（电力电子与电力传动专业论文）并联混合型三相四线制有源电力滤波器的研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 本文在对三相四线制a p f 的拓扑结构、谐波检测算法国内外研究现状分析的基 础上，提出了混合型四相变流器主电路结构，并分析了其工作原理及特点。基于此 拓扑结构，分析了i p i q 谐波检测方法在三相四线制系统中的应用，在经过数字低通 滤波器l p f 来提取直流分量的传统方法的基础上，分析了i p i q 基于滑动窗的平均 值谐波检测改进算法，并分别在三相负载对称和不对称情况下对二者的检测精度和 动态响应进行了理论对比分析。在此基础上，提出了基波零序、各次谐波零序分量 及指定次谐波的检测方法，并通过m a t l a b 仿真验证了上述理论分析的正确性。 并通过并联二重化方式，实现了大功率谐波补偿要求。同时仿真分析表明其达到了 满意的滤波效果。 关键词：谐波抑制，三相四线制混合型有源电力滤波器，平均值，多重化 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h ed e v e l o p m e n to f t h em e t h o d so f h a r m o n i cd e t e c t i o na n dt h et o p o l o g yo f t h et h r e e - p h a s ef o u r - w i r ea c t i v ep o w e rf i l t e ra r o u n dt h ew o r l d8 r eg i v e n , b a s e do nw h i c h t h e t o p o l o g yo ft h eh y b r i df o u r - l e g c o n v e r t e ri s p u tf o r w a r d ，a n dt h ep r i n c i p l ea n di t s c h a r a c t e r i s t i ca r ea n a l y s e d t h e nw ea n a l y s et h ea p p l i c m i o no f t h ei p - i qh a r m o n i cd e t e c t i o ni n t h et h r e e - p h a s ef o u r - w i r es y s t e m b a s e do nt h et r a d i t i o n a lm e t h o do fa c q u i r i n gt h ed i r e c t c u r r e n tb yd i g i t a ll o wp a s sf i l t e r , m o d i f i e do n eo fc u r r e n ta v e r a g eh a r m o n i cd e t e c t i n g a p p r o a c hb a s e do ns l i pw i n d o wi sa n a l y s e d t h e i rd y n a m i cr e s p o n s ea n dd e t e c t i o np r e c i s i o n i nt h es y m m e t r i c a la n dd i s s y m m e t r i c a ls y s t e ma r ec o m p a r e d z e r o - o r d e ro ff u n d a m e n t a la n d h a r m o n i cc u r r e n t ，a n d s p e c i f i c a l l yh a r m o n i cd e t e c t i o nm e t h o di sp u tf o r w a r d ，a n dt h e c o r r e c t n e s so ft h em e t h o di sp r o v e dt h r o u g hm a t l a bs i m u l a t i o n a sf o rt h er e a l i z a t i o no f h i g h - p o w e rt h r e e - p h a s ef o u r - w i r eh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r , w ep r o d u c e dp a r a l l e lm u l t i p l e m o d e ，a n dt h ea n a l y s eo f s i m u l a t i o np r o v e dt h a tt h em o d ec a na r r i v ea ts a t i s l y i n ge f f e c t c u ij u n z e f e o w e re l e c t r o n i c sa n dm o t o rd r i v e s ) d i r e c