装置是电力系统中最主要的谐波源，它们大量的用于化工、电气铁道、 冶金，矿山等工矿企业以及各式各样的家用电器中。 1 2 谐波研究的发展与意义h 5 1 电力系统的谐波问题早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代就引起了人们的注意。 当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。到了 5 0 年代和6 0 年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起电网 谐波问题的大量论文e w k i m b a r k 在其著作中对此进行了总结。7 0 年代以来， 由于电力电子技术的飞速发展，各种电力变换装置的应用日益广泛，谐波所造成 的危害也日益严重。 谐波研究的意义首先在于谐波的危害是很严重的。谐波的危害可以归纳为： 1 谐波对电网的影响 谐波使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设 备的效率。谐波电流在电网中的流动会在线路上产生有功功率损耗，它是电网线 路损耗的一部分。一般来说，谐波电流与基波电流相比所占比例不大，但谐波频 率高，导线的集肤效应使谐波电阻比基波电阻增加得大，因此谐波引起的附加线 路损耗也增大。谐波对电网的危害除造成线路损耗外，更重要的是使电网波形受 到污染，供电质量下降，危及各种用电设备的正常运行。 ( 1 ) 对发电机的影响 谐波对旋转电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。由于集肤效应、磁滞、 涡流等随着频率的增高而使在旋转电机的铁心和绕阻中产生的附加损耗增加：谐 波还会导致电机转矩、转速脉动和电机震动。 ( 2 ) 对变压器的影响 谐波电流可导致铜损和杂散损耗增加，谐波电压则会增加铁损。谐波对变压 器的整体影响是温升相对较高，并且谐波还会导致变压器噪声增加。 ( 3 ) 对输电线路的影响 由于集肤效应和邻近效应，输电线路的阻抗随着频率的升高而增加，谐波电 流使输电线路的附加损耗增加：谐波还使三相供电系统中的中性线的电流增大， 导致中性线过载。 ( 4 ) 对电力电容器的影响 电容器与其它设备相较有很大区别，电容器组的容抗随频率升高而降低，因 此，电容器组起到吸收高次谐波电流的作用，这将导致电容器组温升提高并增加 2 山东人学硕士学位论文 绝缘材料的介质应力。随着谐波电压的增高，会加速电容器的老化，使电容器的 损耗系数增大、附加损耗增加，从而容易发生故障和缩短电容器的寿命。另一方 面，电容器的电容与电网的感抗组成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐 波分量的频率时，就会产生谐波电流放大，使得电容器因过热、过电压等而不能 正常运行。 ( 5 ) 谐波对电力系统中继电保护和自动装置的影响 谐波可对电力系统中继电保护和自动装置产生显著影响，特别是一些按负序 ( 基波) 量整定的保护装置，整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加上谐 波的干扰，容易引起误动作，影响继电保护和自动装置的工作和可靠性。 2 谐波对用电设备的影响 ( 1 ) 对电动机类用电设备的影响 谐波电流和电压对感应及同步电动机所造成的主要效应为在谐波频率下铁 损和铜损的增加所引起的额外温升。这些额外损失将导致电动机效率降低，并影 响转矩。当设备负荷对电动机转矩的变动较敏感时，其扭动转矩的输出将影响所 生产产品的质量。对于旋转电机设备，与正弦磁化相比，谐波会增加噪音量。像 五次和七次这种谐波源，在发电机或电动机负载系统上，可产生六次谐波频率的 机械振动。如果机械谐振频率与电气励磁频率重合，会发生共振进而产生很高的 机械应力，导致机械损坏的危险。 ( 2 ) 谐波对电力电子设备的影响 电力电子设备对供电电压的谐波畸变很敏感，这种设备常常需靠电压波形的 过零点或其它电压波形取得同步运行。电压谐波畸变可导致电压过零点漂移或改 变一个相问电压高于另一个相问电压的位置点，这两点对于不同类型的电力电子 电路控制是至关重要的，控制系统对这两点( 电压过零点与电压位置点) 的判断错 误可导致控制系统失控。 ( 3 ) 谐波对其他用电设备的影响 谐波对其他用电设备的危害也很大，如影响电子设备的工作精度、缩短电器 设备的使用寿命等。