（电力系统及其自动化专业论文）大功率广义有源电力滤波器的研究.pdf

a b s t r a c t t h e r ew i l lh a v eh u g em a r k e tp o t e n t i a lt ou s eh i g h - c a p a c i t yg e n e r a l i z e da c t i v e p o w e rf i l t e rt or e d u c eh a r m o n i co ft h ep o w e rs y s t e ma n di m p r o v et h ep o w e rq u a l i t y i nc h i n a t h e r e f o r ei ti saw o r t h yo fr e s e a r c hh o wt oc o r r e c t l yc h o o s et h es i g n a l d e t e c t i o nm e t h o da n dt h ec o n t r o la l g o r i t h mo fah i g h c a p a c i t yg e n e r a l i z e da c t i v e p o w e rf i l t e r ( h g a p f ) t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e f i n i t i o na n dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fg e n e r a l i z e d a c t i v ep o w e rf i l t e r ( o a p f ) 。i td e s c r i b e st h em a i nc i r c u i ti m p l e m e n t a t i o no fg a p fi n d e t a i l t h em e t h o do fh a r m o n i c sd e t e c t i o nb a s e d o n m u l t i f r e q u e n c yr o t a t i n g c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o ni ss t u d i e d d e t e c t i n gt h e o r yo fav a r i e t yo fc o m m a n d s i g n a lo nm u l t i f r e q u e n c yr o t a t i n gc o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o ni sd e e p l yr e s e a r c h e d f o rg a p f s i m u l a t i o nr e s u l t sa l s ov a l i d a t e dt h ep r o b a b i l i t yo fa p p l y i n gt h i st h e o r yi n t h r e e p h a s ef o u r w i r es y s t e m i no r d e rt or e m e d yt h ed i s a d v a n t a g et h a t d o e sn o t a c c o m p l i s h t h e h i g h c o m p e n s a t i o np r e c i s i o na n dn o te a s y t or e a l i z ed i g i t a l ，t h ec o n t r o lm e t h o do f m u l t i f r e q u e n c yr o t a t i n gs p a c e v e c t o ri s a p p l i e d i nt h ec o n t r o l l e d p a r t o f c o m p e n s a t i o nc u r r e n t i nt h i sp a p e r ，t h e r e i sn o to n l yi n - d e p t ha n a l y s i st h a tt h e c o n t r o lm e t h o do fm u l t i f r e q u e n c yr o t a t i n gs p a c ev e c t o ra p p l i e di nb a s e do nt h e m i d p o i n to ft h ec a p a c i t o ri nt h r e e p h a s ef o u r - w i r es y s t e mb u ta l s op u tf o r w a r d a c h i e v et h