（电力电子与电力传动专业论文）混合式有源电力滤波器关键应用技术研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t 1 1 1 eh a r m o n i cp o l l u t i o na n dr e a c t i v ep o w e rg r o w t ha r eb e c o m i n ga l li n c r e a s i n g l ys e r i o u s p r o b l e mi n t h ep o w e rg r i db e g ? , a 1 培eo fw i d e s p r e a da p p l i c a t i o no fn o n - l i n e a rl o a d sa n dp o w e r e l e c t r o n i ce q u i p m e n t h o wt oe n h a n c et h ep o w e rq u a l i t yi sat a s kf o rp o w e rs u p p l i e ra n dp o w e r c l i e n t s o n eo ft h en c wm e t h o d st os o l v et h ep r o b l e mi st h eu s eo ft r a d i t i o n a ls h u n ta c t i v ep o w e r f i l t e r ( a p f ) ，w h o s ed i s a d v a n t a g e sa r ed e m a n d so fh i g i l e rv o l t a g el e v e l ，b e t t e ri m p l e m e n tq u a l i t y a n dt h el i m i t a t i o no fc o m p e n s a t i o nc a p a c i t y h y b r i da p ew h i c hm a k e so fa p fa n dp a s s i v ep o w e r f i l t e r ( p p f ) ，i sa b l et og i v eh i g h e rc o m p e n s a t i o nc a p a c i t ya n dl o w e rt h ed e m a n do fv o l t a g el e v e l f o ri m p l e m e n t , s ot h a ti tb e c o m e sah o ts p o ti nt h er e s e a r c ho f a p f t h es t u d i e so fh a r m o n i ca n dr e a c t i v ep o w e rc u r r e n td e t e c t i o na n dc o m p e n s a t i o nc u r r e n t c o n t r o la r ec r i t i c a lp a r t si na p fr e s e a r c h a f t e rt h ei n t r o d u c t i o no ff r y z e - b u c h h o l z - d p e n b r o c k ( f b d ) c u r r e n td e t e c t i o nm e t h o do nt h eb a s eo ff r y z ep o w e rt h e o r y , t h i sp a p e rc o n t r a s t i v e l y a n a l y z e st h ef b da n di p - i qm e t h o di ni n s t a n t a n e o u sp o w e rt h e o r yi no r d e rt og i v ean e wm e t h o d t oi m p r o v ef b d ，w h i c hd e c r e a s e st h em a t r i xt r a n s f o r ma n dr e d u c e st h ec a l c u l a t i o ni nd s p c o n t r o l l e r t h es v p w mc u r r e n tc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nh y s t e r e s i sl o o pc o m p a r i s o ni su s e df o r c o m p e n s a t i o nc u r r e n tc o n t r 0 1 1 1 h i ss t r a t e g yc a nq u i c k l yt r a c kt h er e f e r e n c ei n s t r u c