（电力电子与电力传动专业论文）并联型有源电力滤波器的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h eh a r m o n i cp o l l u t i o np r o b l e mo ft h ep o w e rs y s t e mi ss e v e r ed a yb yd a y , a n d t h ep e o p l e sd e m a n do fp o w e rr e l i a b i l i t ya n dp o w e rq u a l i t yi sh i g h e rt h a nb e f o r e t h et r a d i t i o n a lp a s s i v ef i l t e rc o u l dn o tm e e tt h eu s e r s d e m a n do fp o w e rq u a l i t y a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) m a yo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a l a p p r o a c h e s f o r e l i m i n a t i n gh a r m o n i c s ( s u c h a st h e p a s s i v ef i l t e r ) w i t h t h e s u p e r e x c e l l e n tp e r f o r m a n c e ，a p fh a so b t a i n e dm o r ea t t e n t i o n f i r s t ，t h eb a c k g r o u n d ，d e v e l o p m e n ta n df u t u r ep r o s p e c to fa c t i v ep o w e rf i l t e ri s d e s c r i b e di nd e t a i l t h e n ，t h et h e s i si n t r o d u c e s t h ec l a s s i f i c a t i o n sa n dt o p o l o g y s t r u c t u r eo ft h ea c t i v ep o w e rf i l t e r s e s p e c i a l l yf u r t h e ra n a l y s e sa r em a d eo nt h e o p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo ft h es h u n ta c t i v ep o w e r f i l t e ra n di t sm a t h e m a t i c a lm o d e l s e c o n d l y ，t h et h e s i si n t r o d u c e ss e v e r a lt y p i c a lk i n d so fc u r r e n t d e t e c t i o n m e t h o d s d e t a i ls t u d i e sa r em a d eo nt h et w ok i n d so fr e a lt i m eh a r m o n i ca n dr e a c t i v e c u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d s ，w h i c ha r eb a s e do ni n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y ， a n dt h ec o m p a r i s o ni sg o tb e t w e e nt h e m t h i r d l y , s h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r sc o n t r o ls t r a t e g yi n c l u d i n gc o m p e n s a t o r y c u r r e n tc o n t r o la n dd cv o l t a g ec o n t r o li sa n a l y z e di nd e t a i l c o m p e n s a t o r yc u r r e n t c o n t r o la d o p t st r i a n g l ew a v ec o m p a r ec o n t r o la n dh y s t e r e s i sc o n t r o la sw e l l ，a n dd c v o l t a g ec o n t r o la d o p t sp ic l o s e dl o o pc o n t r 0 1 b e s i d e s ，ac h i po ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p , w h i c hi st h ec o r eo ft h ec o n t r o l l e ri n t h es h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e rc i r c u i t ，i si n t r o d u c e di nt h et h e s i s ad e t a i li n t r o d u c t i o n o ft h ec o n t r o l l e r , s u c ha st h ep o w e rs u p p l yc i r c u i t s ，t h ec o m m u n i c a t i o nc i r c u i t sa n d s oo n , i sg i v e ni nt h ef o l l o w i n gp a s s a g e s t h es o f t w a r ea d o p t sca n da s s e m b l e l a n g u a g e st or e a l i z em o d u l a r i z e dp r o g r a m m i n g i ti n t r o d u c e ss e v e r a lp r o g r a m so ft h e c o n t r o l l e r l a s t l y , r e g u l a t i n gc i r c u i to ft h et h r e e p h a s es h u n ta c t i v ep o w e r f i l t e ri sa n a l y z e d a n ds i m u l a t e db ym a t l a b t h ep r o p o s e dh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n td e t e c t i o n m e t h o da n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yo fs h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e ra r et e s t e d a n d i i i a b s t r a c t s a t i s f a c t o r yr e s u l ti sd r a w n t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n de x p e r i m e n tr e s u l t sv e r i f y v a l i d i t ya n de f f e c t i v e n e s so f t h ec u r r e n td e t e c t i o nm e t h o da n dt h ec o n t r o ls t r a t e g y k e yw o r d s ： a c t i v ep o w e rf i l t e r ；d e t e c t i o nm e t h o d ；c o n t r o ls t r a t e g y ；d s p i v 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 j ， 学位论文作者签名( 手写) ：殄弓z 乏签字日期：2 口d 参年眵月z ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌态堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌盔堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：劣勿弓 签字日期：训8 年l 月7 弓日 导师签名：编， 签字日期： 口年f a 月工弓日 ，、，以 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 8 0 年代以来，随着现代工业技术和信息产业的迅猛发展，以电力电子技术 为核心的柔性交流输电技术在电力系统中得到了广泛应用，电力系统中出现了 各种类型和容量的电力电子装置。这些电力电子装置在工业市场和应用领域正 在不断扩大，各种电力电子装置在电力系统、工业( 特别是冶金、钢铁、化工) 、 交通、楼宇自动化及家庭中获得了广泛的应用，但同时也将大量的谐波注入电 网，使公共连接点( p c c ) 的电压波形严重畸变，并产生很强的电磁干扰，对 电力系统的安全、优质、经济运行构成潜在的威胁。目前，由谐波引起的各种 故障和事故不断发生，谐波污染被公认为是电力系统的一大公害，必须采取措 施加以限制i l j 。 面对电力系统的无功及谐波问题同趋严重的状况，传统的各种无功补偿及 谐波抑制方法己难以满足现代电力系统的需要。作为一种新型补偿装置，有源 电力滤波器( a p f ) 能快速对大小和频率均变化的谐波及无功进行补偿，近年 来受到了广泛的重视。 