计算机和些其它电子设备，如可编程控制器( p l c ) ，通常 要求总谐波电压畸变率( t h d ) 小于5 ，且个别谐波电压畸变率低于3 ，较高的畸 变量可导致控制设备误动作，进而造成生产或运行中断，导致较大的经济损失。 3 谐波可导致测量和计量仪器的指示和计量不准确 由于电力计量装置都是按5 0 h z 的标准的正弦波设计的，当供电电压或负荷 3 山东大学硕士学位论文 电流中有谐波成分时，会影响感应式电能表的正常工作。 4 干扰通信系统的工作 电力线路上流过的3 、 5 、7 、l l 等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁 场藕合，在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作：另外 高压直流( h v d c ) 换流站换相过程中产生的电磁噪声( 3 - 1 0 k h z ) 会干扰电力载波通 信的正常工作，并使利用载波工作的闭锁和继电保护装置动作失误，影响电网运 行的安全。 1 3 谐波抑制方法1 目前为解决谐波的污染问题，基本方法主要有两条：一是装设谐波补偿装置 来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的；二是对电力变换装置本身进行改造。 使其不产生谐波，且功率因数可控制为1 。这只适用于作为主要谐波源的电力变 换装置。 装设谐波补偿装最，常用的电路结构有：无源滤波器、有源滤波器和混合有 源电力滤波器三大类。 1 无源滤波器( p f ) 无源滤波器是传统的补偿无功和抑制谐波的主要手段。无源滤波器是一个用 并联滤波器滤除谐波的典型电路，一个串联的l c 并联在整流桥输入端，其谐波 频率应和电路的主要高次谐波频率相等。无源滤波器方案是目前采用的最为广泛 的谐波抑制手段，它结构简单、造价低、运行费用也低，在吸收高次谐波方面效 果明显，但它只对该次谐波有效，对其它次谐波影响不大，有时参数配合不好， 还可能会有不利的影响。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态 影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使滤波器过载或烧毁。尽管如此， 无源滤波器当前仍是补偿谐波的主要手段。 2 有源电力滤波器( a p f ) 有源电力滤波器( a p f ) 也是一种电力电子装置。其基本原理是从补偿对象中 检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿 电流，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波 进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛的重视，并且已 在日本等国获得广泛应用。 有源滤波器的变流电路可分为电压型和电流型，目前实际应用的装置中， 9 0 以上是电压型。从与补偿对象的连接方式来看，又分为并联型和串联型，目 4 山东大学硕士学位论文 前运行的装置几乎都是并联型。 3 混合型有源电力滤波器 混合型有源电力滤波器具有有源电力滤波器的优点，同时也弥补了无源滤波 器的缺点。 1 4 有源电力滤波器的发展和现状n 1 有源电力滤波器的基本思想在六、七十年代就已经形成，自八十年代以来， 由于中大功率全控型半导体器件的成熟，脉冲宽度调制( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n p 1 】| m ) 控制技术的进步，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时 检测方法的提出，有源电力滤波器才得以迅速发展。 国外以日本为代表，有源电力滤波器己经步入大量实用化的阶段，随着容量 的逐步提高，其应用范围也从补偿用户自身产生的谐波向改善整个电力系统供电 质量方向发展。从1 9 9 3 年以来，日本己经有3 0 0 多套并联型有源电力滤波器投 入实际使用，这些滤波器主要用于谐波补偿，部分同时用于补偿无功功率。随着 有源电力滤波器的价格的下降，它的市场将越来越大。对于大容量的有源电力滤 波器一般采用g t o 作为其主电路的可控开关器件。但因其工作频率较低，对较高 次谐波的补偿效果较差。对于中、小容量的有源电力滤波器一般选用i g b t 。