t e db yp r o f x i a ox i a n g n i n g k e yw o r d s ：h a r m o n i cs u p p r e s s i o n ，t h r e e p h a s ef o u r - w i r eh y b r i da c t i v ep o w e r f i l t e bm e a n ，m u l t i p l e 声明 y8 6 7 7 3 7 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文并联混合型三相四线制有源电力滤波 器的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 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已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：在垫潭 日期：麴兰：! ! ：竺 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 谐波及中性线电流的产生及危害 1 1 1 谐波电流及中性线电流的产生 当前，电力系统的谐波源，就其非线性特性而言主要有三大类： ( 1 ) 铁磁饱和型：各种铁芯设备，如变压器、电抗器等，其铁磁饱和特性呈现 非线性。 ( 2 ) 电子开关型：主要为各种交直流换流装置、双向晶闸管可控开关设备以及 p w m 变频器等电力电子设备。 ( 3 ) 电弧型：交流电弧炉和交流电焊机等。 由于电力系统中，无论是在三相四线还是三相三线制系统中，上述非线性负荷 的使用是越来越多，因此便产生了大量的电力谐波注入到电网中，使得电能质量严 重下降。 三相四线制电力系统区别于三相三线制系统的根本点在于中性线的存在，中性 线中电流的产生可分为以下四种情况： ( 1 ) 在负载对称且电流波形无畸变的情况下，中性线电流为三个线电流向量之 和。因为相差1 2 0 电角度的正弦波组成的三相平衡线电流在任何瞬间之和均为零， 故此时的中性线电流为零。 ( 2 ) 当三相电流平衡但有谐波电流存在时，三相电路中对称的3 及3 的倍数次 谐波电流同相位，其向量和即在中性线中的电流为直接相加而不是抵消。 ( 3 ) 当电流波形无畸变，但单相负荷的不均匀分配等原因导致三相电流的不平 衡时，基波电流便可分解为正序、负序和零序，由于三相零序电流相位相同，中性 线中便会有基波零序电流流过，大小为各相零序电流之和。 ( 4 ) 当存在谐波电流且三相不平衡时。中性线中流过的电流最大。因为不对称 的基波及谐波电流均可分解为正、负、零序电流分量，此时的中性线电流不仅包含 基波电流的零序分量，也有不对称谐波电流的零序分量，其中谐波电流以3 次为主， 从而导致中性线电流的有效值有可能比相电流还大。 1 1 2 谐波及三相不平衡的危害 电网中电力系统谐波的大量出现，对公用电网是一种严重的污染，会导致用电 设备所处的电网环境恶化。 ( 1 ) 谐波使公用电网中的附加损耗增加，减低电力设施的效率。 ( 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作甚至直接损坏电气设备。如可以导致继 l 华北电力大学硕士学位论文 电保护和自动装置的误动作，使电气测量仪表计量不准确；引起电机的震动和损耗 加大；使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化以及大大缩短寿命；谐波还可以对通 讯系统产生较大的干扰甚至使其无法正常工作。 ( 3 ) 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振或串联谐振，从而使谐波放大，大 大增加上述( 1 ) 和( 2 ) 的危害，引起严重事故。 三相电压或电流不平衡同样会对电力系统和用户造成一系列的危害，主要有： ( 1 ) 引起旋转电机的附加发热和振动，危及安全运行和正常出力。 ( 2 ) 引起以负序分量为起动元件的多种保护发生误动作( 特别是当电网中同时 存在谐波时) ，对电网安全运行有严重威胁。 ( 3 ) 使半导体变流设备产生附加的谐波电流( 非特征谐波) ，而这种设备一般设计 上只允许2 的电压不平衡度。 ( 4 ) 变压器的三相负荷不平衡不仅使过负荷的一相线圈过热而缩短寿命，还会 由于磁路不平衡，大量漏磁通经箱壁、夹件等使其严重发热，造成附加损耗。 ( 5 ) 对于通信系统，会增大干扰，影响正常通信质量。 ( 6 ) 中性线零序电流的存在，容易造成中性线过载。 ( 7 ) 中性线谐波电流，会对负荷产生不利的影响，如：产生电磁干扰、影响供 电电压波形、增加配电变压器和铁心损耗、导致线圈过热、绝缘层破坏、降低功率 因数、降低变压器及一些电器设备的使用寿命等等。 ( 8 ) 另外，中性线电流还会造成中性点电压偏移，造成三相电压偏离正常值， 从而影响设备的正常工作。 1 2 课题研究的目的、意义 1 2 1 研究目的 紧跟国际前沿形势，在比较分析国内外电力系统谐波抑制的主要技术和现行各 种电力谐波治理技术的基础上，探索一种有效的适用于三相四线制系统的有源滤波 器拓扑结构及电力系统谐波测试分析机理与治理技术。 