1 2 有源滤波技术概述 1 2 1 谐波研究的意义 在电力电子装置普及以前，变压器是主要的谐波源。目前变压器谐波已退 居次要的地位。电力电子装置的应用日益广泛，各种电力电子装置成为主要的 谐波源，大量电动机的使用，也增加了电网的无功负荷，从而使得谐波和无功 问题引起人们越来越多的关注。同时，也由于电力电子技术的飞速进步，在谐 波抑制和无功补偿方面也取得了一些突破性的进展；本节从谐波危害与主要指 标计算出发简单介绍谐波研究意义及谐波抑制与无功补偿问题并且介绍了有源 电力滤波器的研究历史和现状。 第1 章绪论 ( 1 ) 谐波危害与主要指标计算【2 】【3 】 在交流电网中，高次谐波来自多个方面，其中功率较大、作用时间较长并 可能导致公害的大型谐波源主要有：大功率晶闸管整流传动装置、直流侧含滤 波电容的二极管整流电路、大型炼钢电弧炉运行时产生的谐波和相控电抗型静 止无功补偿装置产生的谐波等。虽然荧光灯和彩电等家用电器以及个人电脑和 办公设备等产生的谐波单机容量不大，但数量大，分布广，它们广泛普及带来 的谐波污染问题也日益严重。 谐波的主要危害有： ( 1 ) 能使电网中的继电保护及其它自动装置误动作，甚至造成跳闸事故， 严重地威胁电网的安全运行； ( 2 ) 能直接造成用户电气设备故障。当电网中3 次、5 次或7 次谐波电压 含有率达到1 0 2 0 时，电动机将在短期内损坏。另外，过去常在变压器低 压侧装设电容器补偿装置，其对高次谐波电流具有放大作用，使其在谐波的作 用下温升过高、电流过大，以致无法正常运行； ( 3 ) 引起发电机组局部发热，加重机械振动，使测量仪表增加误差； ( 4 ) 对电子计算机和通讯产生干扰，可与电话线感性耦合，干扰音频和视 频信号，损坏电子元器件； ( 5 ) 无功谐波电流使输电线路损耗增大，线路传输能力下降。 在供电系统中，通常希望交流电压和电流是正弦波。正弦电压可表示为： “( f ) = 4 2s i n ( c o t + 口)( 1 1 ) 当正弦电压施加在非线性电路上时，电流就变为非正弦，而非正弦电流在 电网阻抗上产生电压，使得电压波形也变为非正弦波。根据电路理论所学知识 可知：对于周期为t = 2 r e c o 的正弦电压表达式为： u ( c o t ) = 铴+ ( c o s n c o t + b 。s i n c o t ) ( 1 2 ) n = l 式中： 旷妻胁硼埘) ； 铲妻知( c o t ) c 。s 挖c o t d ( c o t ) ； 2 第1 章绪论 瓦= 三r ”甜( 研) s i n 门删( 耐) ，n _ 1 ，2 ，3 在式( 1 2 ) q h 的傅立叶级数中，频率为l t 的分量为基波，频率大于整数倍 基波频率的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数倍。k 次谐 波电压含有率以h r u 。表示： h r 吣等1 0 0 ( ) ( 1 3 ) 式中：u 。一k 次谐波电压有效值 u i 一基波电压有效值 k 次谐波电流含有率以h r i 。表示： h r i = 等1 0 0 ( 呦 ( 1 4 ) 1 式中： ，。一k 次谐波电压有效值 1 1 一基波电压有效值 谐波电压含量u 和谐波电流含量，分别定义为： 一 u h = ( ) 2 ( 1 5 ) yk = 2 一 厶= 、( 以) 2 ( 1 6 ) yh = 2 电压谐波总畸变率觋和电流谐波总畸变率”够： t h d 。= 击私 m 7 ， t h d ，2 去薹，； 8 ， ( 2 ) 谐波研究的意义 谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动 和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电 力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。 谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电乃系。 第1 章绪论 统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰【4 】。 谐波研究的意义，还在于其对电力电子技术自身发展的影响。电力电子技 术是未来科学技术发展的重要支柱。有人预言，电力电子连同运动控制将和计 算机技术一起成为2 1 世纪最重要的两大技术。然而，电力电子装置所产生的谐 波污染已成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究 人员必须对谐波问题进行更为有效的研究。 有关谐波问题的研究可以划分为以下四个方面： ( 1 ) 与谐波有关的功率定义和功率理论的研究； ( 2 ) 谐波分析以及谐波影响和危害的分析； ( 3 ) 谐波的补偿和抑制； ( 4 ) 与谐波有关的测量问题和限制谐波标准的研究。 1 2 2 谐波抑制 装设谐波补偿装置的传统方法就是采用调谐滤波器。这种方法既可滤除谐 波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。