i g b t 的器件容量、控制手段等方面具有一定的优势，可用于大容量的有源电力滤波器， 但目前较高的价格限制其使用范围。 有源电力滤波器作为改善供电质量的一项关键技术，在日本、美国、德国等 工业发达国家得到了高度重视和日益广泛的应用。目前，世界上有源电力滤波器 的主要生产厂家有日本的名电舍公司、瑞士a b b 公司、法国的梅兰日兰公司等。 目前，有源电力滤波器技术还不够十分完善，在实际应用中还有许多问题需 进一步研究解决，如提高装置容量、解决控制系统延时、降低设备损耗、提高补 偿效果及性能、提高性价比等。基于解决这些问题的要求，a p f 技术近期的研究 主要集中在以下几个方面。 1 谐波理论的进步研究。 三相电路瞬时无功功率理论己经成功地应用到三相三线制系统并取得了良 好的补偿效果，在国外有源电力滤波器已被广泛使用。但是该理论也存在一些缺 点，一些量的物理概念比较模糊，在解决一些传统概念和问题时遇到困难。所以 如何建立更为完善的功率定义和理论为大家所接受，还要进一步的研究。 2 控制系统的简化和数字化。 5 山东大学硕士学位论文 为了达到更好的补偿效果，有源电力滤波器的控制电路必须实时准确地检测 电网的谐波电流，产生补偿电流。目前控制电路多为模拟电路，其线路较为繁琐、 结构较为复杂。随着高速数据处理芯片d s p 接口功能的日趋完善及先进控制方法 的不断成熟，采用数字化方法来简化装黄的研究正在进行。 3 补偿装置的多功能化。 如万能a p f ，它本身除能补偿谐波外，通过在控制电路上加以改造还可以具 有补偿基波无功、抑制电压闪变以及电压的不平衡等功能。这方面的研究己经引 起一些学者的关心，并取得了许多研究成果。 4 降低装置容量、提高补偿效率。 有源电力滤波器容量与其它三相交流电力设备的容量定义相同。有源电力滤 波器中最基本的是并联型，其容量取决于与装置连接的交流回路电压有效值与补 偿电流有效值的乘积。并联型有源电力滤波器与谐波源负载所接的交流电压相 同，因此装置的容量主要由补偿电流决定。由于有源电力滤波器的价格要远远高 于无源滤波器，为降低补偿装置的投资，主要办法就是降低有源电力滤波器的容 量。目前的主要思路是将有源电力滤波器和无源滤波器混合使用，用无源滤波器 滤除谐波源中主要的谐波电流，用有源电力滤波器来提高总体的补偿效果，即混 合型有源电力滤波器。还有学者提出其它方法，如注入回路方式法等等，其主要 目的也是降低有源电力滤波器的容量，但尚未进入实用阶段。 国内在有源电力滤波器方面的研究起步较晚，直到1 9 8 9 年才见到这方面的 文献，1 9 9 3 年才见到试验性的工业应用实验。近几年来，研究有源电力滤波器 的国内学者和单位逐渐增多，在结构组成、检测方法和控制方式等方面都有了较 大的进步。但国内的相关研究多以理论研究和实验为主，工业应用较少，与国外 相比仍有较大差距。 1 5 本文做的主要工作 1 在参阅国内外大量文献资料的基础上，介绍有源电力滤波器的结构、工作 原理及基本控制模式。 2 。本课题主要研究并联型有源电力滤波系统，进一步对并联型有源电力滤波 系统的结构、补偿原理进行详细的分析。 3 确定基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法。 4 研究p 1 j l m 逆变电路的电流控制方法，主要分析滞环电流控制的原理。 5 对系统各部分进行设计，推导主电路有关参数的近似计算公式，包括交 6 山东大学硕士学位论文 流侧电抗器和直流侧电容器及有源电力的容量。 6 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下进行仿真，测试有源电力滤波系统的补偿性能。 仿真结果表明基于瞬时无功功率理论设计的有源电力滤波器装置能够有效检测 出谐波分量，并可以滤除谐波分量。 山东大学硕士学位论文 第二章有源电力滤波器的原理及其结构 2 1 有源电力滤波器的基本原理 并联型有源电力滤波器系统构成原理图如图2 - 1 所示。图中，p 。表示交流电 源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波系统由两大部分组成， 即指令电流运算电路和补偿电流发生电路( 由电流跟踪控制电路，驱动电路和主 电路三个部分构成) 。其中，指令电流运算的核心是检测出补偿对象电流中的谐 波和无功等电流分量，因此有时也称之为谐波和无功电流检测电路。补偿电流产 生电路的作用是根据指令电流运算电路的指令信号，产生实际的补偿电流。