t i o nc u r r e n ta n d i sa b l et oc o m p e n s a t et h r e ep h a s e sa n dn e u t r a lc u r r e n t i nt h ee n d ，s i m u l a t i o n so fc u r r e n td e t e c t i o n a n dc u r r e n tc o n t r o ls t r a t e g ya r eg i v e n t h ed e s i g n so ft h ep p fa n do v e r a l lo fh y b r i da p ew h o s em a i nc o n 仃o lu n i ti sc o m p o s e do f d s pa n df p g a , a r eg i v e ni nt h ep a p e r 而t hd e t a i l so f e a c hp a r to fh a r d w a r ec i r c u i t sa n ds o f t w a r e d e s i g n m a i np r o g r a ma n de a c hi n t e r r u p tp r o g r a ma r ei n t r o d u c e d 谢t hf l o wc h a r t s i na d d i t i o n , t h e p r o c e s so ff i x e dp o i n ta n df l o a tp o i n ti se x p r e s s e d a tl a s t , s e v e r a le x p e r i m e n t sr e s u l t ，谢t hs o m ea n a l y s i s ，a r cg i v e nt os h o wt h a tt h eh y b r i d a p fh a st h ea b i l i t yt oc o m p e n s a t eh a r m o n i cc u r r e n ta n dp a s s i v ep o w e ra tt h es a n l et i m e k e yw o r d s h y b r i da p f , f b dm e t h o d ，s v p w mc u r r e n tc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do nh y s t e r e s i s l o o pc o m p a r i s o n ，d s p ，f p g a ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n i l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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。 研究生签名：三兰啦日期：2 竺艺：生罗 东南大学学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括 刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名： 日期：型2 ：生7 第一章绪论 第一章绪1 论 随着社会经济的迅速发展，各种非线性的电力电子设备得到了广泛的应用，但由此引发了电网 中谐波电流的增加和无功功率的损耗，电能质量问题成为电网中突出的难题。除了满足日益增长的 电能需求外，如何提供优质的电能成为衡量电力发展水平的一个重要标志。随着二十世纪八十年代 以来各种对谐波和无功电流检测理论的日渐成熟以及新型大功率电力电子器件的成功应用，有源电 力滤波器( a p f ) 逐渐成为治理谐波污染和无功功率损耗的新的研究热点，获得飞速的发展。 1 1 谐波抑制和无功补偿装置目前的发展现状 自电网谐波问题提出以来，对谐波的治理得到了越来越高的重视。在我国于1 9 9 3 年颁布的 g b - t 1 4 5 1 9 1 9 9 3 标准中规定了规定低压( 3 8 0 v ) 电网谐波电压总畸变率( t h d u ) 为5 。国际电工委 员会( i e c ) 已于1 9 8 8 年开始对谐波限定提出了明确的要求。美国“i e e e 电子电气j ：稗师协会” 于1 9 9 2 年制定了谐波限定标准i e e e 1 0 0 0 。在i e e e s t d 5 1 9 1 9 9 2 标准中明确规定了计算机或类似设 备的谐波电压畸变因数( t h d ) 应在5 以下，而对于医院、飞机场等关键场所则要求t h d 应低于 3 。 目前我国大部分电力系统对谐波的治理还是采取并联无源l c 滤波器的方法即选定r ，l ，c 参数 使滤波网络在一定的谐波信号频率处产生谐振，此时对地阻抗最小，达到消除谐波的目的。