（电力电子与电力传动专业论文）无功与谐波自动补偿装置控制系统的设计.pdf

北京交通大学硕l ：学位论文 d e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mf o r r e a c t l i v ep o w e ra n dh a r m o n i c a u t o m 喳t i cc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t t h i sp a p e ra n a l y z e si h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a l l t a g e so f r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o ra n da c t i v ep o w e rf ：i l t e r an o v e l d e s i g n o fr e a c t i v ea n dh a r m o n i c c o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t ( r h c e ) b a s e do nt w od s p si sa n a l y z e d t h ep r i n c i p l ea n ds t r u c t u r eo ft h er h c ei sd i s c u s s e d ， t h em e t h o d g e n e r a t i n g r e f e r e n c ec u r r e n t b y f f ti s r e s e a r c h e d an o v e lc o n t r o ls t r a t e g yi sa d o p t e d ，w h i c hc a n r e a l i z ec o f r e l a t i o nc o n t r 0 1a n dm i n i m i z et h ec o m p o s i t ee r r o r o fs o u r c ec u r r e n ta tt h es a m et i m e t h ec o n t r o ls y s t e mf o fr e a c t i v ep o w e ra n dh a r m o n i c a u t o m a t i cc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t 、t h em a i nc i r c u “sa n d d r i v ec i r c u i t so fa p fh a v eb e e nd e s i g n e da n dt e s t e d t h e p a r a m e t e ro f a p f sm a i nc i r c u i t si sc a l c u l a t e d t h ec o n t r o lp r o g r a mi sw r i t t e ni na s s e m b l yl a n g u a g e 北京交通大学硕士学位论文 a n dt e s t e d ，t h ec o n t r o lf h n c t i o ni sr e a l i z e d t h ee x p e r i m e n t s y s t e m i s c o n s t r u c t i n g t o v e r i f y t h e f e a s i b i l i t y o ft h e r e f e r e n c ec u r r e n tc a l c u l a t i o nm e t h o d t h er e s u l t sh a s s u p p o r t e dt h ec o n t r o ls y s t e m 、m a i nc i r c u i t so fa p f 、 r e f e r e n c ec u r r e n tc a l c u l a t i o nm e t h o d ，a n dt h es v s t e m s f e a s i b i l i t vi sv e r i f i e ds i m u l t a n e o u s l v k e yw o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r ，h a r m o n i c sr e s t f a i n i n g ， r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，d s p 北京交通大学硕士学位论文 一、电压符号 符号说明 ”w 电源a 相瞬时电压 ”s 6 电源b 相瞬时电压 ”，c 电源c 相瞬时电压 ”一。 a 相变流器输出瞬时电压 b 相变流器输出瞬时电压 ”一 c 相变流器输出瞬时电压 ，+ 电源a 相瞬时电压的基波正序分量 匕。 