主电 路目前均采用p w i v l 变流器。 图2 1 并联型有源电力滤波器系统构成原理图 有源电力滤波器的基本原理是：通过检测补偿对象的电流，经指令电流运算 电路计算得出补偿对象的指令信号，该信号经补偿电流发生电路的放大，得出补 偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功电流抵消，最终得到期望的 电源电流。 例如，当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对 象负载电流t 的谐波分量么，将其反极性后作为补偿电流的指令信号t ，由补 偿电流发生电路产生的补偿电流f c 即与负载电流中的谐波分量f 酗大小相等、方向 相反，因而两者互相抵消，使得电源电流f 。中只含基波，不含谐波。这样就达到 了抑制电源电流中谐波的目的。上述原理可用如下的一组公式描述： f s = + 0 2 - 1 ) 山东大学硕士学位论文 t 2 o + i l h ( 2 - 2 ) i c = 一i 强 ( 2 - 3 ) 0 2 t + 乞2o ( 2 - 4 ) 式中0 为负载电流的基波分量。 如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，也补偿负载的无功功率，则只 要在补偿电流的指令信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分即可。 这样，补偿电流与负载电流中的谐波及无功成分相抵消，电源电流等于负载电流 的基波有功分量。根据同样的原理，有源电力滤波器还可对不对称三相电路的负 序电流等进行补偿。 有源电力滤波器的优势总结如下： 1 实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行 补偿，对补偿对象的变化有极快的响应： 2 可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率的大小可做到连续调 节： 3 补偿无功功率时不需贮能元件：补偿谐波时所需贮能元件容量也不大： 4 即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正常发挥 补偿作用： 5 受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振： 6 能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响： 7 既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿。 2 2 有源电力滤波器的分类口川 最早的有源电力滤波器为单独使用的并联型有源电力滤波器，经过多年的发 展，为尽量发挥有源电力滤波器的特长、提高其性能，并尽量减少其容量，提出 了串联混合型有源电力滤波器、并联混合型有源电力滤波器等。为适应不同的补 偿对象，提出了串联型有源电力滤波器等。 根据有源电力滤波器接入电网的方式，将其系统构成分为两大类，即并联型 和串联型。两者又分别包括不同的类型，有源电力滤波器的系统构成分类如图 2 2 所示。 9 山东大学硕士学位论文 图2 2 有源电力滤波器的系统构成分类 2 2 1 并联型有源电力滤波器 1 单独使用的并联型有源电力滤波器 单独使用的并联型有源电力滤波器系统构成原理图如图2 - 3 所示。图中，负 载为产生谐波的谐波源，变流器和与其相连的电感、直流侧贮能元件( 图中为电 容) 共同组成有源电力滤波器的主电路。与有源电力滤波器并联的小容量高通滤 波器，用于滤除有源电力滤波器所产生的补偿电流中开关频率附近的谐波。本论 文的原理图中，三相有源电力滤波器以单线图画出，且控制电路部分不画。 由于有源电力滤波器的主电路与负载并联接入电网，故称并联型。这是有源 电力滤波器中最基本的形式，也是目前应用最多的一种。这种方式中，由于电源 的基波电压直接加到变流器上，使得变流器的容量较大。但是这种方式可以对无 功功率进行补偿，且补偿的程度是连续可调的。 a p f 图2 3单独使用的并联型有源电力滤波器系统构成原理图 2 与l c 滤波器混合使用方式 l o 山东大学硕士学位论文 这种方式正是为克服单独使用的并联型有源电力滤波器要求容量较大这一 缺点而提出的。其基本思想是利用l c 滤波器来分担有源电力滤波器的部分补偿 任务。