1 2 2 研究的意义 随着大量的负序、零序和谐波电流注入电网，对电力系统的安全可靠运行和用 电设备的正常稳定工作构成威胁，对谐波无功进行滤波和补偿己成为电力电子技 术、电力系统、电气自动化、理论电工等领域中的重要研究课题。使用无源滤波装 置来解决无功和谐波是一种解决方案，但存在许多缺点。如存在着与电网发生谐振 的可能性；并且对电网阻抗和频率变化十分敏感：体积大、损耗大等等。为此有源 电力滤波器应运而生。 2 华北电力大学硕士学位论文 有源电力滤波器( a p f ) 是一种动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能 对频率和大小都变化的谐波和无功进行补偿，可以弥补无源滤波器的缺点，获得比 无源滤波器更好的补偿特性。然而，大量关于a p f 的研究仅限于三相三线制电路， 国内也有几台三相三线制a p f 投入运行，而对于三相四线s t j a p f 的研究则甚少。 三相四线制供电方式在低压配电系统中是最主要的供电方式，并在工业现场和 民用建筑中得到广泛应用。随着电力电子设备的应用日益广泛，它们在电网中产生 大量的零序谐波电流。而三相三线审t a p f 结构本身并没有提供零序电流通道，即使 指令电流中含有零序电流分量，它也不能补偿零序电流。因此，必须提出一种新的 a p f 拓扑结构，它结构简单、便于控制且有最少的开关器件并能够完成所有畸变电 流的补偿工作。而且，还要提出一种新的适用于三相四线制系统和该拓扑结构的检 测算法和控制策略，使a p f 的补偿效果达到最好。 1 3 三相四线制a p f 国内外研究现状 按照a p f 接入电网的方式，可以将其分为并联型和串联型。鉴于并联型的优点 较为突出，以下仅对并联型结构进行分析。 1 3 1 常用的几种并联型三相四线制a p f 拓扑结构 国内外不少文献都介绍了三相四线制的拓扑结构，其中以三桥臂和四桥臂结构 为主。 ( 1 ) 四相变流器结构：在原三相三线a p f 的基础上，为了给补偿电流中的零序 分量提供通路，在系统主回路中增加了第四对桥臂【3 1 1 4 1 ，用以对中性线电流进行补 偿。此结构，分工明确，各相补偿电流的产生和中性线电流的补偿可看作是由各对 桥臂独立完成的，整个系统可看成是一个四相电流跟踪控制系统。 ( 2 ) 三相变流器结构：与四相变流器结构的最大区别就是中性线上的连接1 5 j ： 三相电源的中性线与直流侧母线中点相连，给中性线电流提供通道。由于中性线电 流的存在，三相补偿电流、乙、0 之和并不为零。根据k c l 定理，中性线电流必 通过电容器流向负荷中性线，它作用结果就是使一电容电压升高另一电容电压降低 6 1 。此时对直流侧电压的控制应满足两方面的要求：一是控制直流侧电压总的幅值， 使之为一恒僮，其值满足补偿电流跟随性能的需要。这与三相三线制的有源电力滤 波器直流侧电压控制的要求一样，控制方法也一样。第二个要求是要平衡两个电容 器上各自的电压，使圪，、t 2 基本保持一致，不能出现两个电容电压严重不平衡的现 象。因此，与四相变流器相比，三相变流器结构所需的电力电子器件数日少，但是 其控制相对较为复杂。 ( 3 ) 一种新型的四相变流器结构1 6 】：它是在三相变流器结构的基础上，为了有效 控制直流母线电压及实现各个桥臂单独控制而引入第4 个桥臂。前3 个桥臂用以补偿 3 华北电力大学硕士学位论文 三相相电流，第4 个桥臂通过电感与直流母线的中点相连，用以控制中性线电流。 该结构简化了三相变流器结构中的电容电压的均衡控制，并且可以使得每个桥臂实 现单独控制，注入电流的控制相对四相桥臂变流器而言要简单一些。 ( 4 ) 三个单相交流器主电路结构【_ 7 1 。a 、b 、c 各相的谐波电流分别检测、各自 补偿，相互独立，各自的直流侧电容电压也进行独立控制。这种结构所用的电力电 子器件较多，因而成本也较高。但控制相对简单。另外，也有人采用三相变流器共 用一组直流母线的结构【”。 ( 5 ) 文献【9 】给出了以三相三电平钳位式逆变器为主电路的三相四线制有源滤波 器的拓扑结构图。此结构中，每一个功率开关器件所承受的关断电压较小，仅为直 流侧电压的一半，故它比较适用于高电压、大容量功率应用场合。但是，三电平逆 变器所用的半导体开关器件较多，成本较高。 ( 6 ) 以上的几种结构是对中性线中的电流全部滤除进行设计的，但在中线电流 很大的场合，对有源滤波器的功率要求很大，因而成本也很高。由于一方面配电变 压器一般允许流过的中线电流可达到其额定电流的2 5 。因此在满足此条件的情况 下，有人提出只对中性线中的谐波电流进行单独补偿，而对中线中的基波零序不予 考虑。文献d o 介绍了一种利用变压器的拓扑结构，文献1 1 n 是利用无源滤波器和 有源滤波器串联的结构，但这些方法是为了解决中性线中谐波电流的存在对系统造 成的不良影响，并不能消除中性线中的基波成分，即不能解决不平衡电流对系统造 成的负面影响。 1 3 2 电力系统谐波电流测量的主要方法： 常见的谐波电流检测方法主要有： 1 3 2 1 模拟滤波器谐波检测法 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谐波分量。该方法的优点是电路结构简单，造价低。 