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l c 滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿 效果也不甚理想。尽管如此，l c 滤波器当前仍是补偿谐波的最主要手段。 目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r 即a p f ) 。有源电力滤波器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， 并且己在日本等国获得广泛应用。 1 2 3 无功补偿 无功功率对供电系统和负荷运行都是十分重要的，电力系统网络元件的阻 抗主要是电感性的，因此， h 略地说，为了输送有功功率，就要求送电端和受 电端的电压有一定相位差，这在相当宽的范围内可以实现；而为了输送无功功 率，则要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄的范围内实现。不仅大多数网 4 第1 章绪论 络元件消耗无功功率，大多数负载也需要消耗无功功率。网络元件和负载所需 要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些无功功率如果都要由发 电机提供并经过长距离传送是不合理的、通常也是不可能的。合理的方法应是 在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是所谓的无功补偿 4 1 。 无功补偿的作用主要有以下几点： ( 1 ) 提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗； ( 2 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的 地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力； ( 3 ) 在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平 衡三相的有功及无功负载。 早期无功补偿装置的典型代表是同步调相机。同步调相机不仅能补偿固定 的无功功率，对变化的无功功率也能进行动态补偿。至今在无功补偿领域中这 种装置还在使用，而且随着控制技术的进步，其控制性能还有所改善。但从总 体上说这种补偿手段已显陈旧。 并联电容器的成本较低。把并联电容器和同步调相机比较，在调节效果相 近的条件下，前者的费用要节省得多。因此，电容器的迅速发展几乎取代了输 电系统中的同步调相机。但是，和同步调相机相比，电容器只能补偿固定的无 功功率，在系统中有谐波时，还有可能发生并联谐振，使谐波放大，电容器因 此而烧毁的事故也时有发生。 静止无功补偿装置( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r - - s v c ) 近年来获得了很大发展， 已被广泛用于输电系统波阻抗补偿及长距离输电的分段补偿，也大量用于负载 无功补偿。其典型代表是固定电容器+ 晶闸管控制电抗器( f i x e d c a p a c i t o r + t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r _ f c 十t c r ) 。晶闸管投切电容器 ( t h y i s t o rs w i t c h i n gc a p a c i t o rt s c ) 也获得了广泛的应用。静止无功补偿装置的重 要特性是它能连续调节补偿装置的无功功率。这种连续调节是依靠调节t c r 中 晶闸管的触发延迟角得以实现的。t s c 只能分组投切，不能连续调节无功功率， 它只有和t c r 配合使用，才能实现补偿装置整体无功功率的连续调节。由于具 有连续调节的性能且响应迅速，因此s v c 可以对无功功率进行动态补偿，使补 偿点的电压接近维持不变。因t c r 装置采用相控原理，在动态调节基波无功功 率的同时，也产生大量的谐波，所以，固定电容器通常和电抗器串联构成谐波 滤波器，以滤除t c r 中的谐波【5 j 。 5 第1 章绪论 比s v c 更为先进的现代补偿装置是静止无功发生器( s t a t i cv a r g e n e r a t o r - - s v g ) 。s v g 也是一种电力电子装置。其最基本的电路仍是三相桥式 电压型或电流型变流电路，目前使用的主要是电压型。s v g 和s v c 不同，s v c 需要大容量的电抗器、电容器等储能元件，而s v g 在其直流侧只需要较小容量 的电容器维持其电压即可。s v g 通过不同的控制，既可使其发出无功功率，呈 电容性，也可使其吸收无功功率，呈电感性。采用p m m 控制，即可使其输入 电流接近正弦垆j 。 1 3 有源电力滤波器的发展与现状1 6 l 1 3 1 有源电力滤波器的国内外发展历史及研究现状 电力有源滤波器的发展最早可以追溯到上世纪6 0 年代未。1 9 6 9 年 b m b i r d 和j f m a r h s 发表的论文中，描述了通过向交流电网注入三次谐波电 流来减少电源电流的谐波成分，从而改善电源电流波形的新方法。