由于l c 滤波器与有源电力滤波器相比，其优点在于结构简单、易实现且 成本低，而有源电力滤波器的优点是补偿性能好。两者结合同时使用既可克服有 源电力滤波器容量大、成本高的缺点，又可使整个系统获得良好的性能。 并联型有源电力滤波器与l c 滤波器混合使用的方式又可以分为两者：一种 是有源电力滤波器与l c 滤波器并联：另一种是有源电力滤波器与l c 滤波器串联。 并联型有源电力滤波器与l c 滤波器并联方式的之一如图2 - 4 所示。有源电 力滤波器与l c 滤波器并联接入电网，两者共同承担补偿谐波的任务，l c 谐波器 主要补偿较高次的谐波，是一个高通滤波器。这里，高通滤波器，一方面用于消 除补偿电流中因主电路中器件通断而引起的谐波，另一方面它可滤除补偿对象中 次数较高的谐波，从而使得对有源电力滤波器主电路中器件开关频率的要求有所 降低。这种方式中，由于l c 滤波器只分担了少部分补偿谐波的任务，故对降低 有源电力滤波器的容量起不到很明显的作用。但因对有源电力滤波器主电路中器 件的开关频率要求不高，故实现大容量相对容易点。这种方式可以与单变流器一 样，可以对无功进行补偿，且补偿的程度连续可调。 图2 4 并联型有源电力滤波器与l c 滤波器并联方式的之一 有源电力滤波器与l c 滤波器并联方式之二如图2 - 5 所示。在这种方式中， l c 滤波器包括多组单调谐滤波器及高通滤波器，承担了绝大部分补偿谐波和无 功的任务。有源电力滤波器的作用是改善整个系统的性能，其所需的容量与单独 使用方式相比可大幅度降低。 从理论上讲，凡使用l c 滤波器均存在与电网阻抗发生谐振的可能，因此在 有源电力滤波器与l c 滤波器并联使用的方式中，需对有源电力滤波器进行有效 l l 山东大学硕十学位论文 的控制，以抑制可能发生的谐振。 图2 5 有源电力滤波器与l c 滤波器并联方式之二 有源电力滤波器与l c 滤波器串联方式原理图如图2 - 6 所示。这种方式中谐 波和无功主要由l c 无源滤波器补偿，而有源电力滤波器的作用是改善l c 滤波器 的滤波特性，克服l c 滤波器易受电网阻抗影响、易与电网阻抗发生谐振等缺点。 这种方式中，有源电力滤波器不承受基波电压，因此装置容量较小。由于有源电 力滤波器与l c 滤波器一起仍是与谐波源并联接入电网，故仍将其归入并联型。 这种方式又称为并联混合型有源电力滤波器。 广 l l l i i 一 图2 - 6 有源电力滤波器与l c 滤波器串联方式原理图 3 注入电路方式 这是为降低有源电力滤波器容量而提出的又一种方式，有源电力滤波器的容 量取决于它承受的电压和流过的电流。注入电路方式正是用电感和电容构成注入 回路，利用电感电容电路的谐振特性，使得有源电力滤波器只需承受很小部分的 基波电压，从而极大地减小有源电力滤波器的容量。 根据电感电容电路谐振特性的不同，注入电路方式又分为l c 串联谐振注入 1 2 山东大学硕士学位论文 电路方式和l c 并联谐振注入电路方式两种。l c 串联谐振型注入电路方式系统构 成原理图如图2 7 所示。其中c ：和l 在电源电压的基波频率处发生串联谐振， 基波电压绝大部分降落在电容c 。上。这样，有源电力滤波器只需承受其余的很小 部分基波电压。电容c 。还可起到无功补偿的作用。l c 并联谐振型注入电路方式 系统构成原理图如图2 - 8 所示。在有源电力滤波器和电网之间串入在基波频率处 谐振的l 。和c 回路，基波电压绝大部分加在该谐振电路上，有源电力滤波器与 l 一样只承受其余很小部分的基波电压。该方式还有一个好处是只有很小的基波 电流流过l 。一c 及l ：。 图2 7l c 串联谐振型注入电路方式系统构成原理图 图2 8l c 并联谐振型注入电路方式系统构成原理图 4 与旋转电机并用的方式 与旋转电机并用的方式的原理图如图2 - 9 所示。 图2 9 与旋转电机并用方式的原理图 图2 - 9 采用了与绕线转子异步电动机构造相同的旋转电机，通过控制转子侧 1 3 山东大学硕士学位论文 所接的逆变器来控制电机的励磁电流，从而向电网中注入补偿电流，这种方式的 特点也是可以减小逆变器的容量。 2 2 2 串联型有源电力滤波器 串联型有源电力滤波器包括单独使用方式和l c 滤波器混合使用两种。 1 单独使用的串联型有源电力滤波器 单独使用的串联型有源电力滤波器原理图如图2 - 1 0 所示。这种方式的特点 是有源电力滤波器作为电压源串联在电源和谐波源之间。 