但滤波器的中心频率对元件参数十分敏感，受外界环境影响较大，难以获得理想的 幅频和相频特性。并且这种方法无法实现基波有功电流和无功电流的分离“2 ”1 。 1 3 2 2 基于频域分析方法 基于频域的d f t 1 4 1 或f f t 方法可以计算每一个指定的谐波分量。因此，该算法 特别适用于需要补偿指定若干次谐波补偿场合i ”】。缺点是需要进行两次变换，实时 性稍差，但对于稳态和准稳态谐波，这也是一种可选的方法。 1 3 2 3 基于坐标变换的检测法 基于筇变换的检测法：p q 法、i , - i 。法以及基于p a r k 变换的检测法：i 。一i 。法 前者为基于瞬时无功功率理论的方法，在只检测无功电流时，可以几乎无延时 4 华北电力大学硕士学位论文 地得出检测结果。p q 法适用于电网电压对称且无畸变情况下谐波电流的检测； i p - i 。法与i d - i q 法在检测谐波电流时，不仅在电网电压畸变时适用，在电网电压 不对称时也同样有效，但此时所检测的基波有功和无功分量存在一定的误差【1 6 】。 这两种坐标变换方法中，因被检测对象中谐波的构成及采用滤波器的不同，会 有不同的延时，但延时最多不超过一个电源周期。具有较好的实时性，因此目前应 用较为广泛。对于它们如何应用于三相四线制系统中，目前则有不同的看法，本文 将在第三章进行详细分析讨论。 为了提高谐波检测的精度与动态响应，一些新的方法也不断地被提出，如：同 步检测法 1 7 】：自适应谐波检测法；基于神经网络检测法【1 9 】：基于小波分析的谐波 检测方法等【2 ”。各种方法各有特色，其研究也在不断深入。 1 3 3 电流跟踪控制方式 电流跟踪控制是a p f 技术中另一重要环节，它的作用是根据检测环节得到的补 偿指令信号，得出控制主电路中电力电子器件通断的p w m 信号，控制结果应保证 补偿电流能够快速、准确地跟踪其指令信号的变化。电流的跟踪能力不但与a p f 主 电路拓扑结构和参数设置有关，还依赖于a p f 所采取的控制方法。 目前适用于a p f 的控制方法主要有以下几种： 1 3 3 1 滞环比较方式 工作原理：把补偿电流的指令信号e 与实际的补偿电流进行比较，两者的偏 差作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生脉冲信号，该脉冲信号经驱动电路 来控制主电路中开关的通断，从而控制补偿电流t 的变化。其原理图见图卜1 。 滞环比较器 图卜1 滞环比较方式原理图图1 - 2 电流滞环跟踪 图卜2 给出了电流滞环跟踪过程。设定滞环比较器的环宽为2 h 其中h 为的最 大电流偏移e 与的差值。蛙达到h ，滞环比较器输出翻转，控制相应的电力电子 器件开通或关断，这样就迫使补偿电流不断跟踪给定电流的波形，仅在允许偏差范 围内稍有波动。电流偏差的允许范围可用式表示： l 之一l 之 ( 1 3 ) 滞环比较控制法的优点是硬件电路简单，响应快，属于实时控制法。因为不使 用载波，所以输出中不含特定频率谐波分量。若滞环的宽度固定，则电流跟随误差 是固定的，但是电力半导体器件的开关频率是变化的。针对这一缺点，一种解决的 s 华北电力大学硕士学位论文 方法是将滞环比较器的宽度h 设计成可随i c 的大小而自动调节的；另一种方法是采 用定时比较方式l z ”。 1 3 3 2 三角波比较方式 三角波调制法是最简单、常用的一种p w m 控制方法，如图1 - 3 所示。该方法 将调制后的实际补偿电流e 与电流指令信号的偏差缸经放大器k 放大后，与高频 三角载波进行实时比较，从而得到不同时刻逆变器的开关状态。采用三角波调制法 的优点是电力电子器件的开关频率是固定的，有利于简化器件的选择和器件保护的 设计，而且动态响应好，实现电路简单，对高开关频率的系统有较好的控制特性； 缺点是逆变器始终处于高频工作状态，输出波形中含有与三角载波同频率的高频畸 变分量，开关损耗较大，在大功率应用中受到限制。 立k 涔万卜蠢，厍一一 - tu 一下i p w m t 扮 t c 三角波载波 图卜3 三角波调制法原理图 由以上介绍可见，瞬时值比较方式和三角波比较方式备有优缺点，实际使用时 可根据系统要求选择。 1 4 三相四线制系统谐波治理概况 电力谐波的抑制措施大体上可分为三种：主动治理、被动治理( 提高系统或设 备的抗干扰能力) 和采取补偿与抵消措施( 分被动滤波和主动滤波) 。 1 4 1 主动治理 即从谐波源本身出发，对谐波源进行改造，或在装置的设计阶段就采取措施， 使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波，如： ( 1 ) 供用电设备在设计、制造和配置等方面采取相应减少谐波的措施。 ( 2 ) 通过增加整流器的脉动数或采用可控整流来限制电力谐波的主要来源一 整流器的谐波。 ( 3 ) 采用功率因数校正器。 1 4 2 被动治理 从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们抗谐波干扰能力。具体方式如下： ( 1 ) 改变变压器接线方式。如y n ( 中性点接地星形接法) 改为角形接法，可以 抑制零序性谐波分量。 ( 2 ) 在大量使用非线性电子设备的电气回路中，加大中性线的截面。 