但是无 源滤波器存在如下一些缺点幢1 ：( 1 ) 灵活性差，要针对每个谐波频率分别设计l c 滤波网络；( 2 ) 已 发生谐振使谐波放大损坏设备；( 3 ) 体积大，损耗大。 现代工业生产中广泛使用的变压器和异步电动机以及大型可控硅装置向供电系统提供了大量的 无功功率，使得电网中功率及电压损耗加大，电能质量恶化，电能成本增加。低功率因数使用电企 业遭受供电部门大量罚款，电压闪变缩短用电设备使用寿命并引起人的视觉疲劳。为了保障供电质 量，各企业纷纷采用了一些无功功率补偿技术p 刮。 ( 1 ) 无功补偿电容器是早期无功功率补偿的一种方法。它是将一定数量的电容器并联在电网中， 用于吸收电网中的感性功率。由于此方法简单、方便，在早期曾得到广泛的使用。但补偿容量有限 并有可能与系统发生谐振。 ( 2 ) 同步调相机，是一种传统的动态无功补偿装置。它是一台工作于空载状态下的同步电动机， 根据需要控制其励磁磁场使其向电力系统提供或吸收感性的无功功率。但同步调相机安装复杂，在 运行过程中噪音大，响应速度慢且损耗较大限制了其在无功补偿中的应用，并已逐步退出动态无功 补偿领域。 ( 3 ) 静止无功补偿器( s v c ) 目前已广泛应用于输电系统波阻抗补偿及长距离输电的分段补偿 中，负载补偿中也有使用。它是一种没有旋转部件，快速、平滑可控的动态无功功率补偿装置。它 将可控的电抗器和固定或分组投切的电力电容器并联使用。电容器可发出容性的无功功率，可控皑 抗器可吸收感性的无功功率。通过对电抗器进行调节，可以使整个装置平滑地从发出无功功率改变 到吸收无功功率，并且响应速度快。静止无功补偿器可分为可控硅控制电抗器型、自饱和电抗器型 和直流助磁饱和电抗器型等三种。其中可控饱和电抗器型又可分为同定连接电容器加可控硅控制电 抗器和可控硅开关操作的电容器加可控硅控制的电抗器两种。与电力电容器相比，它能双向连续、 平滑调节，与同步调相机相比，静j 七无功补偿器没有旋转部件，所以运行维护简单。同时静止无功 补偿器调节速度快，因此相对于无功补偿电容器和同步调相机有很大的优越性，在如今的电力系统 中得到较多的应用。据相关资料表明，目前为止全世界有4 0 0 多套总容量约为3 0 0 g v a r 的s v c 装置 东南大学硕士学位论文 在输配电系统运行，有5 0 0 多套总容量为约2 5 g v a r 的s v c 装置在工业部门运行。由于电容器和电 抗器以电磁型交流接触器作为投切开关在目前电网中仍大量使用，受电容器承受能力、放电时间以 及接触器操作频率等因素影响，实际运行中的s v c 存在着诸如：补偿精度差，跟随性不强：不能无 涌流投入电容器；损耗大，运行噪声大；自身有谐波等缺点。国内外目前对s v c 的研究仍在继续， 研究重点主要在控制策略上，寻找更先进的控制方法如人工智能，试图提高其性能，达到更好的补 偿效果。 ( 4 ) 静止无功发生器( s v g ) 是基于瞬时无功功率理论原理采用g t o 构成的换相交流器，可分 为电压型和电流型两种桥式电路。由于电压型控制方便，在实际应用中被大量采用。补偿器通过变 压器与交流系统相连，运用电压电源逆变技术提供超前或滞后的无功，进行无功功率补偿。逆变器 和变压器作为补偿器电路可看作是一个产生基波和谐波的交流电压源，控制补偿器基波电压的大小 和相位来改变基波无功电流的大小和相位。当逆变器基波电压低于交流侧电源电压时，逆变器就会 产生一个滞后的感性无功电流，当逆变器基波电压高于交流侧电源电压时，逆变器产生一个超前的 容性无功电流，因此可以与系统进行有功和无功的交换。当控制得当时还能对谐波电流进行补偿。 在稳态情况下，静止无功发生器的直流侧与交流侧之间没有有功功率交换，无功功率在三相之间流 动。相对于传统的无功补偿装置s v g 具有如下优点：可以双向调节，节省电容器和电抗器；优良的 静态特性；快速的响应特性；体积较小；一般采用多重逆变器方式，可有效减少谐波幅值。 ( 5 ) 统一潮流控制器( u p f c ) 是一个由晶闸管换流器产生的交流电压串入并叠加在输电线相电 压上，使其幅值和相角都可连续变化，从而实现有功功率和无功功率的准确调节，并提高输送能力 和阻尼系统振荡。i j l ，f c 由两个变流器组成，一个串联于电网一个并联于电网，它们公用同一个直 流单元，等效为一个理想交交变流器。无功可以朝任何方向流动，每个逆变器可以产生和吸收无功 功率。串联变流器通过串联变压器注入相角和幅值可控的电压，并联变流器通过公共直流部分提供 或者吸收串联变流器要求的无功功率。串联逆变器为统一潮流控制器的主要部分，注入电网幅值相 角可控的交流基波电压，通过变压器串联至电网。线路电流经过该串联电压源和电网交换有功和无 功功率。变压器交换的有功功率经逆变器转换为直流能量，在直流单元表现为正或负的有功需求。 逆变器还产生交换的无功功率。并联逆变器的功能是提供或吸收串联逆变器在公共直流单元要求的 有功功率。并联逆变器能在单位功率因数下工作或与电网进行可控无功交换，与串联逆变器的无功 交换独立，所以就没有连续的无功潮流通过统一潮流控制器。 目前在国内技术比较先进且占据一定市场份额的动态无功补偿装置是s v c 。