石：三一一： 1 l r 图2 1 0 单独使用的串联型有源电力滤波器原理图 多数情况下，并联型有源电力滤波器主要用于补偿可以看作电流源的谐波 源，典型的如直流侧为阻感负载的整流电路。此时，有源电力滤波器向电网注入 补偿电流，抵消谐波源产生的谐波，使电源电流成为正弦波。在这种情况下，并 联型有源电力滤波器本身表现出电流源的特性。 串联型有源电力滤波器与并联型有源电力滤波器不同，主要用于补偿可看作 电压源的谐波源。电容滤波型整流电路是这种谐波源的典型例子，这种整流电路 从交流侧可被看作电压源。针对这种谐波源，串联型有源电力滤波器输出补偿电 压，抵消由负载产生的谐波电压。这样，电网阻抗上承受的电压中不含谐波，因 而电源电流也就成为正弦波。串联型与并联型可以看作是对偶的关系。 2 与l c 滤波器混合使用方式 串联有源电力滤波器与l c 滤波器混合使用方式原理图如图2 - 1 1 所示。 1 4 山东大学硕士学位论文 图2 1 1 串联有源电力滤波器与l c 滤波器混合使用方式原理图 这种方式是在并联的负载与电源之间串入有源电力滤波器。其特点与图2 6 所示的方式类似，谐波基本由l c 滤波器补偿，而有源电力滤波器的作用是改善 l c 滤波器的滤波特性。可将有源电力滤波器看作一个可变阻抗，它对基波的阻 抗为0 ，对谐波却呈现高阻抗，阻止谐波电流流入电网，而迫使谐波电流流入l c 滤波器。也就是说，有源电力滤波器起到了谐波隔离器的作用。这样还可以抑制 电网阻抗对l c 滤波器的影响，以及抑制电网与l c 滤波器之间可能发生的谐振， 从而极大地改善l c 滤波器的性能。 2 3 并联型有源电力滤波器的结构凹1 单独使用的并联型有源电力滤波器系统如图2 1 2 所示。图中，负载为谐波源， 本文采用电力系统中一种典型的谐波源一三相桥式全控整流器，整流器的直流侧 为阻感负载。t 。为整流变压器。变压器t ：的设置主要是为调节( 通常为降低) 有源 电力滤波器交流侧电压之用。该系统基本原理已经介绍过了，下面分别就各个部 分进行讨论。 广一一一一一一一一一一1 图2 1 2 单独使用的并联型有源电力滤波器系统 2 3 1 指令电流运算电路 指令电流运算电路的作用是根据有源电力滤波器的补偿目的得出补偿电流 山东大学硕士学位论文 的指令信号，即期望由有源电力滤波器产生的补偿电流。指令运算电路的核心是 谐波和无功电流的检测方法。这部分内容将在第三章做详细地介绍。 2 3 2 补偿电流发生电路 补偿电流发生电路的作用是，根据来自指令运算电路的补偿电流指令信号 t ，产生补偿电流t 注入电网，以达到有源电力滤波器抑制谐波和无功的目的。 补偿电流发生电路模型如图2 一1 3 所示。 从图2 1 3 可看出，补偿电流发生电路模型共有三部分电路构成：电流跟踪控 制电路，驱动电路和主电路。其中，电流跟踪控制电路的作用是根据补偿电流的 补偿信号t 和实际补偿电流屯之间的相互关系，产生对电力电子器件的通断进 行控制的逻辑信号。 电流跟踪控制电路通常采用电流跟踪型p 嘲控制方式。电流跟踪控制电路方 面的内容将在第四章做详细地介绍。驱动电路将上述逻辑信号变换为主电路电力 电子器件的驱动信号，控制器件的通断，有信号转换和放大功率的作用。主电路 的作用是根据电流跟踪控制电路和驱动电路产生的逻辑信号，产生跟随补偿电流 指令信号t 。变化的实际补偿电流f 。主电路的内容将在第五章做详细地介绍。 2 4 并联型有源电力滤波器的控制方式的比较和选择n 伽 为了使有源电力滤波器得到理想的补偿效果，有必要对其进行适当的控制。 以下对并联型有源电力滤波器的三种控制方式进行分析和比较。 2 4 1 检测负载电流控制方式 在2 1 节中介绍有源电力滤波器的基本原理时所讨论的就是这种控制方式， 原理图如图2 1 所示。其指令电流运算电路的输入信号来自需要补偿的产生谐波 的负载，所以称其为检测负载电流控制方式。这是最基本的一种控制方式，在这 种控制方式中，补偿电流能较好地跟踪指令电流。但是，在主电路电力电子器件 高频通断的过程中，会产生其工作频率附近一些次数很高的谐波。因此为了滤除 这些谐波，一般情况下，都要在有源电力滤波器系统中设置由电感、电容、电阻 1 6 山东大学硕士学位论文 组成的高通滤波器( h p f ) 。 并联型有源电力滤波器的单相等效电路如图2 - 1 4 所示。 图2 - 1 4 并联型有源电力滤波器的单相等效电路 图2 - 1 4 中，z s = r s + 脱s 为电源的内阻抗，z 脚为高通滤波器的阻抗。负 载电流屯和有源电力滤波器电流之和屯可以看作电流源。 