在该文中虽 然未出现电力有源滤波器一词，但其描述的方法是a p f 基本思想的萌芽。 1 9 7 1 年，h s a s a k i 和t m a e h i d a 发表的论文中，首次完整地描述了a p f 的 基本原理。但由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流，其损耗大，成本 高，因而仅在实验室中研究，未能在工业中实用。 1 9 7 6 年，l g y u g y i 提出了采用p w m 控制变流器构成的a p f ，确立了a p f 的概念，确立了a p f 主电路的基本拓扑结构和控制方法。从原理上看，p w m 变流器是一种理想的补偿电流发生电路，但是由于当时电力电子技术的发展水 平不高，全控型器件功率小、频率低，因而a p f 仅限于试验研究。 进入8 0 年代，随着电力电子技术以及p w m 控制技术的发展，对a p f 的 研究逐渐活跃起来，是电力电子技术领域的热点研究之一r7 。这一时期的一个 重大突破是，1 9 8 3 年赤木泰文提出了“三相电路瞬时无功功率理论”，以该理论 为基础的谐波和无功电流检测方法在a p f 中得到了成功的应用，极大地促进了 a p f 的发展。目前，三相电路瞬时无功功率理论被认为是a p f 的主要理论基础 之一。 近年来随着电力电子技术、控制技术和数字信号处理技术的发展，特别是 g t o 、i g b t 等自关断器件的出现和高性能d p s 芯片的应用，电力有源滤波器 6 第1 章绪论 已经进入实用阶段，在欧美一些国家和日本己经开始大量使用电力有源滤波器 来补偿电网中的谐波以提高电能的质量。 与国外相比，我国对谐波问题的研究起步较晚，吴竞昌等人1 9 8 8 年出版的 电力系统谐波一书是我国有关谐波问题较有影响的著作【8 】。此外，唐统一 等人和容健纲等人分别独立翻译了j a r r i l l a g a 等的电力系统谐波一书，也 在国内有较大的影响。在有源电力滤波器方面，我国的研究同样起步较晚，直 到1 9 8 9 年才见到这方面研究的文立【9 1 ，1 9 9 3 年才见到试验性的工业应用实验 【1 0 】，国内的研究基本处在理论及实验室阶段。近几年进行这方面研究的单位在 逐渐增加，主要集中在一些高等院校和少数研究机构。从发表的文章看，以理 论研究和实验为主，这些研究有的已达到或接近国际先进水平。 西安交通大学的王兆安等人，对谐波及无功电流的实时检测方法进行了一 定的研究，以瞬时功率理论为基础提出了谐波检测算法i l ，对基于d s p 芯片的 单相综合有源电力滤波系统的数字控制系统的实现也进行了研究【1 2 】。浙江大学 的钱照明等都做了一些很有意义的研究【1 3 1 。华中科技大学的陈乔夫等人提出了 基于基波磁通补偿的串联型有源电力滤波器，向串联变压器副边注入基波补偿 电流，使串联变压器对电网基波电流呈低阻抗，对谐波电流呈高阻抗，从而抑 制谐波【1 4 】。 目自订有源电力滤波器在我国的实际应用并不多，与国外相比仍有很大差距， 这与我国目前谐波污染日益严重的状况很不适应。相信随着我国电能质量治理 工作的深入开展和国内对谐波问题重视程度的提高，利用a p f 进行谐波治理将 会具有巨大的市场应用潜力，有源滤波技术必将在我国逐渐得到广泛的应用。 1 3 2 有源电力滤波器的发展趋势 从近年来的国内外研究和应用中可以看出有源电力滤波器( a p f ) 具有如下 的发展趋势【4 】【1 4 】【1 5 】。 ( 1 ) 通过采用p w m 调制和可提高开关器件等效开关频率的多重化技术， 实现对高次谐波的有效补偿。当有源电力滤波器的容量小于2 m v a 时，通常采 用i g b t 以及p w m 技术进行谐波补偿；当容量大于5 m v a 时，通常采用g t o 以及多重化技术进行谐波补偿。 ( 2 ) 当前大功率滤波装置从经济上考虑，可以采用a p f 与l c 无源滤波器 7 第1 章绪论 并联使用的混合型有源滤波系统，以减小a p f 的容量，达到降低成本、提高效 率的目的。从长远角度看，随着大量换流器用于变频调速系统，其价格必然下 降；同时，随着半导体器件制造水平的迅速发展，尤其是i g b t 的广泛应用， 混合型有源滤波系统低成本的优势将逐渐消失，而串一并联a p f 由于其功能强 大、性价比高，将是一种很有发展前途的有源滤波装置。目前一个应用的新趋 势是在供电系统的供电侧安装称为“统一电能质量调节器”的有源电力滤波器， 这是种综合解决电力系统谐波问题的方法。 ( 3 ) 可通过单节点单装置的装设，达到多节点谐波电压综合治理，有源线 路调节器( a c t i v ep o w e rl i n ec o n d i t i o n e r ，缩写为a p l c ) t 1 6 j 的出现，表明电力系统 谐波治理正朝着动态、智能、经济效益好的方向发展。这种a p l c 其结构与a p f 相似，因此过去很多文献上都将a p l c 等同于a p f 。其实，从原理上看，与a p f 的单节点谐波抑制相比较，a p l c 是向网络中某个( 或几个) 优选节点注入消 谐补偿电流，通过补偿电流在网络中一定范围内流动，实现该范围内所有节点 谐波电压的综合抑制。