ee x p e r i m e n t a ls t e p s t h ec o n t r o lm e t h o dc a nb ea c c o m p l i s h e dw i t h a l g o r i t h ma n dd o e sn o tr e q u i r et h eu s eo fs i m u l a t e c o n t r o lc i r c u i t s e c o n d l y , a s i m u l a t i o nm o d e lo fh g a p fw a sb u i l t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eh g a p f c a nw o r kw e l ls u p p r e s s i n gh a r m o n i ca n dc o m p e n s a t i n gt h en e u t r a lc u r r e n t t h e m e t h o dh a st h eh i g hc o m p e n s a t i o np r e c i s i o na n dr a p i dr e s p o n s es p e e d f i n a l l y ，t h ep a p e rd e s c r i b e st h ei m p l e m e n t a t i o nt e c h n o l o g yo ft h eh i g h 。p o w e r h y b r i dg a p f ，i n c l u d i n gm a i n c i r c u i ts u b s y s t e ma n dc o n t r o ls u b s y s t e mo fi t s c o m p o n e n t s ，p a r a m e t e rd e s i g na n dc o m p o n e n ts e l e c t i o n a l l o ft h e s ep r o v i d ea r e f e r e ，n e ef o rt h ee n t i r ed e v i c e t h es t u d i e si n t h i sp a p e rh a v es o m e h i g h p o w e rh y b r i dg e n e r a l i z e da c t i v ep o w e r k e yw o r d s ：g e n e r a l i z e d m u l t i f r e q u e n c y g u i d a n c eo nt h ee x p l o i t a t i o n o ft h e f i l t e re x p e r i m e n t a ls y s t e m a c t i v ep o w e rf i l t e r ； g e n e r a l i z e dh a r m o n i c ； ；c o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n ；v e c t o rc o n t r o l 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其它个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：泰意府 日期：驯。年艿月茸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并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。本人授权长沙理工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、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：暴寿高 日期：劫扣年方月芍日 翮繇弘彳 吼枷年f 月落日 第一章绪论 随着电力电子装置的广泛应用，电力系统中谐波污染的问题日益严重，对电 力系统的安全、稳定、经济运行构成潜在的威胁，另一方面供电方及其电力系统 设备、用户及其用电器对电能质量的要求越来越高，这些使得人们对谐波污染问 题越来越重视。因此对电力系统的谐波进行研究和综合治理是一个具有重要意义 的课题。 1 1 课题研究的背景和意义 国际电工( i e c ：i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 标准( i e c 5 5 5 2 ， 19 8 2 ) 定义谐波为：谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于l 的h 次分量( 见 i e v l 0 1 0 4 3 9 ) 。