由图2 1 4 可得： i 吐( s ) = t ( s ) 一屯( s ) ( 2 - 5 ) i s ( s ) = g z ( s ) i k ( s ) ( 2 6 ) t ( s ) = g 一( s ) g ，( s ) t ( s ) ( 2 - 7 ) 其中为电源电流，t 为负载电流。g 一( s ) 是补偿电流发生电路的传递函数， g z ( s ) 为电源电流与屯之间的传递函数。 由式( 2 5 ) 、式( 2 6 ) 和式( 2 7 ) 可以得到使用负载电流检测方式的并联型有 源电力滤波器的数学模型，以控制系统框图形式给出，检测负载电流控制方式的 结构图如图2 1 5 所示。 图2 1 5 检测负载电流控制方式的结构图 从图2 1 5 可以看出，在检测负载电流控制方式中，系统实际上是一种开环 控制，传递函数g z ( s ) 对系统的谐波补偿特性和系统稳定性影响很大。由图2 1 4 所示，以屯为输入，i s 为输出的传递函数g z ( s ) 为： g 小，= 瓦z h i p f = 考滁 协8 ) 1 7 山东大学硕+ 学能论文 式嘟”壶+ 筹= 舍+ 兰+ 每， 6 0 = 去，6 l = 瓦1 ，也= i r 单相等效电路传递函数的幅频特性如图2 - 1 6 所示。可以看出，频率很高的 高次谐波可以很好地被滤除，但是在角频率万。处却发生了谐振，这将使得负载 电流中频率在t i ， o 附近的谐波被放大后流入电网，从而使电源电流中包含这些谐 波成分有源电力滤波器补偿特件蛮荠。汶县该摔制方式的丰萼缺点。 7 罱 色 3 n 鱼 n r o 刃 图2 一1 6 单相等效电路传递函数的幅频特性 g ，( s ) 是指令电流运算电路的传递函数。当有源电力滤波器只补偿谐波时， 它将输入电流中的基波分量完全除去，基波分量值为零；而对于输入电流的谐波 分量，其放大倍数为1 。 并联型有源电力滤波器中的补偿电流发生电路的主电路是电压型p w m 变 流器，为非线性电路，从理论上很难得到它的准确数学描述。可以采用仿真方法 通过补偿电流发生电路的频率相应特性来近似确定其传递函数。可以把它看作一 个时间常数很小的一阶惯性环节。其传递函数为： 吼岱) = 嚣 ( 2 - 9 其中k 一，= 1 ，= 0 0 7 m s 。 2 4 2 检测电源电流控制方式 有源电力滤波器的作用主要是补偿谐波，最终使电源电流成为j 下弦波。基于 此，可考虑检测电源电流i s ，而不检测负载电流t ，用指令电流运算电路求出 中的谐波，反极性后作为指令电流对补偿电流发生器进行控制。 检测电源电流控制方式的原理如图2 1 7 所示。由于检测的是电源电流，从 而构成了闭环控制系统。从理论上讲比开环系统有更好的补偿效果。 山东大学硕士学位论文 检测电源电流控制方式的原理图如图2 1 7 所示。 图2 1 7 检测电源电流控制方式的原理图 检测电源电流控制方式的并联型有源电力滤波器的单相等效电路如图2 1 8 所示。图2 1 8 可以得到如下关系： 屯( s ) = g a ( s ) g l ( s ) g ( s ) ( s ) ( 2 1 0 ) 图2 - 1 8 检测电源电流控制方式的并联型有源电力滤波器的单相等效电路 根据式( 2 - 2 ) 、式( 2 3 ) 和式( 2 - 7 ) 可以得到检测电源电流控制方式的数学模型 如图2 1 9 所示。 图2 - 1 9 检测电源电流控制方式的数学模型 1 9 山东大学硕十学位论文 图2 1 9 中的g ，( s ) 、g _ ( s r ) 、g z ( s ) 的含义与如图2 1 5 相同。而g ( s ) 是为 改善补偿特性而加入的校正环节。这里g ( s ) 采用的是一阶惯性一微分环节，其传 递函数为g ( s ) = k r s o + 乃) 。它具有真正的相角特性，将它串联接入系统中， 将使系统增加正的相位移，提高系统的相角裕量，从而提高系统的稳定性。该环 节参数的选取对于系统稳定性和谐波抑制特性具有重要作用。 采用这种控制方式时对系统的电源电流构成闭环控制。将影响系统稳定性的 传递函数g z ) 包括在闭环内，这样经过校正环节g ( s ) 的校正，一方面提高了 系统的稳定性，另一方面抑制了谐振，一般说来，为了获得较好的谐波补偿效果， g ( s ) 应有较大的放大倍数，以增大系统的开环增益，但是放大倍数过大会使闭 环系统不稳定。所以检测电源电流控制方式的谐波补偿效果虽然要好于检测负载 电流控制方式，但依然不能令人满意。 