电源b 相瞬时电压的基波正序分量 v 。 电源c 相瞬时电压的基波正序分量 u m 电源基波正序相电压的幅值 直流侧电容电压 ”一 直流侧给定电压 儿一”直流侧平均电压 e v f 3 二、电流符号 m 电源a 相瞬时电流 。” 电源b 相瞬时电流 北京交通人学硕 学位论文 电源c 相瞬时电流 a 相变流器输入瞬时电流 b 相变流器输入瞬时电流 c 相变流器输入瞬时电流 负载a 相电流的基波正序分量 负载b 相电流的基波正序分量 负载c 相电流的基波正序分量 负载a 相电流的基波负序分量 负载b 相电流的基波负序分量 负载c 相电流的基波负序分量 电源a 相指令电流 电源b 相指令电流 电源c 相指令电流 功率符号 电源的有功功率 其它 电源的周期 开关状态( 即桥臂状态) 交流侧电抗 直流侧电容 给定电流边带宽度 i g b t 缓冲电容 k k 饥 饥 ，k k 三p b 四 ， o f g 北京交通大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 随着电力电子技术的发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、 交通及家庭中的应用日益广泛。非线性和冲击性是这些负荷所共有的用 电特性，由此产生的谐波和无功功率对电力系统造成的污染问题日益严 重。 无功功率对电力系统的影响主要表现在以下几个方面”1 ： 使电流增大和视在功率增加，从而使发电机、变压器及其 它电气设备和导线容量增加。 使电流增大，因而使设备及线路的损耗增加。 使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负 载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。 谐波电流对电力系统和其它系统危害大致有以下几个方面： 在供电设备和元件中产生附加的谐波损耗，降低发电、输 电及用电设备的效率，大量的3 次谐波流过中性线时会使 线路过热甚至发生火灾。 对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪 声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电 缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短甚至损坏。 谐波会引起电力系统中局部的并联谐振和串联谐振，从而 北京交通人学硕：b 学位论文 使谐波放大，使上述危害加大，甚至引起严重事故。 使计量仪表的测量精度降低，从而影响继电保护和自动装 置的正常工作，甚至使其产生误动作，导致重大事故； 对邻近的通信系统产生干扰。轻者产生噪声，影响通信质量： 重则导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 基于以上原因，电力系统的谐波问题引起了世界各国的关注。 很多国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备 谐波的标准和规定。国际电工委员会( i e c ) 为统一各国电气标准 和规范，正陆续制定电磁兼容( e m c ) 6 1 0 0 0 系列标准，该系列标 准中涉及低频扰动范围的就有电力谐波。1 9 9 3 年我国国家技术监 督局也发布了国家标准g b t 1 4 5 4 9 3 电能质量一公用电网谐 波。这些标准和规定的制定对解决电力系统谐波危害起到了很大 作用。 多年来的研究表明，解决电力电子装置和其它谐波源对电网 的污染问题，其基本思路有两条：一是装设谐波补偿装置来补偿 谐波；另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波， 且功率因数可控制为1 。前者对各种谐波源均适用，而后者只适用 于作为主要谐波源的电力电子装置。 目前，国际上虽然有一些国家正在进行对电力电子装置本身 改造的研究，也取得了一些成果，但只是针对新的电力电子装置 的开发与研究，而对于大多数谐波源来说，通用的解决方法还是 设置各种谐波补偿装置。传统的补偿无功功率的方法是设置无功 补偿电容器，传统的抑制谐波的方法是设置l c 滤波器，也是目前 在国内外均得到广泛应用的方法。随着电力系统及电力电子技术 的发展，一些使用晶闸管的静止无功补偿装置( s v c ) 逐渐占据 北京交通大学硕士学位论文 主导地位，如晶闸管投切电容器( t s c ) 和晶闸管投切电抗器 ( t c r ) 。随着电力电子技术的进一步发展，采用白换相变流电路 的静止无功发生器( s v g ) 出现了。在实际应用中，这些补偿装 置虽然对于补偿无功和谐波均达到了一定的效果，但存在工作点 固定、体积大、容易与电网发生谐振等缺点，难以满足大范围、 动态补偿的要求。这些因素促成了有源电力滤波器( a p f ) 的产生 与应用。 