电气和电子工程师协会标准( i e e e 标准5 1 9 1 9 8 1 ) 定义谐波为： 谐波为一个周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。综合二者， 目前国际普遍定义谐波为：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波 频率的整数【1 4 1 。 电力系统谐波问题早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代就受到关注。1 9 4 5 年 j c r e a d 发表的t h ec a l c u l a t i o no fr e c t i f i e ra n dc o n v e r t e rp e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s 【s j ，是早期关于谐波研究的经典范文。5 0 年代和6 0 年代，一些 工业发达国家先后对谐波问题进行了大量研究，其中包括基本的理论，谐波源的 特性，谐波的危害，谐波的检测方法和仪器，谐波的抑制措施和标准等问题。7 0 年代以来，随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置的广泛应用，谐波 对电力设备、用户和通信线路的危害目趋严重，世界各国对谐波问题都给予了充 分的关注，从19 8 4 年开始，每两年召开一次的电力系统谐波国际会议( i c h p s ) ， 1 9 9 6 年第七届会议将其更名为电力谐波与电能质量学术会( i c h q p ) ，这些大大推 动了该领域的发展。 我国对谐波问题的研究起步于8 0 年代，1 9 8 0 年以来，我国的许多科研单位、 高等院校开始对谐波问题进行研究，并取得了一定的进展，l9 8 8 年吴竞昌等出 版的电力系统谐波，是我国早期认识和研究谐波问题较有影响的著作。到了 9 0 年代，我国对谐波问题的研究有了长足的发展，与国外研究水平的差距也在 不断减小，近些年来，国内期刊和有关会议上发表的谐波方面的论文也非常多， 谐波问题已成为国内研究的热点。 谐波问题的研究涉及电力系统、信号处理技术、电路理论、数学、计算机等 诸多学科，不仅能够促进谐波检测、控制新理论、新方法的发展，还能够扩展计 算机等各种先进技术的应用领域，能够促进多种学科的交融和发展，因此具有重 要的理论意义。另外，随着大功率快速自关断器件的不断发展，微机控制技术和 数字信号处理技术的不断进步，谐波抑制技术将得到极大的发展，对保证电网的 供电质量具有重要的意义。 1 2 谐波的危害及治理措施 1 2 1 谐波的危害 理想的公用电网所提供的电压应该具有单一固定的频率及规定的电压幅值。 谐波电流和谐波电压的出现，使用电设备所处的环境恶化，对周围的通讯系统和 公用电网以外的设备带来危害。谐波电流和谐波电压对电力系统和用户的影响及 危害，概括起来，大致有以下几个方面： ( 1 ) 增加了系统中元件的附加损耗，降低了发电、输电及用电设备的使用 效率；大量的3 次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生短路，引起火灾。 谐波对供电线路产生附加损耗。在电力系统中，因为趋肤效应，谐波频率增 加了导线的谐波电阻，增加线路损耗，并降低线路的传输能力和使用寿命，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。 ( 2 ) 谐波影响各种电器设备正常工作。 谐波对旋转电机和变压器的影响首先是引起附加损耗和过热。高频的谐波分 量将会增加变压器的铁芯损耗及铜损，容易引起变压器各部件的发热，并有可能 引起局部严重过热。谐波对旋转电机和变压器的影响其次是产生机械振动、噪声 和谐波过电压，缩短电机寿命，甚至损坏电机。 ( 3 ) 当谐波频率与输电系统固有的特征频率重合时，会放大谐波分量，增 加设备的附加损耗和发热，造成设备故障。电抗器和电容器是电力系统常用设备， 多个电抗器和电容器组成的系统具有多个固有的特征频率，谐波频率与输电系统 固有的特征频率重合时发生谐振会使谐波电流放大几倍甚至数十倍，对系统设备 构成很大的威胁。 ( 4 ) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，使电气测量仪表计量不正 确。高次谐波会使继电器误动作或拒动，使其失去选择性，可靠性降低，容易造 成系统事故，影响电力系统的安全运行。 ( 5 ) 谐波对临近的通讯系统造成干扰，降低通信质量。谐波干扰会引起通 讯系统的噪声，降低通话的清晰度，严重时会引起信号的丢失。 ( 6 ) 与弱交流系统连接时可能出现谐波不稳定性。 综上所述，电网谐波是在继电网电压波动、频率变动之后的第三大电网公害， 对电能质量已经不能仅用频率和电压这两个指标来评价，谐波已经成为电能质量 2 的另一个重要指标。因此，对谐波进行有效治理，将其限制在允许范围内，还电 网一个清洁的电气环境，已经迫在眉睫。我国治理谐波的水平还比较低，对电力 工作者来说，谐波治理问题的研究具有重大的理论和现实意义。 