中国目前有5 个 5 0 0 k v 变电站安装了s v c ，容量范围大约在1 5 0 - - 1 8 0 m v a r ，国内目前已能够生产配电网用的s 、，c ， 价格为约3 0 0 元l l ( v a r ，3 5 k v 以下的s v c 已经实现国产化，但3 5 k v 以上高电压等级、大容量s v c 仍然被a b b ，西门子等国外公司所垄断。鞍山红一变s v c 国产化工程( 3 5 l ( v ，1 0 0 m v a t ) 是国内第 一套应用于输电网络的国产化s v c 产品。由河南电力公司和清华大学联合研制的+ 2 0 m v a r 的s t a t c o m 于1 9 9 5 年并网运行，中国自此成为第四个拥有大容量s t a t c o m 的国家。2 0 0 2 年1 1 月国家电网公司 主持通过了“上海电网黄渡分区士5 0 m v a r d 的s t a t c o m 示范工程”。但目前s t a t c o m 在国内还未实 现产业化。 1 2 有源电力滤波器的发展现状和趋势 2 0 世纪7 0 年代初，日本学者最先提出有源电力滤波器的概念，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，研究直仅限于实验室。1 9 7 6 年美国西屋公司的l g y u g i 提出了应用大功率晶体管组成p w m 逆变器构成a p f 消除电网的谐波，正式确立了有源电力滤波器 的概念并提出了其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，但由于受制于当时功率半导体器件水平，全控型器件功率小，频率低，有源电力滤 波器直局限于实验研究。进入2 0 世纪8 0 年代，随着电力电子及控制技术的飞速发展，大功率可 2 第一章绪论 关断器件( g t r ，g t o ，i g b t 等) 的不断进步，p w m 调制技术，数字信号处理技术以及对非正弦 条件下无功功率理论的深入研究，特别是“瞬时无功功率理论”的提出极大地促进了有源电力滤波 器的发展，使有源电力滤波器真正进入到工业应用阶段。 1 9 8 2 年世界上第一台g t o 有源滤波装置在日本问世以来，日本已经有近2 0 0 台有源电力滤波 器投入运行。日本作为电力电子技术最发达的国家，有源电力滤波器的研究和应用走在了世界的前 列。继日本、美国、德国之后，我国也在有源电力滤波器的研究上投入了大量的人力物力，但总体 来说我国有源电力滤波技术的工业应用仍然处于试验和攻坚阶段。 1 2 1 有源电力滤波器的发展现状 目前研究的有源电力滤波器种类繁多，其分类方式也多种多样，如图1 - 1 。 图1 1 有源电力滤波器的分类 根据应用场合不同，a p f 可以分为有源直流滤波器和有源交流滤波器两类，前者主要运用于高 压直流系统中变流器直流侧的电压、电流谐波抑制，后者应用于交流电力系统中各电压等级的有源 滤波。目前研究主要集中于有源交流滤波器。按照变流器类型分有电压型( v s i ) 和电流型( c s i ) ， 主电路有两种类型的变流器，分别为电压型p w m 逆变电路和电流型p w m 逆变电路。按照相数分 有单相、三相三线和三相四线；按照拓扑结构可以分为串联型、并联型和串并联混合型。 串联型a p f 通过一个耦合变压器连接到电网中检测电源电压，产生与电源谐波电压大小相等， 相位相反的补偿电压，从而使负载端电压接近正弦波。串联型a p f 相当于受控电压源，以电压源的 方式补偿电网中的电压畸变，因此串联型a p f 适合补偿电压型谐波源。它的主要优点是：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。与并联型a p f 相比其缺点是负载电流 很高，是变压器的额定参数上升，损耗增加，因此目前单独使用串联型a p f 的并不多，大多将其作 为混合式有源电力滤波器的一部分进行研究。 并联型a p f 通过检测负载电流，产生与负载谐波源电流大小相等，相位相反的补偿电流注入电 网从而实现抵消负载谐波电流，使电源侧电流波形接近于正弦波。并联型a p f 相当于一个受控电流 源，它适用于感性电流源型负载的谐波和无功补偿。它的优点是只流过补偿电流和小部分基波电流， 但由于此时a p f 需承受电网基波电压，所以对元器件的电压等级要求较高。p w m 逆变器的容量与 其动态特性成反比例，很难使a p f 在拥有较大容量的同时还有较低的开关损耗和较好的动态特性。 近年来，由p f 和a p f 构成的混合滤波装置混合型有源电力滤波器( h y b r i d a c t i v ep 佣惯f i l t 日， h a p f ) 得到越来越广泛的关注。它把p f 容量大、结构简单的特点与a p f 补偿性能较好的有点相结 合，是目前谐波抑制和无功补偿综合装置发展的新热点。如图1 2 的四幅图所示，目前混合型a p f 3 东南大学硕士学位论文 主要的拓扑结构有四种：图1 2 ( a ) 串联的a p f + 并联的e f t 5 】；图1 2 ( b ) 并联的a p f + 并联的p f 6 ； 图1 2 ( c ) a p f 与p f 先串联再并联入电网1 7 1 ；图1 2 ( d ) 并联型a p f + 串联型a p p 引。 