有源电力滤波器作为一种用于补偿频率、大小都变化的谐波 和变化的无功的新型电力电子装置，具有以下特点： 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； 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： 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； 即使补偿对象电流过大，有源滤波器也不会发生过载； 受电网阻抗的影响不大，不会和电网阻抗发生谐振： 能跟踪电网频率变化，故补偿性能不受电网频率变化的影 响； 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。 基于上述特点，有源滤波器受到广泛重视，成为电力电子应 用研究极具生命力的发展方向。下面简要介绍有源电力滤波器的研究 历史与国内外现状： 一 有源电力滤波器的发展史 北京交通大学硕士学位论文 有源滤波器发展大致分为如下几个阶段“： ( 1 ) 思想萌芽 1 9 6 9 年，b m b i r d 和j f m a r s h 发表的论文“1 中描述了向交流电 网中注入三次谐波电流，来抵消电源电流中谐波成分，从而改善电源电 流波形。虽然没有明确提出有源滤波器概念，但其所描述的方法可以认 为是电力滤波器基本思想的萌芽。 ( 2 ) 基本原理提出 1 9 7 1 年。h s 鹤a k i 和t m a c h i d a 发表的论文“们首次完整地描述了 有源电力滤波器基本原理。当时采用线性放大方法产生补偿电流，系统 损耗大，成本高，未能在工业中应用。 ( 3 ) 拓扑结构的建立 1 9 7 6 年，l g y u g y i 和e s t r y c u l a 提出采用p w m 变流器构成的有源 滤波器“。他们在论文中详细讨论了有源滤波器的实现方法和控制原 理，确立了有源滤波器基本概念，并建立了当今有源滤波器的拓扑结构。 由于受当时电力电子器件发展水平制约，有源滤波技术研究仅停留在实 验室内，并无工业化应用产品。 ( 4 ) 发展阶段 进入2 0 世纪8 0 年代，随着电力电子技术和壬 w m 控制技术发展， 关于有源滤波器的研究开始活跃起来。赤木泰文( h i r o f i l m ia k a 西) 等 人于1 9 8 3 年提出的瞬时无功功率理论“”，对有源滤波器的快速发展起 到了很大的推动作用，并有工业化产品不断问世。 二有源电力滤波器的国外研究现状 a p f 概念早在上世纪7 0 年代就被提出。之后经过十多年发展，特 别是在瞬时无功功率理论提出之后，有源滤波器才进入实际应用阶段。 进入上世纪9 0 年代之后，有源滤波作为抑制电网谐波，改善供电质量 北京交通人学硕一l 学位论文 的一项重要技术，在日本、美国、德国等工业发达国家已得到了高度重 视和日益广泛的应用。目前，世界上a p f 主要生产厂家有同本三菱电 机公司、美国西屋电气公司、瑞士a b b 、德国西门子公司等。1 9 8 3 年， a b b 公司在加拿大某铝电解厂安装了6 3 k v 7 0 m 、r a 工业用谐波滤波系 统；1 9 9 1 年，日本三菱电机公司在日本犬山开关站投入了1 5 4 k v 8 0 m 的a s v g ，随之又研制了2 0 m v a 的a p f 来抑制电弧炉产生的谐波“”。 据文献1 1 4 】介绍，自1 9 8 1 年至1 9 9 6 年期间，仅在日本，就有5 0 0 多台 a p f 投入运行，容量范围由5 0 k 到6 0 m v a 。有源电力滤波器已广泛 应用于工业、商业和机关团体的配电网中，如：电弧炉、变频调速装置、 电气化铁路、电信电源系统、证券交易供电系统、机场港口备用电源、 医疗成像系统、高层建筑、u p s 发电机组、精密电子企业、电解电镀企 业、石化企业等。 三有源电力滤波器的国内研究现状 与国外广泛应用a p f 相比，我国有源滤波技术还处在研究试验阶 段。一些高等院校、科研院所以及少数公司相继开展关于a p f 的研究， 如清华大学、西安交通大学、哈尔滨工业大学、华北电力大学、中国电 力科学研究院等。但是大多处于仿真和小容量实验室样机研究阶段。工 业上只有少数几台样机投入试运行，电压等级低，滤波器容量小，而且 谐波补偿效果还不尽人意，距离工业应用产品要求尚有一定差距。目前， 国内从事有源滤波器研究和生产的企业主要有，上海宝钢安大电能质量 有限公司、西安赛博电子有限公司等。有些公司代理国外有源滤波器产 品。 在此背景之下，珠海赛迪生电气设备有限公司委托北京交通 大学电气工程学院开发“无功与谐波自动补偿装置”项目。 北京交通大学硕一l ：学位论文 1 2 有源电力滤波器的分类及其基本原理 1 2 1 有源电力滤波器的分类 有源电力滤波器可以从不同的角度分类，通常可以按系统构 成和主电路形式进行分类。 按照有源滤波器的系统构成可将其分为并联型和串联型两大 类。二者又可分为多种类型，这是目前对有源滤波器分类的主要 方法。详细分类如图1 1 所示。 按照有源滤波器的主电路形式( 主要是直流侧储能元件的不 同) 可分为电压型和电流型两大类。区别如下： ( 1 ) 电压型p w m 变流器的直流侧接有大电容，在f 常工作时， 其电压基本保持不变，可看作电压源；电流型p w m 变流器的直流 侧接有大电感，在正常工作时，其电流基本保持不便，可看作电 流源。 ( 2 ) 对于电压型p w m 变流器，为保持直流侧电压不变，需 要对直流侧电压进行控制；对于电流型p w m 变流器，为保持直 流侧电流不变，需要对直流侧电流进行控制； ( 3 ) 电压型p w m 变流器的交流侧输出电压为p w m 波，电流 型p w m 变流器的交流侧输出电流为p w m 波。 