1 2 2 谐波的治理措施 目前治理谐波的措施主要有主动型和被动型两种途径。主动型是指从产生谐 波的谐波源设备本身出发，设计时就考虑减小谐波，增加谐波抑制环节，设计不 产生谐波或降低谐波源产生谐波的设备，以减少电网的谐波注入量：被动型则指 外加电力滤波器，对系统中的谐波进行有效滤波和补偿，比如在电力系统中加上 l c 滤波器，或在装置的电源侧加装有源滤波装置，阻碍谐波源产生的谐波注入 电网，或阻碍电力系统的谐波流入负载端。 随着整流器的普遍应用及其取代变压器成为电力系统中的主要谐波源，它已 成为目前谐波治理的重点。针对整流器在带负荷时的电流波形特点，可以采用多 相整流技术、脉宽调制p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 整流技术、功率因数校正 器( p o w e rf a e t o rc o r r e c t o r ，p f c ) 等技术来减少谐波。这些采用主动治理谐波源的 方式，可有效限制谐波的产生，但由于谐波源的多样性，要完全消除谐波是不可 能的，因此被动型谐波治理装置成为一个重要的研究方向。被动型谐波治理措施 主要有以下两种： 一种是使用无源滤波器( p a s s i v ef i l t e r ，p f ) ，其主要思想是根据l c 谐振原 理，为谐波分量提供一个低阻通路，同时提供一定的无功补偿。l c 无源滤波器 由于其构造简单，一次性投入低、运行费用低和维护方便等优点一直被广泛使用。 但它只能补偿固定频率的谐波，且补偿特性易受电网阻抗和运行状态的影响，容 易与系统发生谐振。 为解决传统无源滤波器的局限性，上世纪7 0 年代以来，人们开始致力于有 源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，a p f ) 的研究。与传统的无源滤波器相比，有 源电力滤波器( 简称a p f ) 的优点有i e 】： ( 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，且补偿无功功率时可做到连续调 节。 ( 3 ) 补偿无功功率时无需储能元件，补偿谐波时需要的储能元件容量也不 大。 ( 4 ) 不会发生过载，受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振。 ( 5 ) 能跟踪电网频率的变化，补偿性能不受电网频率变化的影响。 ( 6 ) 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。 有源电力滤波器由于它的诸多优点，自提出以来一直受到广泛的重视。但由 于功率器件容量的限制、经济因素的影响、可靠性问题的困扰等，它在谐波抑制 中没有起到应有的作用。因此，加强有源电力滤波器及其相关技术的研究，提高 滤波装置的性能，使其成为电力谐波治理的有力手段，还有许多问题有待进一步 研究。 1 3 有源电力滤波器的研究现状分析与发展展望 1 3 1 有源电力滤波器的研究现状分析 1 9 7 1 年，h s a s a k i 和t m a c h i d a 在发表的论文中，首次完整的描述了有源电 力滤波器的基本原理，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，仅在实验室中研究，在工业中未能得到应用。 19 7 6 年，l g y u g y i 等人提出了采用p w m 变流器构成的有源电力滤波器， 确立了有源电力滤波器( a p f ) 的概念和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 技术和大功率可关断器件的限制，对有源电力滤波器除了少数的实验室研究外， 几乎没有任何进展。 进入8 0 年代以来，随着大功率可关断器件如大功率晶体管( g t r ) 、大功率 门极可关断晶闸管( g t o ) 、静电感应晶体管( s i t ) 、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 等快 速器件的发展，以及p w m 控制技术的发展，对有源电力滤波器的研究逐渐活跃 起来，成为电力电子技术领域的研究热点之一。在这时期，日本学者赤木泰文等 人提出了“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 方法在有源电力滤波器中得到了成功的应用，极大地促进了有源电力滤波器的发 展。 近些年来，随着快速自换向器件的发展，有源电力滤波技术有了更快的发展。 在使用的元器件方面，起初是晶闸管，大功率双极型晶体管( b j t ) 和功率m o s 场效应晶体管，随后是静电感应晶体管( s i t ) 和可关断晶闸管( g t o ) 。随着绝缘栅 双极晶体管( i g b t ) 的成熟，有源电力滤波技术得到推广。同时，传感器的发展也 为有源电力滤波技术的发展做了重大贡献，价位适中、容量足够的霍尔传感器大 大改进了有源电力滤波器的性能。