由于a p l c 代表的是谐波治理的一种更高层次，不应将 两者等同。目前，国外a p l c 的应用还处在研究和试验阶段，实时确定补偿电 流、优选补偿节点、在线测量谐波等技术难点限制了a p l c 的应用。 ( 4 ) 在装置技术上主要需要解决如下问题：提高补偿容量，降低成本和损 耗，进一步改善补偿性能，多功能化，有源装置小型化等。在有源电力滤波器 的应用方面主要应解决：最优配置，针对不同谐波源的相应对策，有源电力滤 波器的相互干扰，有源电力滤波器对电网上已装设的l c 滤波器的影响，有源 和无源滤波器结合方式的研究。 1 4 本文所做的主要工作 本文对三相并联型有源滤波器的工作原理、数学模型等进行了较为详细的 探讨，并利用仿真手段验证了针对典型谐波源三相整流桥的有源滤波器的 有效性。 所做的主要工作有： ( 1 ) 阐述了有源电力滤波器的特点以及有源电力滤波器拓扑结构分类，并 且分别介绍了各类有源电力滤波器的特点，重点介绍并联型有源滤波器的工作 原理及其数学模型。 8 第1 章绪论 ( 2 ) 谐波和无功电流检测是决定有源电力滤波器补偿性能好坏的关键因 素，基于瞬时无功功率理论的谐波无功电流检测法是最常用的检测法之一。对 于基于该理论的两种谐波和无功电流检测方法叫q 法和i p i q 法，分别分析 了它们的检测原理、特点。对于其它一些谐波检测方法也作了简要阐述。 ( 3 ) 补偿电流的控制方法是实现有源电力滤波器功能的核心环节，它负责 控制有源电力滤波器产生预期的补偿电流，这是本文重点研究的部分。本文分 析并联型有源电力滤波器几种常用的控制策略以及并联型有源滤波器主电路直 流侧和交流侧能量交换，从滤波器补偿的效果角度确定了直流侧电压的控制方 式。 ( 4 ) 设计了基于数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心的有源滤波器硬 件电路和相应的软件。 ( 5 ) 最后为验证各种检测和控制方法的正确性和性能优劣，论文对构成有 源电力滤波器系统的三部分( 典型非线性负载、谐波与无功电流检测、补偿电流 控制) 和整个- - 市1 并联电压型有源电力滤波器系统进行仿真研究，根据仿真结果 比较各种检测和控制方法的性能，并加深对这些检测和控制方法及有源电力滤 波器工作原理的认识和理解。 1 5 本章小结 本章介绍了课题研究的背景、意义、有源滤波技术、有源滤波器( a p f ) 在国 内外发展现状和本文所做的主要工作。 9 第2 章有源电力滤波器的结构及工作原理 第2 章有源电力滤波器的结构及工作原理 有源电力滤波器是一种动态抑制谐波、补偿无功和负序的新型电力电子装 置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，其应用可克服 l c 滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点。本章将从有源滤波器的特 点出发详细介绍有源电力滤波器的结构和补偿原理，最后导出其数学模型。 2 1 有源电力滤波器的特点 有源电力滤波器利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅 值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流 的目的【1 5 】【1 7 】。有源电力滤波器具有以下特点【4 j ： ( 1 ) 实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波、无功和负序进行补 偿； ( 2 ) 补偿无功功率时不需要贮能元件；补偿谐波时所需贮能元件容量也不 大； ( 3 ) 受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振； ( 4 ) 可对一个及多个谐波和无功源进行补偿； ( 5 ) 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； ( 6 ) 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； ( 7 ) 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。 a c 负载 图2 1 有源电力滤波器原理图 1 0 第2 章有源电力滤波器的结构及下作原理 2 2 有源电力滤波器的分类 目前投入使用的a p f 种类繁多，其分类方法也多种多样。图2 2 从不同角 度对a p f 进行了分类。根据应用场合的不同，a p f 可分为有源直流滤波器和有 源交流滤波器两大类。前者主要用来消除高压直流系统中换流器直流测的谐波 电压；后者则应用于交流电力系统。根据逆变电路的储能元件不同，有源滤波 器可以分为电流源型和电压源型两种。电压源型滤波装置效率高、初期投资小、 可任意并联扩容，易于单机小型化，经济实用。目前实用装置9 0 以上为电压 源型，技术相对成熟、完善。电流源型滤波装置则相对结构简单、性能可靠， 但损耗较大。 从与电网的连接方式来看，有源滤波器可以分为并联型和串联型。并联型 的a p f 相当于一个受控电流源，可以消除负载引起的谐波电流，也可以补偿无 功和平衡三相电流。