北京交通大学硕上学位论文 厂单独使用方式 厂与无源滤波器并联 i 并联混合型 | 厂并联型一 l 与无源滤波器串联 厂串联谐振式 l 注入回路方式 有源滤波jl 并联谐振式 ” l 与旋转电机混合使用 厂单独使用方式 l 串联型 l l 串联混合型 图l 一1 有源滤波器的分类 与电压型p w m 变流器相比，电流型p w m 变流器的一个优点是 不会由于主电路开关器件的贯穿导通而发生短路故障。但是，电 流型p w m 变流器直流侧大电感上始终有电流流过，该电流将在大 电感的内阻上产生较大的损耗，因此目前使用较少。而电压型p w m 变流器装置轻便且特性较好，因此现在主要使用的就是这种形式。 1 2 2 有源电力滤波器的基本原理 有源电力滤波器主要由谐波与无功电流的检测电路、指令电流运算 电路和补偿电流的产生电路三部分组成如图1 2 所示。检测电路检测出 电网电流中的谐波和无功分量，指令电流运算电路计算出相应的指令电 流，根据计算出来的指令电流再计算出相应的开关状态用计算出来的 开关状态来控制功率电路，使其产生实际的补偿电流，以达到消除谐波 电流和无功电流的目的。 北京交通大学硕”i ：学位论文 下面以并联型有源滤波器为例具体说明其工作原理。如图1 2 所示，将负载电流西按傅立叶级数展丌为 f ，= ，。s i n 0 耐+ 已) = ，1 c o s 日，s i n 以+ j ls i n 吼c o s 甜+ 乏，。s i n n 耐+ 以) ( 1 - 1 ) = f l p + f l 口+ f * 图卜2 有源滤波器原理框图 f i g u r e1 - 2p “n c i p l ed i a g r a mo f a c t i v ep o w e rf i l t e r 其中：f 。= ，c o s 臼。s i n 耐，为基波有功电流 。= j ls i n q c o s “，为基波无功电流 2 荟一s i n b 耐+ 以) ，为高次谐波电流 由图1 3 可以得到下式： ( 1 2 ) 北京交通大学顿十学位论文 图卜3 有源滤波器原理示意图 f i g u r e1 3p r i n c i p l eo f a c t i v ep o w e rf i l t e f 即电源电流f ，由负载电流和有源滤波器的输出电流共同组 成，如果控制有源滤波器的输出电流，使 f c = 一 ( 1 3 ) 则电源中就只有基波电流了，即有 i 。= 0 + f l 口 ( 1 - 4 ) 这样就达到抑制谐波的目的。简言之，并联型有源滤波器相当 于并联在电网上的受控电流源，它实时检测负载中的谐波电流， 并产生与之大小相等而方向相反的谐波电流，使流入电网的谐波 电流基本为零。 进一步分析式( 1 2 ) 还会看到，有源滤波器也可以同时用来 补偿无功功率，这时只需使 昌一【f l 。+ ) ( 1 5 ) 则 f ，= f 。 ( 1 6 ) 即电源中就只含基波有功电流“。 1 1 北京交通大学烦十学位论文 1 3 无源补偿器的基本原理 无源补偿器主要由晶闸管投切电容器t s c 和l c 滤波器组成，它可 以对电力系统中无功功率进行快速的动态补偿以及对谐波进行有效的 抑制，可实现如下功能“1 ： 1 、对动态无功负荷的功率因数校正：2 、改善电压： 3 、提高电力系统的静态和动态稳定性：4 、降低过电压： 5 、减少电压闪烁：6 、阻尼次同步振荡： 7 、减少电压和电流的不平衡。 以上这些功能虽然是相互关联的，但无源补偿器实际上只能以其中 某一项参数为直接控制目标，其控制策略不同，对装置容量的要求也不 同。 1 3 1 晶闸管投切电容器t s c 的结构和基本原理 单相电路图如图卜4 a ，其中的两个反并联晶闸管( 可以用双向晶 闸管代替) 用于将电容器并入电网或从电网断开，串联的小电感用来抑 制电容器投入电网时可能造成的冲击电流。在很多情况下，这个电感往 往不画出来。因此，当电容器投入时，t s c 的电压一电流特性就是该电 容器的伏安特性，如图卜4 c 所示。在工程实际中，一般将电容器分成 几组，每组都可由晶闸管投切。这样，可根据电网的无功需求来投切这 些电容器，t s c 实际上就是可分组投切的吸收感性无功功率的动态无功 补偿器，其电压一电流特性曲线按照投入电容器组数的不同可以分别是 图中的o a 、o b 或o c 。当t s c 用于三相电路时，可以是三角联结，也 可以是星形联结，每一相都设计成如图1 4 b 所示的分组投切的形式。 电容器分组的具体方法比较灵活，一般希望能组合产生的电容级数 北京交通大学硕士学位论文 越多越好，但是综合考虑到系统的复杂性以及经济性问题，可以采用所 ! 互1 1 五! 五 i a a 单相结构筒图b 分组投切的t s c 单相简图c 电压一电流特性 图卜4t s c 基本原理 f i g i l i e1 4b a s i cp 如c i p l eo f t s c 谓的二进制的方案，即采用k 1 个电容值均为c 的电容器和一个电容值 为c 2 的电容器，这样的分组法可使组合成的电容值有2 k 级。 电容器的分组投切在较早的时候大都是采用机械断路器来实现的， 这就是机械投切电容器( m s c ) 。