另外，微处理器，微控制器甚至数字信号处理 器( d s p ) 的使用，使有源电力滤波器使用复杂算法成为可能，也使得各种复杂的 控制算法，诸如p i 、变结构控制、模糊逻辑、神经网络、预测等控制算法能得 以实现，保证了有源电力滤波器的快速、实时的补偿性能。 目前世界上a p f 的主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电器公司、 4 德国西门子公司等。据统计，仅在日本，自19 81 年以来，己有5 0 0 多台a p f 投 入运行，其容量范围从5 0 k v a 到6 0 m v a 越来越大，功能从谐波抑制和功率因 数校正到抑制电压闪变和电压调节等越来越丰富。近年来随着电力电子技术的发 展，有源电力滤波器已经进入实用阶段，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质量。 国内有源滤波器装置的研制始于2 0 世纪8 0 年代，1 9 8 9 年华北电力科学研 究所研制出中国第一台有源滤波器。此外，西安交通大学、清华大学等高校也陆 续有产品通过试制。2 0 世纪9 0 年代末期，电力滤波器在我国开始实质性应用， 2 0 世纪初，电力滤波器开始逐渐普及。2 0 0 6 年，电力滤波器的发展开始加速， 无源滤波器，组合滤波器，有源滤波器都已经开始应用。但目前国内有源滤波器 的技术和产品还不是很完善，这与我国目前谐波污染日益严重的状况很不适应。 大功率广义有源电力滤波器在消除高次谐波、补偿无功功率和稳定系统电压 等方面有诸多优越性，是有源电力滤波器的一个发展方向，但它的复杂开关工作 模式和工作特性，给信号检测、输出控制和大容量带来难题，另外，大功率广义 有源电力滤波器研究在国内外还处于起步阶段，还有许多理论和技术问题有待解 决： ( 1 ) 容量和开关频率问题 由于目前技术水平的限制，开断频率越高，能够制造出的单个功率器件的容 量越小，制造难度越大，成本越高，而在实际的应用中有源电力滤波器的容量往 往要求较大，因此开发大功率、高开关频率的逆变装置是大功率有源电力滤波器 大规模应用的物质基础，而开发性能优异的大容量、高开关频率的元器件是有源 电力滤波器发展最可靠的物质保障。 ( 2 ) 信号检测的方法问题 电力系统的谐波由于受非线性、随机性和复杂性等因素影响，对信号进行准 确的检测并非易事，目前还没有发现完美的谐波检测方法，已有的各种检测方法 都具有其优点和不足。例如：傅立叶变换检测法 7 1 ，该方法能有效地检测出电力 系统的基波和谐波的有效值，但算法复杂，实时性较差；模拟式或数字式带通滤 波法【s l ，它能直接快速地检测出电力系统的基波和谐波的瞬时值，但需要使用多 种截止频率不同的带通滤波器，实现复杂，存在原理误差，检测精度低，模拟式 带通滤波器还容易受环境影响；神经网络法【9 l ，使用训练好的神经网络可以迅速 地检测出电力系统的基波和谐波的瞬时值，检测精度和实时性可以做到优于带通 滤波法，但如何训练出高效的神经网络，是一个复杂而困难的工作，需要大量的 有效训练样本以及高效的训练算法和合适的网络结构，在工程应用中尚不理想， 还需要继续研究完善；小波变换法c i o 和数字式带通滤波法一样能直接快速地检测 出电力系统的基波和谐波的瞬时值，但检测精度和实时性并不优于数字式带通滤 波法，其优越性体现在检测快速变化的平稳谐波方面；基于瞬时无功功率理论的 实时检测法，是近十几年发展起来的适用于三相三线制电力系统的谐波检测方 法，它采用坐标变换实现三相线路谐波电流的检测，线路实现简单、实时性强， 是目前最有效的谐波实时检测方法。但它仅能检测出电力系统总谐波，并且在电 网电压有畸变时，检测精度受到较大的影响。为了解决三相四线制电力系统谐波 实时检测的问题，近年在传统瞬时无功功率理论基础上发展出了广义瞬时无功功 率理论，但也只能检测电力系统总谐波，没有解决好电力系统特定谐波检测问题。 因此，有源电力滤波器的信号检测问题还没有得到很好的解决。 ( 3 ) 输出控制方法问题 有源电力滤波器控制的关键是变流器的脉冲宽度调制( p w m ) ，为了获得优越 的有源电力滤波器输出特性，科学工作者提出了许多控制方法，在公开文献中检 索到的控制方法有：三角波电流控制、滞环电流控制【坦】、空间矢量控制 13 1 、单周 控制】、无差拍控制【1 5 】、组合变流器相移s p w m 控制、滑模控制i t 6 、自适应控制 【 1 、无源性控制、神经网络控制【1 8 】、模糊控制和综合智能控制【1 9 】等。 三角波电流控制是一种传统的脉冲宽度调制方法，具有开关频率恒定、实现 电路简单、稳定性好等优点，但响应较慢、精度较低，在高频谐波跟踪控制中， 响应速度和控制精度成为难以克服的缺陷；滞环控制是一种简单的b a n g b a n g 控制，具有动态响应速度快、鲁棒性好等优点，但是存在谐波能量均匀分布在较 宽的频带范围内和开关频率不恒定的缺点；空间矢量控制、单周控制、无差拍控 制、无源性控制和组合变流器相移s p w m 控制具有较高的控制精度和响应速度快 等优点，但是存在复杂的运算过程，并且在逼近含有高谐波的非正弦波时，存在 精度不高的问题，没有取得工程应用性的研究成果；模糊控制能避开建立精确数 学模型与复杂系统的矛盾，但模糊知识库的建立，对建立者的理论知识水平、工 程经验丰富程度以及构建知识库的能力有很大依赖性，缺乏科学的、规范的知识 库构建方法；神经网络具有本质的非线性、并行处理能力、强鲁棒性以及自组织 自学习的能力，但存在复杂而繁重的训练过程以及检测精度对训练样本的严重依 赖性等问题。 