6 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 加装隔离变压器。 ( 4 ) 加装按谐波量标定的断路器和配电屏。 ( 5 ) 将敏感设备与其他设备分开。 1 4 3 被动滤波( 或称无源滤波器) 采用无源滤波器p f ( p a s s i v ef i l l e r ) 。在谐波源附近或公用电网节点装设单调谐 及高通滤波器，可以吸收谐波电流，同时还可以进行无功功率补偿，运行维护也简 单。 三相四线制系统与三相三线制系统的不同之处在于零线中的电流，而零线中的 谐波电流以3 次为主，如何同时消除相线和零线中的三次谐波电流也变得非常重要。 因此以下以3 次无源滤波器为例进行介绍。 采用无源滤波的方法减少3 次谐波，基本有两种滤波方法：并联滤波器和串联 滤波器【2 2 】。 1 4 3 1 并联型三次滤波器 一般并联滤波器有以下三种接线方式： ( a ) 星形中性点不接地( b ) 角型接线( c ) 星形，中性点接地 图1 - 4 并联滤波器接线方式 前两种方式，对于不对称的三次谐波，它可以滤除其正序和负序分量，但无法 滤除其中的零序分量，因为这两种接线方式均没有为相位相同的零序分量提供通 路。因此对于对称的三次谐波也没有效果。 第三种接线方式则将中性点引出并接至系统中性线，为零序分量提供了通路： 滤波器引出的中性线中的电流与负荷侧中性线中的电流在接入点相互抵消，从而使 得系统侧中性线中的三次谐波电流为最小。 1 4 3 2 串联型三次滤波器 在中性线内串接并联谐振回路，该回路对三次谐波电流形成高阻抗，阻断了三 次谐波电流，但它对基波电流的低阻抗又足以保证基波电流为主的不平衡电流能顺 利通过。 根据需要滤波器可以安装在系统中的不同位置： 7 华北电力大学硕士学位论文 a 一t n b 一 ： j c 二兰、j ( a ) 安装于变压器中性点( b ) 安装于配电回路 图1 - 5 串联型滤波器安装位置 串联滤波器能对相线及零线上的三次谐波进行过滤，可降低回路功率损耗，有 明显节能效果，能较大幅度减少磁场强度并有可能减少中性线的截面。 无源滤波器具有成本较低、结构简单、运行可靠、维护方便等优点，但也存在 一些局限性： ( 1 ) 只能抑制按设计要求规定的谐波成分，有时由于高次谐波的成分复杂，必 须同时加入多个滤波电路，这会使整个无源滤波装置的容量和体积增大，损耗增加。 同时考虑到成本问题，不可能仅靠增加无源滤波器数量的办法来提高滤波效果； ( 2 ) 谐波电流过大时可能造成无源滤波器的过载，损害设备； ( 3 ) 无源滤波器的滤波效果将随系统的运行情况而变化，特别是对电网阻抗和 频率的变化十分敏感，在这种情况下难以保证滤波效果； ( 4 ) 对特殊的谐波或系统阻抗和频率变化时，有可能因与电源阻抗在电源侧发 生并联谐振而产生“谐波电流放大”现象，从而使无源滤波装置无法正常工作，严 重时会损害无源滤波器； ( 5 ) 可能与电力系统发生串联谐振，造成电压波形畸变而产生附加的谐波电流 流进无源滤波器，影响滤波效果； ( 6 ) 对于并联型滤波器，由于三次谐波和基波频率较近，以及受系统阻抗影响 较大，故难以设计出高效的滤波器。 ( 7 ) 对于串联型滤波器，由于三次调谐点与基波相近，具有一定的基波阻抗， 当三相不平衡时，中性线流有一定的基波电流，因而在串联滤波器两端形成一个电 压，造成负荷侧中性点电位升高。 ( 8 ) 串联型滤波器在滤除负荷交流侧3 次谐波电流的同时，也改变了单相整流负 载的电压与电流，这样有可能影响负载的正常运行。 ( 9 ) 在中性线中串入滤波器，在一定程度上加大了中性线出现故障的概率，一 旦中性线开路，则会威胁到设备及人身安全。 鉴于以上局限性，提出采用有源滤波器来消除谐波电流和中线电流。 1 4 4 主动滤波( 或称有源滤波器) 有源滤波器的基本原理是从补偿对象中检测出有害电流( 包括谐波电流、基波 8 华北电力大学硕士学位论文 负序、零序电流) ，由补偿装置产生与该有害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正序分量。与此同时，有源滤波器通过检测实际中性线上 的电流，控制电流发生装置，产生一个相反的电流作用于中性线，两者相互抵消， 从而达到补偿中性线电流的目的。因而，三相四线制a p f 即可补偿谐波，也可对三 相不平衡进行补偿。理想条件下，补偿后的系统侧电流为对称正弦。 与无源滤波器相比，有源电力滤波器有如下优点： ( 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反应。 ( 2 ) 补偿无功功率时不需储能元件；补偿谐波时所需储能元件容量也不大。 ( 3 ) 受电网阻抗影响不大，在适当控制下，不容易和电网阻抗发生谐振，且可 以有效的抑制由于外电路谐振而发生的谐波放大。 ( 4 ) 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。 ( 5 ) 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。 ( 6 ) 占地小，功耗低。 ( 7 ) 在谐波问题严重，但功率因数较高的场合，适合采用a p f ，而不适用无源 滤波器，否则将引起无功过补，产生无功倒送的问题。 