与其相比，晶闸管的工作寿命几乎是无 限的，而且晶闸管的投切时刻可以精确控制，可以减少投切时的冲击电 流和操作困难。因此，t s c 已在电力系统中获得了较广泛的应用“1 。 1 3 2l c 滤波器的结构和基本原理 l c 滤波器是传统的谐波抑制装置。在各种抑制谐波的方法中，用 l c 滤波的方法出现最早，存在一些较难克服的缺点，但因其具有结构 简单、设备投资较少、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，因此至 今仍是应用最多的方法。 l c 滤波器也称为无源滤波器，是由滤波电容器、电抗器和电阻器适 当组合而成的滤波装置，与谐波源并联。除去滤波作用外，l c 滤波器 北京交通大学硕士学位论文 还有无功补偿的作用。l c 滤波器又分为单调谐滤波器、高通滤波器及 双调谐滤波器等几种。在无源补偿器中，采用的是单调谐滤波器。 a 电路原理图b 阻抗频率特性 图卜5l c 滤波器的基本原理 f i g u r e1 5b a s i cp r i n c i p l eo fl c 幽卜5 为单调谐滤波器的电路原理图及阻抗频率特性。滤波器对n 次谐波( = 刀鸭) 的阻抗为： 1 z 厶2 + j 伽吐l 一赢) 式中 表示第n 次单调谐滤波器。由上式得到滤波器阻抗随频率变 化的曲线如图卜5 所示。单调谐滤波器是利用串联厶f 谐振原理构成 的，谐振次数n 为：n ：芒。 。l c 在谐振点处，z = 尺 ，因尺丘很小。n 次谐波电流主要由r 分 流，很少流入电网中。而对于其它次数的谐波电流，z 大于r ，滤 波器分流很少。因此，只要将滤波器的谐振次数设定为与需要滤除的谐 波次数一样，则该次谐波电流将大部分流入滤波器，从而达到滤除该次 谐波电流的目的“1 。 1 4 北京交通大学硕士学位论文 1 4 补偿方案的研究和选择 用于补偿无功功率的典型装置有静止无功补偿器s v c 。在s v c 装置 中，主要有晶闸管控制电抗器( t c r ) 和晶闸管投切电容器( t s c ) 等类型。 两者结合应用较多。 用于补偿谐波的典型装置为电力有源滤波器。8 0 年代以来，由于新 型电力半导体器件的出现，p w m 技术的发展，以及基于三相电路瞬时无功 功率理论的谐波和无功电流瞬时检测法在有源电力滤波器中的成功应 用，使电力有源滤波器得以迅速发展。 电力有源滤波器能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿，且补偿 特性不受电网阻抗的影响，因而受到相当的重视。从与补偿对象的连接 方式来看，电力有源滤波器可分为并联型和串联型。并联型中有单独使 用、与l c 滤波器混合使用及注入电路方式。目前并联型占实用装置的 大多数。图卜6 为常见的电力有源滤波器的主电路结构“。 图卜6 a 是电力有源滤波器基本的构成方式。p w m 变流器并联在电 网上，相当于一个受控电流源，产生与负载谐波电流大小相同而方向相 反的补偿电流，使得电源电流的波形被补偿为正弦波形。因为电源基波 电压全部加在变流器上，因而装置容量较大。这种电力有源滤波器具有 连续调节无功功率的功能，能在补偿谐波的同时动态补偿无功功率。耻1 图卜6 b 中的l c 滤波器主要是用来分担有源滤波器低次谐波的补偿 而较高次的谐波则由有源滤波器来补偿，这样就可以降低所需有源滤波 器的容量。这种方式的有源滤波器也可以对无功功率进行调节。“1 图卜6 c 中的有源滤波器不只是用来补偿谐波，而且还用来抑制l c 滤波器与电网阻抗之间的并联谐振，即所谓的谐波放大现象，以改 北京交通大学硕士学位论文 ( b ) 有源滤波器 ( c ) 有源滤波器 ( e ) ( d ) 图卜6 常见的电力有源滤波器的主电路结构 f i g u r e1 - 6m a i nc i r c u i ts t m c t u r e0 fc o m m o na c t i v ep o w e rf i l t e r ( a ) 单独使用的并联型有源滤波器；( b ) 与l c 滤波器并联使用的并联型有源滤波 器；( c ) 与l c 滤波器串联使用的并联型有源滤波器；( d ) 单独使用的串联型有源 滤波器；( e ) 与l c 滤波器混合使用的串联型有源滤波器 1 6 北京交通大学硕士学位论文 善l c 滤波器的谐波补偿效果。其变流器不承受基波电压，因而变流器的 装置容量大大减小。“1 图卜6 d 和卜6 e 的有源滤波器均通过变压器串联在电源和负载之 间，相当于一个受控电压源。图卜6 d 方式可以消除电源电压可能存在的 畸变，维持负载端压为正弦。需指出，并联型有源滤波器一般适用于感性 负载。对容性负载的谐波源，可采用单独使用方式的串联型有源滤波器， 通过控制有源滤波器的补偿电压来改变负载端的电压，从而使电源电流 为正弦。图卜6 e 为与l c 滤波器混合使用的串联型电力有源滤波器，与 图卜6 c 方式等效。由于其所需变流器的装置容量很小，一般不超过负载 容量的3 ，因而也颇受关注“1 。 通过对以上各种类型的电力有源滤波器主电路结构的分析比较， 本文设计的装置应采用图卜6 b 所示的主电路结构，即与无源补偿器并 联的并联混合型有源滤波器。 本文所提出的无功与谐波自动补偿装置，采用了上述的并联混合型 有源滤波器与无源补偿器并联的结构。