图卜2 ( a ) 所示的结构是1 9 8 8 年由e z p e n g 等人提出的。该方案结合了无源滤波器和有源滤 波器的特点，具有良好的滤波特性而且容量较小。结构简单、成本较低的无源滤波器滤除了大部分 的谐波，所以a p f 的容量可以做的很小而整个装置的容量可以做的很大。有源滤波器对谐波呈现高 阻抗，而对基波电流表现出低阻抗，因此有源电力滤波器相当于一个电源和负载之间的谐波隔离装 置，电网的谐波电压不会加在负载和p f 上，而负载和谐波电流也不会流入电网。图l - 2 ( b ) 的结 a p f ( a ) 串联的a p f + 并联的p f a p f ( b ) 并联的a p f + 并联的p f a c 一 = ! ：严 ( c ) a p f 与p f 先串联再并联入电网( d ) 并联型a p f + 串联型a p f 图1 2 混合型有源电力滤波器的结构 构为t a k e d am 等人于1 9 8 7 年提出，由于此架构中p f 承担了绝大部分的补偿谐波和无功的任务，所 以有源部分的谐波容量较小，但逆变器仍然直接承受了基波电压，所以功率开关器件的耐压等级并 没有降低，另外a p f 与p f 间还存在谐波通道。1 9 9 0 年由f u j i t ah 等人提出将a p f 与p f 相串联再 并联入电网的方案，如图1 2 ( c ) 。这种方式利用无源部分承受了大部分的基波电压，所以逆变器承 受的基波电压较小，适合于高电压系统。a p f 为电流控制电压源产生与电源电流中谐波分量成比例 的电压。1 9 9 4 年, d d , a g ih 提出如图1 - 2 ( d ) 的方案又称统一电能质量调节器( u p q c ) 。它实际上是 串联有源电力滤波器和并联有源电力滤波器的混合使用方式。系统中串联有源电力滤波器的主要功 能是对电力系统和负载之间的谐波起隔离作用，并在电压波动时进行电压调整，而并联有源电力滤 波器主要进行谐波和无功的补偿。但此种解决方案使用了两台a p f ，综合装置的成本高。 1 2 2 有源电力滤波器的发展趋势 作为改善电能质量的一项关键技术，有源电力滤波器在日本和欧美等发达国家已经得到高度重 视和广泛的应用。但实际应用中还有诸多问题有待进一步研究解决如提高装置的容量，解决控制系 统延时问题。降低设备损耗，提高补偿效果及性能，提高性价比等。目前对于有源电力滤波器研究 的热点和方向主要集中在如下几各方面。 1 ) 由于有源电力滤波器的价格远远高于无源电力滤波器，为降低补偿装置的成本最有效的办法 4 圈 一爿 一 写篙 第一章绪论 就是降低有源电力滤波器的容量。目前主要思路采用a p f 与l c 无源滤波器相结合的混合型有源电 力滤波器，无源滤波器滤除谐波源中的主要谐波电流，有源滤波器提高补偿效果，以减小有源滤波 器的容量，达到降低成本提高效率的目的。 2 ) 控制系统的简化和数字化。随着电力电子器件的发展、微机控制技术的完善、数字信号处理 器( d s p ) 运算速度的提高以及补偿控制策略的不断改进，用数字方法实现谐波和无功电流的计算能很 好地解决模拟控制系统元件老化和温漂问题，抗干扰能力也大大增强。借助d s p 强大的运算能力可 以实现更先进的控制理论，由于只需更改软件，系统变得更加简单。 3 ) 随着检测理论研究向智能化、多功能化的发展，有源电力滤波器可实现多功能化，不但能补 偿谐波电流，还能补偿无功电流，抑制闪变，稳定系统电压等。 1 3 论文的主要研究工作 1 ) 文章绪论中主要介绍了目前对谐波进行抑制和无功功率补偿所采用的装置和方法及其发展现 状，然后就目前在谐波抑制和无功补偿综合装置方面的研究热点，有源电力滤波器的发展和趋势进 行了阐述，介绍了几种拓扑结构的有源电力滤波器的特点。 2 ) 在简要介绍一些谐波检测方法之后，详细阐述了采用f b d 法进行谐波检测的理论原理，并 在此基础上提出了一种改进的f b d 法。它是将传统的f b d 法经过一次线性变换，减少了其间的矩 阵运算。该方法不受系统电压畸变的影响，可以明显减少原方法的计算量。同时分析介绍了将滞环 比较和空间电压矢量p w m 相结合的控制策略，论述了其原理及特点。 3 ) 给出混合式有源电力滤波器的主电路结构，并设计了基于d s p 2 8 1 2 和f p g a 的混合滤波装 置的核心控制电路，给出了系统的硬件和软件设计流程，并详细介绍了各部分的功能和工作原理。 4 ) 在建立完整的混合式有源电力滤波器的基础上，进行了实验验证。证实了检测算法和控制策 略的正确性和有效性。 5 第二章混合型有源电力滤波器中的电流检测及控制策略 第二章混合型有源电力滤波器中的电流检测及控制策略 谐波和无功电流的检测、补偿电流的控制策略以及逆变电路的结构是有源电力滤波器研究中三 个关键问题。对谐波和无功电流的检测方法的精确度直接影响剑有源电力滤波器的补偿性能，补偿 电流的控制策略也决定了逆变电路对参考指令电流执行的准确度即补偿电流跟踪参考指令电流的精 确程度。因此研究谐波和无功电流的检测、补偿电流的控制策略是研制有较好补偿特性混合型有源 电力滤波器的前提条件。 