其适用于感性电流源型负载的谐波无功补偿i 优点是它只 流过补偿电流和小部分基波有功电流，另外并联型的a p f 可以多台并联使用以 提供大的电流。但由于a p f 是和被补偿的谐波负载并联在电网上的，须承受电 网的基波电压，这就使其容量很大，开关损耗也比较高。 串联型的a p f 通过变压器串联在电网和负载之间，相当于一个受控电压源。 其主要用于消除带电容二极管整流电路等电压源型谐波源负载对系统的影响， 以及系统侧电压谐波与电压波动对敏感负载的影响。串联型a p f 的主要优点是 能补偿电网谐波电压和三相不平衡电压，对电压敏感性负载尤为适用。但与并 联有源滤波器相比，主要缺点是流过很高的负载电流，使得变压器的体积变大， 损耗大；此外串联型a p f 投切、故障后的退出以及各种保护也较为复杂。目前， 应用装置中并联型占有大多数。虽然a p f 能实现大容量和低损耗以及多功能， 但由于受到开关器件的限制，容量的增大往往有限，而且造价随之增大。而无 源滤波器具有结构简单、造价低廉等特点，人们便提出各种a p f 和无源滤波器 相结合的混合型a p f 来减小a p f 的容量，提高装置的经济性。 第2 章有源电力滤波器的结构及工作原理 厂厂单独使用方式 ii与l c 滤波器混厂与l c 滤波器并联 有l 并联型一合使用方式t 辄滤波器串联 鋈j i厂l c $ t 黼 鹜l l ll c 并联谐振 波i 、l 乙升耳大晤撤 器 l广单独使用方式 l 串联剩 【l 与l c 滤波器混合使用方式 2 2 1 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：单独使用的并联型有源电力滤波器系 统构成的原理如图2 3 所示。图2 3 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2 3 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一阶高通滤波器( 或采用二阶高通 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， 该图和后面介绍的原理图均以单线图画出它们均可用于单相或三相系统。 图2 3 单独使用的并联型有源电力滤波器 1 2 f - - 3 第2 章有源电力滤波器的结构及工作原理 由于有源电力滤波器的主电路与负载并联接人电网，故称为并联型。又由 于补偿电流基本上由有源电力滤波器提供，为与其他方式相区别，称之为单独 使用的方式。 这是有源电力滤波器最基本的形式，也是目前应用最多的一种【1 8 】【1 9 1 。 这种方式可用于： ( 1 ) 只补偿谐波； ( 2 ) 只补偿无功功率，补偿的多少可以根据需要连续调节； ( 3 ) 补偿三相不对称电流； ( 4 ) 补偿供电点电压波动； ( 5 ) 以上任意项的组合。 在这种方式中，只要采用适巧的控制方法就可以达到多种补偿的目的它 可以实现的功能最为丰富灵活。 但是，由于交流电源的基波电压直接( 或经变压器) 施加到变流器上，且 补偿电流基本由变流器提供，故要求变流器具有较大的容量。这是这种方式的 主要缺点。 与l c 滤波器混合使用方式：这种方式正是为克服上一种方式要求容量较大 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种：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【2 0 1 。 图2 4 是有源电力滤波器与l c 滤波器并联方式的一种。有源电力滤波器与 l c 滤波器均与谐波源并联接入电网，两者共同承担补偿谐波的任务，l c 滤波 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 要求可以有所降低。这种方式中，出于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 1 3 第2 章有源电力滤波器的结构及工作原理 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一些【2 1 】【2 2 】。 p f 图2 4 并联型有源滤波器与l c 滤波器并联方式之一 图2 5 并联犁有源滤波器与l c 滤波器并联方式之二 图2 5 所示为有源电力滤波器与l c 滤波器并联的另一种方式。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 有效的控制，以抑制可能发生的谐振【2 3 】【2 4 1 。图2 6 所示为并联型有源电力滤波 器与l c 滤波器串联方式的原理图。该方式中，谐波和无功功率主要由l c 滤波 器补偿【2 5 】【2 6 1 ，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的影响、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交流电源的基波电压，因此装置容量小。由于有源电力滤 】4 第2 章有源电力滤波器的结构及一r 作原理 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【2 7 】【2 8 】。 