其中无源补偿网络的使用可以增 大装置的补偿容量，降低其单位容量的造价，而有源滤波器的使用可以 实现无功与谐波的精确动态补偿。数字信号处理器( d s p ) 在本装置中 的应用，将大大改善本装置的性能。 本文将介绍采用基于实时傅立叶变换的数字化分析方法生成有源 滤波器指令电流的方法以及三相电流的综合误差最小的开关控制策略， 重点研究自动补偿装置的控制系统、电力有源滤波器驱动电路和主电路 的设计，以及控制软件的编写等问题。搭建了无功与谐波自动补偿装置 的实验系统，验证了指令电流的生成方法。 北京交通大学硕士学位论文 第二章有源滤波器控制算法的介绍 对于无功与谐波自动补偿装置的应用系统，其理想的工作状 态是电源仅提供负载所需的、三相对称的纯有功电流，即电源各 相的电流与对应相的基波正序电压同相位，并且三相电流的幅值 相等。补偿装置的控制系统如何获取精确的指令电流，且控制装 置协调运作是算法的关键问题。 无功与谐波自动补偿装置包括无源补偿和有源补偿两个部 分。无源无功补偿主要采用晶闸管投切电容器( t s c ) ，分1 0 0 k v a 、 2 0 0 k v a 和2 0 0 k v a 三组电容器进行投切。按照三相平衡、无功最小 的原则选择无功补偿网络，实现无源补偿网络的优化；在无源网络最优 的条件下，有源滤波器补偿负载残留的无功功率。 无源谐波补偿主要采用晶闸管控制l c 滤波器，3 、5 、7 次谐波主 要由无源网络补偿。当无源补偿网络的电流达到额定值时，保持其额定 工作状态，剩余的谐波电流由有源滤波器补偿。当谐波电流超出补偿容 量时，谐波补偿功能关闭，以保护本补偿装置。 本论文主要设计了无功与谐波自动补偿装置的控制系统，有源滤波 器的控制电路和主电路；用f 2 4 0 7 的汇编语言编写了相应的控制软件。 指令电流的生成方法和开关控制策略是由另外一名研究生研究的，为了 论文的结构完整，在此仅对其进行简单的介绍。 北京交通大学硕上学位论文 2 1 有源滤波器指令电流的生成 指令电流的生成主要是指对谐波和无功电流的检测，分为频 域和时域两类。频域法主要是采用滤波器( 包括低通滤波器、带 通滤波器和高通滤波器) 将特定频率的电流分离或利用傅立叶变 换分离出特定的谐波成分。但它们都存在固有的缺陷，滤波效果 不理想，实时性较差。目前，时域法是有源电力滤波器谐波和无 功检测的主要方法。本文采用的指令电流的生成方法为实时傅立叶 分析法。 2 1 1 三相电流的墨波正序有功分量的计算 为了分析带有许多不同频率的复杂信号，过去的多年研究中 提出了许多数学算法，其中采用傅立叶级数对非正弦连续时间周 期函数进行分析是谐波分柝的最基本的方法。 根据傅立叶级数的定义，设一相的负载电流表达式如下： f ( f ) = ，。+ o 。c o s n 叩+ 6 。s i n ”q f ) 。肛1 ( 2 一1 ) 2 厶+ ，。c 。s ( n 唧一) 其中，n 为谐波次数，。为该相电流n 次谐波的幅值，吼为该相电流n 次谐波的相角，。= 碱，1 为基频。其中： n 。；f z t c 。s 。m 。r 渺 ( z z ) 以= 吾r f t s i n 珊。r 矽m ，t ( 2 3 ) 由式( 2 2 ) 及( 2 3 ) ，可求得n 次谐波电流的幅值 北京交通大学硕1 学位论文 ( 2 4 ) n 次谐波的相角为：舻a r c s i n 等。 设一相电源电压的表达式为： v o ) 2 k c o s o m ，f 一九) 其中，n 为谐波次数，k 为该相电压n 次谐波的幅值，屯为该相电压厅 次谐波的相角。 设三相负载电流不对称并包含大量谐波成分，其表达式为： 屯i ，- + c 。q f 一吼+ ) + ，t c o s ( q f 一吼一) + 三，。s o q f 一吼。) k2 j i + c o s ( q f 1 2 0 一竹+ ) + ，一c o s ( q f + 1 2 0 。一吼，) + 芝，“c o s o 哪一) ki ，l + s ( q r + 1 2 0 一吼+ ) + ，- ，c 。s ( q f 1 2 0 一吼一) + ，。c o s o q f 一) ( 2 5 ) 排彘：汁 一吾f 。+ s i n 。f + k s i n ( q f 一1 2 0 。) + t + s j n ( 。f + 1 2 0 出 一吾f 【kc o s ( q f 一妒。+ ) + s i n q f + oc o s ( ，f 一竹一) + s i n m 。f + ，l + c o s ( l f 一1 2 0 。一吼+ ) s i n ( 1 f 一1 2 0 ) + ，1 一c o s ( q f + 1 2 0 。一妒1 一) s i n ( q f 一1 2 0 ) + ，1 + c o s ( q f + 1 2 0 一妒1 + ) s i n 和l f + 1 2 0 。) + ，l c o s ( 1 f 一1 2 0 ：一妒l 一) $ s i n ( q f + 1 2 0 。) 】疵 一氯s 呻。 北京交通犬学硕j 学位论文 划1b 魏沪 4 亭j ：阮+ c o s t f + f mt c o s ( ，f 一1 2 0 ) + f k c 。s ( q f + 1 2 0 ) 胁 2 “儿+ c 。s ( q f 一吼+ ) + c o s q f + ，。