1 5 论文的主要工作 针对低压4 0 0 v 、三相四线制系统中的谐波及零线电流，并以滤除谐波及零线电 流使系统侧电流为对称正弦为目标，在本实验室成功研制出混合型三相三线制 h a p f 样机的基础上，对5 0 k v a 并联混合型三相四线制a p f 进行理论分析及仿真研 究。主要研究内容有： ( 1 ) 主电路结构的分析研究：在分析国内外学者提出的三相四线制a p f 拓扑结 构的基础上，提出混合型四相变流器结构，对其进行分析研究。并确定二重化结构， 以满足大功率谐波补偿要求。 ( 2 ) 分析混合型三相四线制a p f 无源部分的参数选择。 ( 3 ) 谐波电流检测方法的分析研究：论文从基于瞬时无功功率的方法入手展开 研究，研究出适用于三相四线制系统的检测算法。采用一种平均值谐波检测算法， 并与传统的利用数字滤波器实现谐波检测的方法进行分析比较。同时分析适用于三 相四线制系统的单次谐波检测及基波与谐波零序分量的检测方法。最后用仿真进行 验证。 ( 4 ) 控制方法的研究：对目前a p f 两种主要的控制方法进行研究，即电流滞环 控制比较法和三角波载波比较p w m 法。单模块的控制采用前者，而对于多重化的 控制，则采用移相s p w m 控制方式。 ( 5 ) 分析混合型a p f 中无源l c 部分承受基波电压的实现。并分析比较常规型 q 华北电力大学硕士学位论文 和混合型a p f 直流侧电压稳定控制环节在实现方式上的异同。 ( 6 ) 分别在三相负载对称和不对称的情况下，用m a t l a b 进行仿真，以验证所 采用的主电路结构、检测算法及控制方法的正确性。 1 0 华北电力犬学硕士学位论文 第二章主电路结构及其工作原理 2 1 本文所采用的混合型三相四线制a p f 拓扑结构 目前，国内外已提出了多种混合型有源电力补偿方案。其中，对于将有源补偿 环节与l c 电路串联后再与系统并联的混合型补偿方案，可通过对有源补偿输出电 流的控制，使补偿装置装设处公共连接点基波电压全部降落在l c 电路上，从而a p f 逆变器两端的基波电压为零，所承受的仅为谐波电压，逆变器容量可得到显著降低。 同时也补偿了一定的基波无功功率。由于中性线上的电压很低，因此对于第四个桥 臂，无需再用无源部分承担基波电压，可通过电感直接降落在变流器上。电感则起 到滤除开关纹波的作用。 该种方式的单相简化等值电路如图2 - 1 所示，其中l c 电路由无源元件组成， 图2 2 给出了l c 电路的几种主要形式，图( b ) 、( c ) 中的厶为a p f 逆变器输出电感。 图2 - 1a p f 与p f 串联补偿单相简化等值电路 ( a ) 串联l c( b ) 无源滤波器组( c ) c 型滤波器 图2 2 几种主要型式的l c 电路 由于串联l c 结构简单，成本较低，因此本文采用此单调谐无源滤波器结构。 图2 - 3 有源滤波器补偿系统一次电路图 l l 华北电力大学硕士学位论文 将负荷等值为电流源，混合型补偿中的逆变器部分( 不包括厶) 等值为电压源， 混合型有源电力补偿装置单相正、负序及零序等值电路如图2 4 所示。 其中互为系统阻抗，乙为逆变器与p c c 之间的阻抗( 包括无源滤波器阻抗与 逆变器的输出感抗) ，为负荷电流，v ，为滤波器装设处母线电压。为混合型补 偿中逆变器的输出电压。 ( a ) 单相正序、负序等值电路( b ) 单相零序等值电路 图2 4 等值电路图 此时的z 0 = j 3 n a j l , , 。 以正序电路为例进行分析： 设下标1 、h 分别代表基波与某次谐波分量，由图2 - 4 知： ，= t z ，一 = 一z 加 若母线电压的基波分量全部降落在z ，。上，则吃。= o ，由式( 2 1 ) 知： l 。：筝 ( 2 一i ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 欲使滤波器装设处的母线电压为理想的基波正弦，则= o ，由式( 2 - 2 ) 得到： = 一乙 ( 2 - 4 ) 若使该滤波器有效滤除谐波，则应有： = 厶 ( 2 - 5 ) 因此，逆交器上的电压： 逆变器输出电流： = 一，锄= - 孙锄 h ( 2 6 ) k2 t a l l + 乙锄 u 。，j 式( 2 6 ) 表明，逆变器上的电压与z ，两端的谐波电压大小相等，方向相反，仅为 谐波电压，具有较小的幅值。而逆变器容量由其承受电压与输出电流的乘积决定， 也具有较小值。可见与常规型相比，混合型a p f 的容量较小。 零序等值电路的分析与之类似，所不同的是，此时逆变器所承受的电压为无源 l c 两端的谐波电压( 不平衡时还包括基波负序和零序电压) 与中性线上l n 两端的 1 2 华北电力大学硕士学位论文 电压之和。详见第四章的分析。 2 2 有源滤波器主电路中无源滤波部分的主要参数选取 单调谐滤波器参数的选取恰当与否，将直接关系到系统的补偿特性。其参数的 选择要综合考虑以下几个因素： ( 1 ) 基波无功功率补偿容量； ( 2 ) 混合型有源补偿装置容量与补偿对象容量； ( 3 ) 补偿装置逆变器直流侧电容电压； ( 4 ) 补偿装置谐波补偿特性。 