总的来说，到目前为止，真正得到实际工程应用的主要是三角波电流控制和 滞环电流控制，其他方法尚处于理论研究之中。三角波电流控制、滞环电流控制 虽已有一定的应用，但在控制精度、灵活性、适时性方面还存在不足，而其他智 能控制方法虽然表现出许多优越的控制性能，但自身理论尚待完善。 ( 4 ) 建模理论和方法 准确、真实、高效的工作模型对有源电力滤波器的可靠使用至关重要。有源 电力滤波器动态建模比较复杂，有神经网络建模的报道，但总的来说尚不成熟， 需加强研究。 6 ( 5 ) 保护技术和可靠性评估 i g b t 等电力电子器件对保护要求非常高，大多数保护可以采用通用的保护 措施，但还需设置一些特殊的快速保护，这方面的研究并不多。 1 3 2 有源电力滤波器的发展趋势 随着我国对电能质量的重视，有源电力滤波器作为净化电网污染、改善供电 质量的一种有效装置，有着广阔的应用前景。综合现阶段国内外对a p f 的研究和 应用，可看出它的发展趋势如下： ( 1 ) 增大器件容量，提高开关频率，以实现电流的快速控制，提高补偿效 果。此外，应用多重化技术也能提高器件等效开关频率，实现对高次谐波的补偿。 ( 2 ) 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，将会逐步实现滤波器控制系统的 简化与数字化，进一步提高装置的可靠性。 ( 3 ) 随着检测算法的发展，a p f 将会实现多功能化，不仅可以补偿系统谐 波，还可以补偿无功功率，抑制电压闪变，稳定系统电压等。 ( 4 ) 提出新的检测方法和控制策略，完善现有的谐波检测理论体系并建立 新体系，进一步发展在线测量谐波电流的新技术和产品。 电力系统的谐波污染问题日益严重使得a p f 的需求不断增加，随着我国对 a p f 研究的不断深入和对电能质量治理的持续开展，利用a p f 改善电能质量会 有巨大的市场潜力，在补偿谐波、中线电流、不平衡电流和功率因数校正等方面， a p f 技术将得到更加广泛的应用。 1 4 本论文主要研究内容 本文研究的课题得到了湖南省研究生创新基金项目“三相大功率有源电力滤 波器信号检测和输出控制方法研究”的大力支持。本课题是在掌握国内外有关最 新资料的基础上，结合有源电力滤波器的研究现状，对大功率广义有源电力滤波， 器的信号检测和控制方法进行了研究。主要研究内容如下： ( 1 ) 介绍了谐波的危害和治理措施，叙述了谐波治理的主要方法，综述了 有源电力滤波器的研究现状、不足和发展趋势，最后介绍了本课题的选题背景和 主要研究内容。 ( 2 ) 介绍广义谐波和广义有源电力滤波器的定义、基本原理及其分类，介 绍了广义有源电力滤波器大功率的四种实现策略和大功率混合型广义有源电力 滤波器的数学模型。 ( 3 ) 深入研究基于多倍频旋转坐标变换的实时谐波检测法，并应用 m a t l a b s i m u l i n k 和s i m p o w e r s y s t e m 仿真工具，对基于该方法的实时谐波检测法 7 进行了仿真研究，为谐波检测电路的设计提供了依据和参考。 ( 4 ) 补偿电流的控制方法是实现大功率广义有源电力滤波器功能的核心环 节，论文深入分析了多倍频旋转空间矢量控制方法，并设计了实现多倍频旋转空 间矢量控制方法的实验方案。以基于电容中点式三桥臂逆变器主电路的大功率混 合型广义有源电力滤波器拓扑结构为研究对象，并建立其仿真模型，仿真结果表 明文设计的大功率混合型广义有源电力滤波器对抑制电力系统的有害成分有很 好的补偿效果，使用多倍频旋转空间矢量控制方法能达到预期的补偿效果。 ( 5 ) 阐述大功率混合型广义有源电力滤波器的实现技术，详述其主电路子 系统和控制子系统的设计原理及其各子系统的元器件的选型，参数的设计过程， 开关器件的选择、电路参数设计等，并给出了具体的参数值，对大功率混合型广 义有源电力滤波器实验系统的开发具有一定的指导和参考价值。 第二章大功率广义有源电力滤波器原理及组成 电力电子器件随着容量的增大其所容许的开关频率越来越低，在将a p f 用于 大容量谐波补偿时就面临着器件开关频率与容量之间的矛盾。为了满足大功率广 义有源电力滤波器容量的要求，本章在介绍广义有源电力滤波器的定义及其工作 原理的基础上介绍了实现大功率广义有源电力滤波器的四种策略，然后介绍了它 的数学模型。 2 1 广义有源电力滤波器的基本概念 2 1 1 广义谐波 设电压甜( ，) 、电流f ( ，) 都是周期函数，其最高傅立叶谐波次数为刀，定义函数 空间 v = s p a n 1 ，s i a n c o t ，c o s o ) t ，s i n m o t ，c o s n o t ( 2 1 ) 可以证明，y 是一线性空间。