c 。s ( q 。一仍一) + c 。8 q f 一氯c 唧。 ，l + = ( ，1 + s i “吼+ ) 2 + ( j 1 + s 妒1 + ) 2 ( 2 8 ) 根据( 2 6 ) 、( 2 7 ) 和( 2 8 ) 式，可求得正序电流的幅值，进而可 求得s i n 讫+ 的值，经反正弦变换后，即可得到吼+ 。 ：篡爨； 浯。， h + jh c o s 池f + 1 2 0 。一仍+ ) j 斛懑篡纠 k ，+ li k + c o s 池f + 1 2 0 。一办+ ) i 北京交通大学硕士学位论文 知眺嚣斟 。季上k4 c o s o 叩一九) + k t c o s 如f 一1 2 0 1 一九) + t + c o s “f + 1 2 0 一哦+ ) 体 。瓤【+ c o s 他f 一砚+ ) c o s “f 一丸) + ，- c o s “f 一礼) c o s 瓴f 一九) + ，l t s 幽卜1 2 0 1 一礼) c o s 缸矿一1 2 0 办) + ，l c o s “f + 1 2 0 一一) c o s 蛾f 一1 2 0 一丸) + j h c o s “f + 1 嬲一+ ) c o s 坼+ 1 埘一丸) + j 1 一c o s h f 一1 2 0 一一) c o s ( q f + 1 2 0 一丸) 弦 。丢l + c o s 翰+ 一+ ) 结合式( 2 1 0 ) 和( 2 1 1 ) 可计算出三相负载电流的基波正序有功 ，= 1 + c o s ( 疵+ 一竹+ ) ( 2 1 2 ) 则三相负载电流的基波正序有功分量表达式如下： f屯1 + p = ，“c o s ( 晚+ 一吼+ ) c o s ( q f 一九) f * l + p = 1 + c o s ( 咖+ 一伊“) c o s ( 鸭f 一1 2 0 。一珐+ ) ( 2 1 3 ) ik l = ，1 + c o s 慨+ 一妒1 + ) c o s ( 唧+ 1 2 0 。一a + ) 2 1 2 指令电流的计算 理想情况下，有源滤波器补偿的只是负载的无功功率，因而 有源滤波器既不需要从电源吸收有功功率，也不向电源输出有功 功率，故有源滤波器直流侧电容器上的电压是不变的。实际上， 由于系统的损耗，将使电容电压下降，另外补偿负载的谐波和负 序电流的有功分量时会引起电容电压波动，因此必须要对电容电 压进行控制。为了稳定电容器上的电压，有源滤波器交流侧必须 从电源获得相应的有功功率并向直流侧传递。 北京交通大学硕= l 学位论文 图2 1 指令电流生成的原理框图 f i g u r e2 - 1g e n e r a t i o np r i n c i p l ed i a g r a mo fr e f e f e n c ec u e n t 设直流侧平均电压为一一一直流侧电压的指令值为v ，盯，直流 侧电容容量为则电源需要给有源滤波器提供的能量为 = 要c ( v 一n 一。，) ( 2 小) 设能量由电源在一个周期t 内提供，则电源需提供的有功 功率峨为 峨2 等；击c 蚂t j c z 啪， 则电源需提供的有功电流幅值为： 小 铮= 耪争和三一j 因此，有源滤波器电源指令电流的幅值为： 1s r m = l m + i k 结合式( 2 1 0 ) ，可得到电源指令电流如下： ( 2 一1 6 ) ( 2 一1 7 ) 北京交通火学硕士学位论文 i ，。= ，；。c o s ( n 、f 一疵+ ) f m = 。c o s ( 1 f 一1 2 0 。一咖+ ) i f ，。= ，一c o s ( 日电f + 1 2 0 9 一蛾+ ) 2 2 有源滤波器的开关控制策略 ( 2 1 8 ) 本章首先分析三相三线电压型有源滤波器的拓扑结构，建立系统的 等效电路，然后在此基础上采用了三相电流的综合误差最小的开关控制 策略，并从理论上说明了控制的基本方法和原理。 2 2 1 三相三线有源滤波器的拓扑结构 在图2 2 ( a ) 所示的供电系统中，虚线部分是三相电压型有源 滤波器。通过控制功率开关t 1 t 6 的通断和持续的时间，可以改 变滤波器输出电流的大小与方向，从而达到补偿负载的谐波电流 和无功电流的目的。由于同一桥臂的上、下两个开关不可能同时 导通，因此可以用一个开关s 的状态表示该桥臀的状态。规定s = 1 表示上桥臂导通，下桥臂关断；s = 0 表示下桥臂导通，上桥臂关断。 采用这种等效开关表示后，电路简化为图2 2 ( b ) 所示的形式“1 。 分析开关s a s c 在各种状态组合下，节点x 、v 、z 对地的电位， 可以得到图2 2 ( c ) 所示的等效电路“1 。 参考图中的标注，其中 i v 一- ( 2 t s 。一瓦一s 。) $ v 出3 v 砷= ( 2 $ s b s 。一s 。) v 出3 ( 2 1 9 ) i v f - ( 2 $ 5 。一一5 6 ) v 出3 为讨论方便，假定直流侧电压维持不变( 实际控制中，由于 电压闭环的调节，此条件大体满足) ，引入下列变量： 北京交通大学硕士学位论文 i e = vd 。n l 七。= 2 t s 。一s h s 。 i t 。= 2 + & 一s 。一s 。 i 七。= 2 s 。一s 。一s v 朋= 七。 