2 2 1 基波无功功率补偿容量 由于逆变器只承受谐波电压，基波电压降落在无源部分，因此混合型a p f 在补 偿谐波电流的同时，还补偿一定的无功功率，补偿量由负荷的无功功率所决定。 单调谐滤波器向系统提供的基波无功功率q l 与公共连接点基波电压k 、单调谐 滤波器电容值c 以及滤波器调谐次数h 之间的关系为： l 2 q l = k 2 r o c 菩_ ( 2 - 8 ) 门一l 在实际应用中，可考虑附近可能有其它无功功率补偿设备，以及样机容量的限 制，可只对部分无功进行补偿。 2 2 2 混合型有源滤波器容量计算 考虑到实际系统中既有单相设备也有三相设备，本文中采用的负荷为三个单相 不控整流和一个三相可控整流，其单相有功功率为4 0 k w ，无功功率为1 9 k v a r 。其 负荷电流的情况如表2 - 1 所示。 表2 - 1 负荷电流( 峰值a ) ，l厶l 1 1 厶厶，。厶，如k厶， 1 2 5 3 82 2 23 4 22 6 46 46 16 03 64 12 02 43 83 52 o 为： 仿真中对所有谐波进行补偿，因此流过单调谐滤波器中电容器的谐波电流如 i h 2 弦硝蚴a 仿真中有源滤波装置的设计容量为s = 5 0 k v a 。 则额定补偿电流为： 如= 厢= 两s = 罴娟舱 1 3 ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) 华北电力大学硕士学位论文 其中，i ，是流过电容器的基波电流，考虑到单调谐滤波器的基波容抗远大于基 波感抗，可得： 和b 一越 “k 葩( 2 - 1 1 ) 由上述三式可得1 * 5 6 6 a ，c 。8 2 0 i t f 。 2 2 3 逆变器直流侧电容电压 逆变器直流侧电容电压低是混合型补偿装置的重要特色，而无源滤波器上较小 的谐波电压是直流电压降低的关键。因此，无源滤波器参数的选择应考虑使其承受 的谐波电压较小。 仿真中的3 、5 、7 次谐波电流较大，由式( 2 6 ) 可知，逆变器承受的电压与无源 滤波器上承受的谐波电压幅值相等，因此3 、5 、7 次的谐波阻抗应较小，因此可将 调谐点调整到3 次至7 次之间。这样可以使逆变器承受较小的谐波电压。 2 2 4 电感值的选取 电压型有源电力滤波器的补偿电流是由变流器控制直流侧电容电压u d 。施加在 输出电感上产生的，因此输出电感值的大小直接决定了补偿电流的跟踪速度，从而 很大程度地影响滤波器的工作性能。如果输出电感值过大，滤波器输出电流的变化 速度将变缓，使滤波器的电流跟踪能力下降，而且电感值的增大也会造成设备成本 的增加；电感值过小，滤波器输出电流的变化速度过快，要跟踪参考电流，电力电 子器件的开关频率必然提高，损耗增大，如果补偿电流中的高频开关波纹电流幅值 增大，容易造成系统振荡冲击。 然而，关于电感值的选取，许多论文中采用的电感是以已知参数的形式给出的， 也有少数研究论文中给出了电感值的估算方法【2 3 2 9 】，但目前仍没有一个统一的计算 方法。本文电路中电感值的选取可以参考三相三线制a p f 电感值的估算方法，计算 出一个大致取值范围，但其最终的取值还要靠整个系统的仿真研究来确定。 综合以上几点，可从多个角度进行无源滤波器参数的初步确定。最终的参数还 应结合整个系统的仿真研究确定。经过大量的仿真，最终设定单调谐滤波器调谐在 5 9 次，电容值为8 2 0 t f ，电感值为0 3 5 m h 。 2 3 大容量滤波器主电路的设计【3 0 】 将有源电力滤波器用于抑制电力系统或大容量工业装置中的谐波是一个重要 的发展方向。由于有源电力滤波器具有良好的动态响应和补偿特性，尤其适用于对 大容量谐波源进行补偿，特别是一些负载变化剧烈、电网扰动比较大的场合。要对 大功率谐波源负载进行补偿时，相应的要求有源电力滤波器具有较大的容量。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 电力电子器件的容量和开关频率是相互矛盾的，容量越大开关频率越低。目前 大功率的全控型半导体器件开关频率都不能满足有源电力滤波器的要求，例如高电 压大功率的g t o i 作频率为l 2 k h z ，g t r 的工作频率最高才能达到5 k h z ，开关频率 低将直接影响滤波器的补偿效果。 为了解决大容量有源电力滤波器所用开关器件容量和开关速度的矛盾，有几种 方案可以选择：一是将容量小但开关速度快的器件串并联以达到容量和开关速度的 要求；二是多台小容量的有源电力滤波器并联使用；三是采用新的电路结构，如多 电平级联方式和多重化主电路实现大容量有源电力滤波器。 2 3 1 开关器件串并联方式 这种解决办法是在单个半导体器件的电压或电流允许值不能满足大容量电力 电子装置设计要求时采用的一种方案。其优点在于主电路的基本结构和系统的控制 方法都不变化，而设计关键是解决串并联半导体器件的均压均流问题。电路元件的 参数差异会造成电压电流不均匀，使某个开关器件过早损坏。因此设计中，电力电 子器件的参数裕度取值都比较大，使各个器件都不能充分使用，造成资源浪费，成 本提高。 2 3 2 采用多台小容量 p f 并联方式 在这种工作方式中，并联的a p f 的补偿工作都由其自身完成，每台设备都有自 己谐波电流检测电路和补偿电流控制电路。