设x v ，y v ，定义内积 ，y ) = 【x 胸 定义内积的线性空间矿可以称为欧氏空间( e u c l i ds p a c e ) 。显然 u ( t ) v ，砸) v 求欧氏空间y 的另外一组正交基崩，3 ：，卢。，1 3 2 。，卢：川即 v = 印口玎 卢l ，卢2 ，卢3 ，3 2 。，卢2 。+ lj ( 2 2 ) 要求p 。，卢：，卢。，卢：。，卢：槲满足两两正交且p 。= u ( t ) 。 根据线性空间理论，这一组正交基一定存在并可以由s c h m i d t 正交化方法求 出。f ( ，) 在基卢。，卢：，卢，卢：。，卢：州下的坐标k ，e ，e 川】可由下式求出： t ：f 。万i ( t ) _ f l k ( t ) d o t ( k ：1 2 ，2 n + 1 ) ( 2 3 ) 【卢；( t ) d o c ) t 设求出的正交基卢l ，卢2 ，卢3 ，卢2 。，卢2 川与1 ，s i a n c o t ，c o s 0 9 t ，s i n n c o t ，c o s n o g t 的关系 为 卢( 2 + 1 ) 1 。r ( 2 月+ 1 ) x ( 2 h + 1 ) a ( 2 肿1 ) l 式中p ( 2 州) x i 表示由卢l ，卢2 ，卢3 ，卢2 。，卢2 川组成的( 2 力+ 1 ) xl 阶矩阵；a ( 2 川) l 表示 有1 ，s i a n c o t ，c o s c o t ，s i n m o t ，c o s ，2 耐组成的( 2 n + 1 ) x l 阶矩阵；尺( 2 州) x ( 2 州) 表示鼠2 ) 。l 与 a ( 2 川1 x 1 之间的变换矩阵。设以) 在基1 ，s i a n c o t ，c o s a ) t ，s i n n c o t ，c o s n o g t 下的坐标为 【，。，j ：，j ：川】 ， 则 f ( f ) 在基 j e i 。，卢：，卢，卢：，卢：川 下的坐标 9 【，i ，匕 - - z 。，j ：，：川】砭+ ，啦。即 l s l n a 澎 s l n ，z 耐 c o s n o t = 【，。，：，：肿，】r 三+ ”m 川， u ( t ) 卢2 p 2 。 卢2 川 ( 2 4 ) 定义i ：ou ( t ) 为电流砸) 的广义基波分量，i i 卢：、i ；卢，、t 川卢：川为 电流f i t ) 的广义谐波分量。该广义谐波分量包括基波无功分量、负序分量和零序 分量等。 广义谐波的性质与物理意义有： ( 1 ) 广义谐波是对电流进行正交分解，其各次谐波是两两正交的，其基波分 量与电压有关。电压总是只含有广义基波。而不含有广义谐波； ( 2 ) 传统的谐波理论是对电流进行傅立叶分解，与电压无关。在电压畸变的 情况下，传统谐波理论对负载线性程度的反映很不直观。而广义谐波理论则可以 直观地提供负载的线性程度信息：只要是线性负载，其电流就只含有广义基波， 其线性度为1 ，非线性度为0 。只要负载上的电流能够线性地实时跟踪加在其上 的电压，这就是最理想的负载； ( 3 ) 瞬时有功电流与广义基波相等；瞬时无功电流与各广义谐波之和相等。 通过广义谐波的定义，可以将无功补偿等同于对广义谐波的补偿。 2 1 2 广义有源电力滤波器的定义 电力系统谐波抑制的策略主要有两种，一种是采用l ( 电抗器) 、c ( 电容器) 、 r ( 电阻) 组成的无源电力滤波器、无功补偿器，另一种是电力电子器件构成的有源 电力滤波器、无功补偿器。有源电力滤波器早在l9 6 7 年就被提了出来，主要用于 抑制高次谐波，2 0 世纪9 0 年代后开始在电力系统中得到实际应用。在此同时，国内 外有人提出并从理论上证明了有源电力滤波器可以进行谐波和无功综合补偿，出 现了广义有源电力滤波器雏形，但由于有源电力滤波器提供无功电流时带来不必 要的高频开关损耗，比任何一种实用化的无功补偿装置效率都低，而它的瞬时无 功功率测量系统和跟踪控制系统相对比较复杂，这是有源电力滤波器向广义有源 电力滤波器发展的主要障碍。因此研制一种可靠性好、测量和控制简单、实现容 易、开关损耗低、补偿功能多的有源电力滤波器具有重要的学术意义和实用价值。 19 9 0 年，加拿大c o n c o r d i a 大学的p d z i o g a s 提出三相固态功率因数补偿及谐 波抑制器，揭示了广义有源电力滤波器的诞生。1 9 9 2 年，华北电力学院提出将三 相固态功率因数补偿及谐波抑制器应用于电力系统的配电系统，用来抑制非线性 1 0 负荷的谐波，并推广用于不对称负荷补偿，由此提出新型的无功、谐波和负序综合 补偿装置。并把这种新型的无功、谐波和负序综合补偿装置命名为广义有源电力 滤波器( g a p f ) ，g a p f 概念正式形成。19 9 7 年，哈尔滨工业大学研制出10 0 k v a r 广 义有源电力滤波器实验样机，但是该g a p f 还限于三相三线制电力系统。此后将 g a p f 进一步推广到三相四线制电力系统，g a p f 的内涵扩展为综合补偿无功、负 序、零序、谐波与间谐波的电力装置，且它的容量不断增大。 