2 1 谐波及无功电流的检测方法 2 1 1 谐波及无功电流检测方法的现状 谐波检测并不需要检测出各次谐波分量，只需要检测出谐波电流总和或者是谐波与无功电流之 和即可。常见的检测方法有： ( 1 ) 模拟带通或带阻滤波器法。早期的谐波电流检测是采用模拟滤波器来实现的，即采用陷波 器将基波电流分量滤除，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电流。该方 法的特点是结构简单、输出阻抗低、品质冈数易丁控制。但该方法的缺点也很明显，如滤波器的中 心频率对元件参数很敏感，受外界影响大，难于获得理想的幅频和相频特性。电网频率发生波动时， 检测精度下降而且检测结果中含有较多基波分量，大大增加了有源电力滤波器的存量。另外其采用 的高阶滤波器会产生附加相移，造成输出信号畸变，影响补偿效果。所以目前该种方法已较少使用。 ( 2 ) 自适应检测方法p j 。该方法基于自适应滤波中自适应干扰抵消原理，从负载电流中消去基 波有功分量，从而得到所需补偿的电流值。该方法对电网电压畸变、频移及电网参数变化有较好的 自适应调节能力，但动态响应较慢。该方法也主要是针对畸变电流的检测。 ( 3 ) 基于神经网络的检测方法【l0 1 。此方法是随着神经网络在系统中的应用而发展起来的一种新 型智能控制检测方法。人工神经网络自学功能性强，把进行算法和反向传播用于神经网络的训练， 不但可以避免对于给定补偿电流的复杂计算，而且有广泛的适应性，可用于补偿单相、三相三线制 和三相四线制非线性负载系统。 ( 4 ) 基于傅里叶分析的滑窗迭代检测法i 】。对满足狄里赫利条件周期为t = 2 万缈的非正弦信 号j = 叫研) 分解为傅里叶级数后再对其进行离散化处理，令f = t ，得到 ， 舷f ) = a + 4c o s g 础f ) + 或s i n ( n o j k r ) = 0 1 ，2 n - i ) 以= l 式中 ( 2 1 ) l 厶= 专， 4 = 万2 刍n - i 面r ) c 。s ( 门面f ) g = 1 ，2 ，3 ) l 玩2 专委托f ) s i n ( ，z 刎f ) 6 东南大学硕七学位论文 合谐波和无功电流的快速检测。设n 咐为最新一个采样点的数据，用i = n 蝌替换i = o ，n 一心h l 替换n 一1 ，则式( 2 1 ) 可以修改为式( 2 2 ) 形式 这是一种滑窗迭代的思想，x ( it ) 表示i 个采样周期前的采样数据。如图2 1 所示为滑窗迭代算法。 滑动循环指针 + l i l 旧和值卜叫旧数据i + 一新数据l 刮新和值i t 采样数据 图2 1 滑面迭代算法 最新的实时采样数据参与负载电流检测分析，而抛弃较早的采样数据，加快了采样数据的更新速度， 提高了系统跟踪负载电流的能力。一个完整t 频周期n 个采样点的数据经过与之相对应的旋转因子 相乘后存储在一片连续的数据空间内。设定一个数据运算循环指针来定位当前采样数据的存储位置， 在完成n 点所有数据的更新后指针回到数据存储的首地址，开始新的一个周期的数据更新。式( 2 2 ) 的求和计算实际上就变为一个减法运算和一个加法运算，计算得到的新和值存储到原旧和值处，完 成迭代。计算在初始的一个工频周期完成全周期求和，之后的运算完全可以在一个采样周期中完成。 滑窗迭代算法的实现，谐波检测的计算量大大减少，提高了系统实时性。 ( 5 ) 基于瞬时无功功率理论的检测法【l 二。此方法是目前有源电力滤波器中应用最广泛的指令 电流检测方法。最早是由日本学者h a k a g i 于1 9 8 3 年提出的，初始仅适用于对称三相电路，后不断 改进产生p - q ，i p - i q ，如检测法等。p q 仅适用与对称且无电压畸变的电网：i p - i q 不受电网电压畸 变影响，而且还适用于不对称三相电网：姻法基于同步p a r k 变换，也适用于电压畸变、不对称电 网，并且简化了电压不畸变对称电网中的计算。瞬时无功功率检测法在检测无功电流时可以完全无 延时的得到检测结果，而在对谐波电流检测时会由于被检测电流中谐波成分和滤波器的不同产生一 定延时，但最多不超过一个电源周期。由此可见该方法实时性较好，而且理论较为成熟。 ( 6 ) 基于f r y z e 时域分析的有功分离法【1 5 1 。该方法基本原理是将负载电流分解为两个正交分量： 一个是与电压波形完全一致的分量，即有功电流：其余电流作为广义无功电流该检测方法的优点 是物理意义明确、不需要进行坐标变换，计算量小，能够动态跟踪负载的变化，并且应用范围广， 可用于单相系统和多相系统。但其定义中才用了平均功率必须对上一个周期的电流电压进行积分运 算，所以运算量大，检测有较长延时。 2 1 2f b d 谐波及无功电流检测法 f b d 法【1 6 1 ( f r y z e b u c h h o l z d p c n b r o c km e t h o d ) 是时域中另外一种无功检测方式。它基于f b d 功率理论，最早由德国学者s f r y z e 提出并经e b u c h h o l z 和m d p e n b r o c k 进一步研究完善。