e v 曲= 七6 e v w = 七c ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 以5 m 的形式表示三个桥臂的状态，则k 、如、与6 。之间的 关系如表2 1 所示。 由回路的电压方程，可得 鲁却。1 m 鲁吨m 鲁吨。 m ( 2 2 2 ) 北京交通大学硕：学位论文 ( a ) s as bs c l ( b ) ( c ) 图2 2 有源滤波器供电系统的电路结构 f i g u r e2 2c i r c u j is t t u c t u r eo ft h ep o w e r s y s t e mo fa c t i v ep o w e rf i l t e r i l i 北京交通大学硕士学位论文 式( 2 2 1 ) 和式( 2 2 2 ) 分别揭示了有源滤波器各相输出电流变化 的独立性和相关性，即：一方面，在变流器状态确定的前提下，各相电 流的变化出各相的电源电压及变流器的输出电压决定，与其它相的电压 无关；另一方面，变流器各相的输出电压由三个桥臂的状态共同决定， 任何一个桥臂的状态都不能单独决定某一相的输出电压。因此，在确定 有源滤波器的控制策略时，既要利用各相的独立性所确立的数值关系， 又必须考虑并利用三相之间的关联性”1 。 表2 一l 开关表 1 a b 】e2 - 1s w i t c ht h b l e 变流器状 k如如k 态s 0o o oooo 10 0 1112 20 1 012。1 30 1 12l1 41 0 0211 5 1 0 11 2 1 61 1 0112 7 1 1 1o 0 0 2 2 2 本文采用的开关控制策略 有源滤波器系统的控制策略，可归结为在指令电流已知的情 况下，如何控制变流器桥臂的状态，使电源电流能跟随指令电流 变化，并且在开关频率一定的前提下使跟随误差最小，或在跟随 误差一定的前提下使开关频率最低，或制定一定的控制目标，使 北京交通大学硕士学位论文 跟随误差与开关频率的综合指标最优。 无差拍控制是一种预测控制方案。该方法利用前一时刻的补 偿电流参考值和实际值，计算出下一时刻的补偿电流参考值及各 种开关状态下变流器电流输出值，选择使电流误差最小的开关模 式作为下一时刻的开关状态。该方法的优点是能够快速响应电流 的突然变化，特别适合快速暂态控制。缺点是计算量大，而且对 系统参数依赖性较大。 在采用高速微处理器实现的全数字化控制系统中，通常采用 无差拍控制方法。本文的控制系统采用了双d s p 的硬件结构，因此 选用了基于全数字化控制技术的无差拍控制法。 本文在该方法的基础上提出了三相电流综合误差最小的控制 方法。具有下列优点： 将变流器的状态作为控制的手段，能够实现各相之间的关 联控制，便于优化开关过程，提高开关动作的效率； 系统传感器和a d 采样环节造成的延迟，可以通过预测控 制算法进行补偿； 便于实现多个性能控制指标的融合与切换； 控制周期一定，即开关频率固定，减小脉动电流和开关噪 声。 一、系统的控制目标 设电源第j 相( j = n ，以c ) 的实际电流和指令电流分别为f ，f ，d 二者的差值巳定义为误差电流，即 p ，。一岛 ( 2 - 2 3 ) 北京交通大学硕士学位论文 设系统当前时刻为f 。，采样周期为乙，将e ，在f 0 和岛+ k 时 刻的值分别记为e 。和e 令m = m a x 巳。怍。，i ) ，则对应于变流 器的八个状态( 参见表2 1 ) ，肘有七个数值，设其中的最小值为 m 。，对应的变流器状态为s 。 按照上述的符号定义，如果在“时刻选择状态，就可以在 f 。+ k 时刻保证电源三相电流的误差的最大值m 最小，同时也意 味着各相的误差电流都是最小。因此，可以将m 作为三相电流的综 合误差，系统的控制目标可表述为使电源电流的综合误差最小。 在三相三线系统中，存在以下关系 e 口1 + p 6 l + e c l = o ( 2 2 4 ) 由此可以推导出 m ；d e 。，i + i e 。i + f e 。，1 ) 2 ( 2 2 5 ) 定义d = k i + k i + k i ，则系统的控制目标可以进一步表述为 选择变流器的最佳状态，使d 取的最小值。 二、电流误差与变流器状态之间的关系 参见图2 2 的标注，由式( 2 2 3 ) 得 。，2 f 口一f ，_ 2 屯+ 一岛，= 口，6 ，c ( 2 2 6 ) 当乙很小时，可以认为在f 。和。+ 乙区段内，第j 相的指令 电流0 和负载电流乇都按线性变化，即 0 ( f ) ；i 。d o + t f ，f 【0 ，z j ( 2 2 7 ) 0 ( f ) = f # o + 七。f ，f 旧，z kj ( 2 2 8 ) 其中，f 。和o 分别表示和0 在f 。时刻的值；七。和分别表示f 。 北京交通大学硕士学位论文 和b 的变化系数，可以由f 。一及f 。时刻的采样值确定。设f 州一和f 口 分别表示和在f 0 一乙时刻的值，则 t d ；。一f 叫一) k ( 2 _ 2 9 ) = 嘞。一乙 ( 2 _ 3 0 ) 由式( 2 2 2 ) 可以求出变流器第j 相的输入电流 i 。护+ 孚。f 【0 l ( 2 3 1 ) 其中可。为硝在气时刻的值。综合以上各式及式( 2 2 1 ) ，得 e ，g ) ：(