其优点是各a p f 具有其独立性，都能充 分发挥各自的能力对电网进行谐波补偿，当其中一台设备出现问题时不会影响到其 他滤波器的正常工作。不足之处在于检测控制电路数量过多，造成资源浪费，而且 各a p f 之间缺乏协调控制，输出功率差别比较大。 2 3 3 本文所采用的多重化主电路方式 本文采用多重化主电路结构，其最基本的一点就是容易实现大容量，此外，还 可以提高有源电力滤波器的等效开关频率，从而改善补偿电流的跟随性能。从另一 方面看，由于等效开关频率提高，可以降低单个器件的工作频率，而这既可以降低 对器件工作频率的要求，又可减小器件的开关损耗。 以二重化主电路为例： 两个结构、器件参数完全相同的变流器共同连接在一个负载之上。图2 5 中两个 变流器的输出电流跟踪同一个补偿指令信号，每个变流器使用自身不同的三角载波 调制p w m 驱动信号，这两个载波信号在相位上相差1 8 0 电角度( 即载波移相控制) ， 这样就可以在提高整个滤波器输出功率的同时，提高系统等效开关频率，进而提高 滤波器补偿效果。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 一2 d 一t 一t 5 6f 一1 1 6t 。 i 【 一1 k | l o a d 一1 f n i ；l 一1 ，* 。 i | i 一 c 。l n 卫。时。咕“寸。峙 。“一、丰一一【、士一k + f 一上旨。 一寺t 浔一心一寺- 一 j p 一一- 【| 二= = 泛一# ： 1h h， 。峙。时。峙。时 图2 - 5 二重化主电路结构图 2 4 二阶高通滤波器的设计 由功率器件动作而引起的离频分量，对系统的影响不能忽略，因而需要对其进 行滤波处理。这些高频分量一般为开关频率，幅值较小，比较容易用无源滤波器滤 除。在一些文献中，采用r c 高频吸收回路，虽然其成本低，电路结构简单，但有 过高的损耗。因此本文中采用在系统侧加装高通滤波器的方法。 高通滤波器也称减幅滤波器，可分为四种，即一阶、二阶、三阶和c 型高通滤 波器。 r rr 上 c i t 厂l j _ 1 一 ； ；百 vtf f甲 l。r 1 f c f c 2 c 2 l 一 ( a )( b )(c)(d) ( a ) 一阶减幅型滤波器；( b ) 二阶减幅型滤波器；( c ) 三阶减幅型滤波器；( d ) c 型滤波器： 图2 - 6 几种高通滤波器结构图 一般不使用一阶滤波器，因为它需要大电容器并且在基波频率下有过大的损 耗。 二阶类型的滤波器提供最好的滤波特性，但与三阶滤波器相比较，它具有较高 的基波损耗。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 三阶滤波器由于二阶的主要不同之处是，大大降低了基频损耗，因为电容器c 2 的存在，增加了基频阻抗。此外，与c 。相比较，c 2 的额定值是非常小的。 新引入的c 型高通滤波器的滤波特性介于二阶和三阶的特性之间。其主要优点 是大大降低了基频损耗，c 与l 在那个频率不是串联调谐的。 由于二阶高通滤波器有较好的滤波特性，而且其结构较为简单，成本与三阶及 c 型滤波器相比较低，与一阶相比有较低的损耗，因而，本文采用二阶高通滤波器。 高通滤波器的截止频率f o 一般由下式决定： 五2 蠢( 2 - 1 2 ) 上式是根据一阶高通滤波器( 即有c 、r 串联构成) 当f = 矗时容抗和电阻r 相等时得出的。将此用于二阶高通滤波器，物理意义仍基本适用，且对以后公式的 推导有方便之处。 工所对应的截止谐波次数为 = 鲁2 雨1 寺 ( 2 1 3 ) 为了确定和计算有关的参数方便起见，引入参数：m 2 荟暑 m 值的大小直接影响着滤波器调谐曲线的形状，其取值一般在2 0 5 之间。由 于高通滤波器的运行特性对频率失谐度不敏感，而且在相当宽的频带范围内，其阻 抗变化q t d , ，所以不存在选择最佳m 值的问题。下面来分析m 的取值对高通滤波 器的损耗的影喻。 高通滤波器的主要损耗由电阻产生。以下讨论中假定电容和电感为纯无功元 件，仅讨论电阻中损耗。 当h 次谐波电流i h 通过高通滤波器时，不难得到电阻中的电流i r h ： 铲南 ( 2 - 1 4 ) 2 丽 u 。1 4 其中h o 为截止频率f 0 所对应的截止谐波次数。 电阻中的功率损耗p r h 为： 2 聪= 焉赤( 2 - 1 5 ) 所以： 2 厶z ( 瑶堕+ ：m ：) 1 2 币1 ( 2 岣 由上式可见，m 值将影响损耗。m 值越小则损耗越小。但此时阻抗频率特性在 华北电力大学硕士学位论文 通频带内变换较大，从而影响对高次谐波滤波的效果。还可看出，对于一定i h 值， h o 取低了将使损耗大大增加。因此h o 值宜靠近要滤除的主要谐波次数。 从以上分析中并不能给出一个精确的参数，最终需要通过仿真来确定。本论文 中通过大量仿真，二阶高通滤波器参数最终选取如下： 上= 0 3 5 m h ，c = 2 0 0 t f ，r = l q 截止频次为： ， 11 2 i j o 。瓦蒜2 瓦聂两蒜丽丽。1 5 9 ； l 3 5 0 x 1 0 “ 7 竹2 r 2 c 。 2 5 小结 1 2x 2 0 0 x 1 0 6 = 1 7 5 提出了并联混合型三相四线制有源电力滤波器的拓扑结构，分析了