基于该 功率理论的检测方法不局限于三相系统并且不受到系统电压对称性的影响。在目前配电网中，电网 电压不对称及负载不平衡的情况经常存在。因此该方法对系统电压不对称情况下的无功电流的检测 7 亿 力 力 文 k 量 o s 力 订 蛩蛩 2一2一 以 以 第二章混合型有源电力滤波器中的电流检测及控制策略 有重要的理论价值和实际应用价值。 2 1 2 1f r y z e 时域分析的功率理论 2 0 世纪3 0 年代f r y z e 提出了基于时域的功率定义方法。它是将电压与电流分为有功分量部分 及无功分量部分。即：。 i = 屯+ i ( 2 3 ) 有功电流基于纯阻性负载，其与电压波形为线性关系相差一个系数g ，为负载的等值电导。 乞( f ) = g e “( f ) ( 2 4 ) 当电压“似相同时，有功电流和原负载电流产生相同的有功功率p p = 歹1r 甜o ) f o ) 出= 亍1r “( f ) f 。( f ) 出 ( 2 5 ) 将式( 2 4 ) 代入式( 2 5 ) 得： p = 了g er ”2 ( f w t = g , u 2 ( 2 6 ) 其中p 为平均功率，即有功功率。u 是电压“例的均方根值。 负载电流中除有功电流外的电流定义为广义无功电流f 。= i - i 。，它和有功电流的数积为 ( f 。( 叭( f ) ) = ；r 屯( f ) ( f ( f ) 一( f ) 渺= 吾r 乇( f ) f p 陟一 r 2 。渺，将( 2 4 ) 代入得： 也( f ) ( f ) ) = - i 1r q 川) 讹陟一亍1r 暖“2 0 渺= 钳；r 砸) 雄) 出一等r ”2 ( f ) 训= o 因此屯和厶是相互正交的。又由于电压和有功电流厶是线性关系，所以电压与无功电流厶也是正 交的。广义无功电流与传统定义上的无功电流产生机理虽然不同，但是其仍然具有普通无功电流 的特征，如占用电源和系统容量、增加线路损耗等。当电压波形为正弦波时，它与频域分解得到的 基波无功电流及畸变电流之和相等。由于有功电流和无功电流是正交的，所以有： ，2 = l l 1 1 2 - - i l i 。0 2 + 忆8 2 = j r ：+ j ：，等式两边乘以电压有效值的平方扩，可得功率平衡公式 s 2 = p 2 + q 2 ，其中无功功率为q = u 。这些功率的定义分别与频域分解得到的功率定义相对应， 如果要补偿无功使q 等于零，则需要抑制广义无功电流。非正弦周期电流就会变成和电压波形一 致的有功电流。 2 1 2 2f b l ) 法谐波及无功检测 f b d 法是将实际电路中每相负载等效为串联在各相的理想等值电导元件，电路中的功率全部消 耗在这个等效电导上。把一个实际电路等效为m 相系统，能量由源系统传递到负载系统中，其等效 电路如图2 2 所示。 8 东南大学硕士学位论文 s o u r c ep a r t l o a dp a r t 图2 2m 相等效电路 设系统电压参考欠量为材= 。，扰：，“。) ，电流欠量f = ( f i ，之，0 ) ，其元素分别为电压电流瞬 时值，则得： 瞬时功率：既o ) = = “。= p 。o ) ( 2 7 ) 瞬时总电压：恤l i = = i i 了= 锨帱加以，2 斧2 舞 功率电流：= q ( 0 u f b d 检测法原理如图2 3 所示： ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 图2 3f b d 检测法 在电流检测过程中通过锁相环( p l l ) 生成与三相电网电压同相位的参考电压替代实际的电压， 电流检测的结果没有用到电压幅值参数，检测结果不受电压畸变的影响。由于锁相环可能会失锁而 造成相位差，所以用过零检测电路替代锁相环电路实现对a 相电压过零点相位的检测等效电导将 系统电流分解成有功和无功两部分。经过低通滤波器后分别得到两者的直流电导分量g j 口、g 叮，从 9 第二章混合型有源电力滤波器中的电流检测及控制策略 而进一步可得到基波正序有功电流和无功电流， 电流减去基波正序电流分量既为包含谐波电流、 为： 讣 两者相加即得负载基波正序电流分量。用三相负载 基波负序、零序分量的补偿分量。设三相参考电压 ( 2 1 1 ) 用下标1 、2 、0 分别表示三相四线制不对称系统中正序、负序、零序电流，则三相电流可用如下公 式表示为正序电流、负序电流以及零序电流之和。i l 。和币l 。是正序电流的有效值和初始相角，1 2 。和 q 2 。负序电流的有效值和初始相角，1 0 n 和q o n 是零序电流的有效值和初始相角。 t = o o 阢。s i n ( 刀仞f + 死。) + 厶。s i n ( 刀缈f + 破。) + 厶。s i n ( n c o t + 口；o 。) 】 = 主k 。s i n ( 以仞f + 破。一1 2 0 。) + n = l 厶。s i n ( n o t + 织。+ 1 2 0 。) + 厶。s i n ( n o t + 孕1 0 。) 】 之= 艺k 。s i n ( 刀研+ 珐。