2 4 3 复合控制方式 把检测负载电流控制方式和检测电源电流控制方式结合起来，同时检测负载 电流和电源电流，就可以得到复合控制方式。复合控制方式的原理图如图2 2 0 所示。 图2 2 0 复合控制方式的原理图 复合控制方式的并联型有源电力滤波器的单相等效电路如图2 2 l 所示。 山东大学硕士学位论文 e s t 图2 2 1 复合控制方式的并联型有源电力滤波器的单相等效电路 在这种控制方式中，同时检测负载电流和电源电流。其中根据负载电流产生 的指令信号对谐波补偿起主要作用，而电源电流和校正环节g ( s ) 的作用主要是 抑制高通滤波器和电网阻抗之间的谐振。因为电源电流闭环并不承担补偿谐波电 流的主要任务，所以g ( s ) 放大倍数不必很大，这样可以使系统有较好的稳定性。， 可以看出，复合控制方式综合了前两种控制方式的优点，是一种较为理想的控制 方式。 由图2 2 1 可得： f 。( s ) = g ( s ) g ，( s ) ( 屯+ ( s ) g ( s ) ) ( 2 1 1 ) 根据式( 2 5 ) 、式( 2 6 ) 和式( 2 1 1 ) 可得复合控制方式的数学模型如图2 2 2 所示。 图2 - 2 2 复合控制方式的数学模型 从图2 2 2 可以看出，复合控制方式是在检测电源电流控制方式的基础上加 入了一个输入量的前馈。加入负载电流的前馈，可以提高系统的谐波补偿效果。 对三种控制方式的实验结果进行频谱分析，结果表明：复合控制方式的补偿 山东大学硕士学位论文 效果最好，检测电源电流控制方式其次，检测负载电流控制方式的效果再次。 2 5 小结 本章介绍了有源电力滤波器的基本原理、结构以及分类并详细分析了并联型 有源电力滤波器和串联有源电力滤波器的结构以及优缺点。并且以并联型有源电 力滤波器为例介绍了有源电力滤波器的的三种控制方式：检测电源电流控制方 式、检测负载电流控制方式、复合控制方式，并给出了比较和选择。 山东大学硕士学位论文 第三章谐波电流检测方法 检测和控制是影响有源电力滤波器补偿性能的关键。检测方法决定了谐波电 流的检测精度，进而影响a p f 的电流补偿效果。因此，谐波检测技术己成为a p f 领域研究热点之一。谐波检测环节一般不需要分解出各次谐波分量，而只需谐波 电流或基波无功电流或两者之和。在三相电流不对称时，应能检测出除基波正序 有功分量之外的谐波电流之和。 对于电压和电流非正弦不对称的三相系统，电压和电流信号中所含总的谐波 分量的提取，理论上不存在问题，只要知道一个周期的采样值即可通过傅里叶分 析得到。但是，a p f 的补偿问题不仅包含谐波，还包含无功功率和不对称分量的 补偿，因此问题的解决是比较复杂的。事实上，谐波是通过信号的前后数据的相 关性来分析得出的，不对称分量应是三相系统本身相与相之间的比较才能得到 的，而无功功率则是需要通过对电压电流相位来分析。总的来说，各个分量是通 过不同的比较对象得到的，说到底就是a p f 的补偿分量必须通过三相系统的电压 或电流的自相关性和电压电流的互相关性分析得到。 最早是采用模拟滤波器来实现谐波电流的检测，即采用陷波器将基波电流分 量滤除，得到谐波分量。或采用带通滤波器得出基波分量，再与被检测电流相减 得到所需补偿的谐波。这种方法存在许多缺点，如设计困难、误差大、对电网频 率波动和电路元件参数较敏感等，因而己很少采用。 随着微处理器等数字器件的应用日益广泛，开始采用基于频域的f f t 算法检 测谐波电流。对采集到的一个周期的信号值进行f f t 变换，得各次谐波的幅值和 相位系数，再将拟抵消的谐波分量进行f f ，r 反变换，即可得补偿信号。这种方法 多用于单相电路或特定谐波的补偿，当三相电流不对称时，检测较复杂，实时性 较差，一般多用于信号的离散频谱分析中。 下面介绍几种适用于数字控制系统的检测算法。 3 1 基于f r y z e 时域分析的有功分离法n l 忆1 3 3 对于三相平衡对称的正弦波系统，设三相电压和电流 口4 = v t 2 u s i n t ，t 2 攀豇n ( 舢2 棚)( 3 e e = 4 2 u s i n ( w t + 2 ；, r 3 ) 山东大学硕+ 学位论文 有功分离法的流程图如图3 - 1 所示。 图3 - 1 有功分离法的流程图 基于f r y z e 时域分析的有功电流分离法原理是将负载电流分解为两个分量： 一个分量为与电源电压波形相同的分量作为有功分量；另一个作为广义无功电流 ( 包括谐波电流) 。缺点有两个：l 、实时性不好。由于得到有功分量的幅值需要 进行一