厂= 竺兰 图2 6 并联型有源滤波器与l c 滤波器串联方式 目前已大量使用的l c 滤波器，均可采用图2 5 或图2 6 的方式进行改进和提高 性能。 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其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。 与旋转电机并用方式：该方式的原理如图2 7 所示。图中采用了与绕线转子 异步电功机构造相同的旋转电机，通过控制转子侧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。 旋 图2 7 与旋转电动机并用方式 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与l c 滤波器混合使用方式两 1 5 第2 章有源电力滤波器的结构及工作原理 种。 图2 8 是单独使用的串联型有源电力滤波器的原理图。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。 a c l 尘! i 号连三垂i 皇 图2 8 单独使用的串联型有源滤波器 在多数情况下，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f 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【2 9 1 。这种谐波源的一个典型例子是电容滤波型整流电路，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，使供电点电压波形成为正弦波。 串联型与并联型可以看作是对偶的关系。 与l c 器混合使用方式：图2 9 是这种方式的原理图。这种方式是在并联的 负载和l c 滤波器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。换言之，有源电力滤波器起到了谐波隔离器的作用。这样还可抑制电网阻 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。为简便起见，将这种方式称为串联混合型有源 电力滤波器。 1 6 第2 章有源电力滤波器的结构及t 作原理 i r y m 负载 己，- 蒂 十二i 一上 。 i专u 广再 t丫 图2 9 串联型有源滤波器与l c 滤波器混合使用方式 2 2 3 有源电力滤波器的主电路形式 有源电力滤波器在实际应用中往往要求容量较大，如采用单个p w m 变流 器不能达到容量要求时，通常采用多重化的主电路形式。下面介绍基本的、采 用单个p w m 变流器的主电路形式。 单个p w m 变流器的主电路形式：采用单个p w m 变流器的有源电力滤波 器的主电路，根据其直流侧贮能元件的不同，可分为电压型和电流型两种。图 2 1 0 和图2 1 1 分别示出了可应用于三相三线制系统的电压型和电流型两种主电 路，图中a 、b 、c 接至三相电源，i ，3 ，p 5 和2 ，4 ，6 为各组开关器件的代号。 图中所画的电力电子开关器件为i g b t ，实用中可在g t o 晶闸管、b j t 、i g b t 、 电力m o s f e t 等器件中选择。就其结构而言，两种电路与变频器、s v g 等的 主电路基本相同，只是因应用场合不同，要求不同，控制方法也不同。 图2 1 0 三相电压型p w m 变流器 1 7 第2 章有源电力滤波器的结构及工作原理 图2 1 l 三相电流型p w m 变流器 下面简要概括电压型和电流型两种主要电路的一些基本特点。 ( 1 ) 电压型p w m 变流器的直流侧接有大电容，在正常工作时，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，其电流基本保持不变，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。 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直通而发生短路故障。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 目前较少使用。不过，随着对超导贮能磁体研究的进展，一旦超导贮能磁体实 用化，必可取代大电感器，促使电流型p w m 变流器的应用增多。 除电压型和电流型外，有的学者提出采用直流侧混合型贮能方式，直流侧 采用一个电感和一个电容作为贮能元件，并用一个单相桥对其进行控制，贮能 作用主要由电容承担，但却实现了电流型p w m 变流器功能。这种方式可克服 目前采用电感作为贮能元件的电流型p w m 变流器的缺点，不失为一种比较巧 妙的思路。 1 8 第2 章有源电力滤波器的结构及工作原理 2 3 并联型有源电力滤波器的工作原理 图2 1 2 所示为最基本的有源电力滤波器系统构成的原理图。图中，a c 表示 交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由两 大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流