+ 1 2 0 。) + 月= l ( 2 1 2 ) 【2 。s i n ( n o t + 口1 2 。- 1 2 0 。) + 厶。s i n ( n c o t + 窖i o 。) 】 g p2撵2喜【，-一cos(刀一1)研+死一)一厶一cos“刀+1)纠+欢n)】 。2 。3 ， l q = 阢。s i n ( ( n - 1 ) c o t + # l 。) + ，2 。s 砒( 行+ 1 ) 耐+ 丸。) 】 其经过低通滤波器后得到直流电导量： = i ，i l c o s # 1 1 ( 2 1 4 ) = ls i n c e , i “ 巾l l 为a 相电压与基波正序的夹角。三相基波正序有功电流为： 卧 此时再用三相负载电流i i 、i b 、i c 减去基波正序有功电流即得到三相参考指令电流i 血、i b h 、b 。 利用3 - 2 变换矩阵变换为a b 坐标下的i 州和i l i e f ，即： 厂f1 妊j _ 1 0 ( 2 1 6 ) o o彤坦他 以 - m 一 +血饼研 ，jj n n s s 1- 一q q rj、【 1j 、-、 o o o o ) 2 2 形l 1 一 + o o c c 。l q +o o ) 2 2 形1 1 一 + 渤砧砧 n n s s l g k k k 东南大学硕七学位论文 由此可见f b d 法能准确的检测出电网的谐波电流。 2 1 3 基于瞬时无理论的谐波检测方法 1 9 8 3 年日本学者赤木泰文首先提出三相瞬时无功理论，它是以定义有功功率p 和无功功率q 为 基础的，随后发展出了瞬时有功电流i p 和瞬时无功电流i q 为定义的新的基础理论体系，又称i p - i q 法。相对于前者p - q 法，虽然两种方法都基于瞬时无功理论，但是i p - i q 法是在p - q 法的基础上进行 改进，它并不需要检测三相电网电压，冈此它能在电网电压畸变时也能检测出电网电压谐波电流。 下面简单介绍i p - i q 法，其流程示意图如图2 4 所示。 l a l b i c 睁础小= 二黝酣腊2 础：蠢刊一 翟，二怒 阡i p cq 鞠 l a h i b h l o h s i n ( t o t 墨毪) ! 涮北卜7 ，一c o s c 纠，一c o s ( 研一詈万) 一c o s ( 研+ 詈万 | l 芝j 厶 i p ，i q 分别经过低通滤波器后，得到其直流分量f ，i q ，用i p 、i q 减去直流分量就得到谐波交流 分量i p h 、i q h 。再对i v h 、i q h 进行p - q 反变换和2 - 3 变换即得参考指令电流i a h ，i p h ，i o h 。 州雏 晓 ：= = 一嘲 ( 2 1 9 ) 此方法中需要用到与a 相同相位的电网电压岛同相位的正弦信号s i i l ( t ) 和余弦信号c o s ( t ) ， 它可以由一个锁相环( p l l ) 和一个正余弦发生电路产生。运算中并不需要用到三相电网电压的幅 值，而只用到a 相的相位，所以此方法适用于电网电压畸变的情况下。当需要同时检测无功电流时， 可以将图2 4 中i q 通道断开即可 第二章混合型有源电力滤波器中的电流检测及控制策略 2 1 4 对f b d 法的改进 由式( 2 1 3 ) 可得： g ，= 觜= 詈【s i n 研s i n ( c o t - 1 2 0 0 ) s t n c 研+ - 2 。，( 兰 关系，即： q = ；b s 纠c o s ( c o t - 1 2 0 。) c o s c 刎+ 2 。， 差 由此关系，对f b d 进行改进，得到新的改进的f b d 法，示意图如图2 5 所示。 图2 5 改进的f b d 法 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 算法的前半部分采用f 1 3 d 法，三相负载电流，如，与参考电压作用得到等效电导q 、q ， 经过线性变换转化为、。通过低通滤波器得到直流分量后再用、减去直流分量得到交流分 量、锄，最后经过p q 变换矩阵，坐标变换到a 、b 、0 下，得到参考指令电流f a 、锄、锄。 相比较而言，采用改进型的f b d 法减少了坐标变换引起矩阵运算，大大减少了计算量，降低了软件 开销，并保证了较好的实时性。 在瞬时无功功率理论p - q 法理论中，其思想是将三相电路中各相电压电流经过a b 变化后，在a - p 平面内分析电压矢量和电流矢量，认为电流矢量在电压矢量上的投影为瞬时有功电流，该两个矢量 的点积为瞬时有功功率。a p 变换过程如下所示： 卧，卧 由投影定理可得，瞬时有功电流为： 1 2 例比性线是们占倍 一2 3 一 的 白 是 q 倍 2 3j v 的 是 嘭 现发以可们我 )加2l 式和 、，72l 式 比 对 0 居岳 = 一 ，g q ，(l 1 。 g p：一r 1 ； l a h - l p 1 3 一野 c t l 砷 1 b v 、7 2 - r z 二一 i q 厂翮，、i q h 喔 一、2烈竺中 l c。 l o b - 一 kb0。l 如如如 东南大学硕士学位论文 味归老等“印o 卜苟