2 2 广义有源电力滤波器的基本原理 广义有源电力滤波器接入系统的方式有串、并联两种，并联型因连接简单、 效率高、故障对系统影响小而得到广泛使用，它的工作过程是：首先检测电路根 据检测算法，检测出指令信号电流，控制电路根据给定的控制策略产生控制信号， 驱动电路根据控制信号依序驱动i g b t 的门极，使主电路输出需要的补偿电流， 从而补偿系统中的有害电流。 广义有源电力滤波器主要由主电路和控制系统两大部分组成，它的主电路一 般由变流器组成，根据变流器的直流侧采用不同的储能元件，其主电路结构可以 分为电压型和电流型两种；根据变流器的桥臂数量不同，可以分为三桥臂，四桥 臂或六桥臂电路。三桥臂电路和四桥臂电路区别在于后者增加了一个桥臂，适用 于三相四线制不平衡系统，同时避免交流系统与有源电力滤波器直流侧相连。当 然，三桥臂主电路也适合三相四线制系统，但需要从直流电容或电感的中点与交 流侧的中性线相连。 并联型广义有源电力滤波器的基本结构如图2 1 所示。它主要由补偿电流检 测电路、控制电路、驱动电路以及主电路组成。设非线性负荷产生的周期性非正 弦电流为t ( ，) ，将其分解为基频有功电流“( ，) 、基频无功电流l 。l q ( f ) 和谐波电流 i h ( t ) ： i l ( ，) = l i p ( ，) + 。( r ) + 厶( t ) ( 2 5 ) 由图2 1 可知： 图2 。l 广义有源电力滤波器工作原理 o ) = t ( d 一蕾( 砂( 2 6 ) 当需要补偿负载电流中的谐波电流时，只需广义有源电力滤波器产生的补偿 电流与负载电流的谐波分量i h ( f ) 大小相等、方向相反，如式( 2 7 ) 所示，代入式 ( 2 6 ) ，抵消谐波分量，则电源电流中只含基波分量，如式( 2 8 ) ，这样就达到了抑 制电源电流中谐波分量的目的。 t ( ，) = 厶( ，)( 2 7 ) i s ( t ) = i a t ) 一i a t ) = i , p o ) + 口o ) ( 2 8 ) 当要求补偿谐波的同时补偿负载的无功功率时，只需要在有源电力滤波器的 输出中增加基波无功分量i , q ( ，) 的反极性分量，如式( 2 9 ) ，电源电流只提供负载电 流的基波有功分量i l r ( f ) ，如式( 2 1o ) 。最终电源电压和电流同相位。 f c o ) = t p ) 一p ( d = f l g o ) + f o ) ( 2 9 ) 0 ( d = 口( f )( 2 1 0 ) 可见，广义有源电力滤波器的基本工作原理是根据补偿目的，检测出需要补 偿的信号作为参考量，控制电路据此产生一个与参考量大小相等，方向相反的信 号或无功量注入到系统中，使系统最终满足要求1 2 0 。 2 3 广义有源电力滤波器的分类 2 3 1 根据接入电网的方式分类 广义有源电力滤波器( g a p f ) 能对系统中实时的谐波和无功进行补偿，克服 了传统l c 滤波器的缺点，因此自其出现以来就引起人们的广泛关注。根据接入 电网的方式不同，可以分为两大类：并联型广义有源电力滤波器和串联型广义有 源电力滤波器。两者又分别包括不同的类型，如图2 2 所示。并联型广义有源电 力滤波器与负载并联接入电网，主要适用于电流型负载的谐波、无功和负序电流 图2 2 根据接入电网的方式分类 1 2 的补偿。串联型广义有源电力滤波器与负载串联接入电网，主要消除电压型谐波 源对系统的影响。 2 3 2 根据广义有源电力滤波器直流侧储能元件不同分类 根据主电路储能元件的不同，广义有源电力滤波器可分为电压型和电流型两 种。电压型广义有源电力滤波器的主电路直流侧接有大电容，在正常工作时，其 电压基本保持不变；电流型广义有源电力滤波器的主电路直流侧接有大电感，在 正常工作时，其电流基本保持不变。与电压型g a p f 相比，电流型g a p f 的优点 是，不会由于主电路开关器件的直通而发生断路故障，但是，电流型g a p f 的直 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。电压型和电流型两种g a p f 将在后面详细介绍。 2 3 3 根据补偿系统的相数分类 根据补偿系统的相数来分类，广义有源电力滤波器可分为单相和三相两种， 三相系统又分为三相三线制和三相四线制。 单相有源滤波器一般应用在小功率场合，例如商业写字楼或是教学楼以及小 型工厂。在这些场合中电流谐波可以在公共耦合点补偿，单相有源滤波器的主要 优点在于处理小功率负荷，因此逆变器的开关频率可以很高，从而提高整个装置 补偿谐波的性能。 2 4 广义有源电力滤波器大功率实现策略 对于大容量( 5 m v a 以上) 的广义有源电力滤波器，一般是选用晶闸管或g t o 作为主电路器件，但g t o 工作频率较低，对高次谐波的补偿效果较差，虽然i g b t 具有容量不断增大、输入输出波形好、响应特性快等优点，但其容量终究满足不 了大容量的需要，且目前电力半导体器件尤其是全控型器件的容量有限，容量越 大的器件工作频率越低，因而单个器件的容量不易满足广义有源电力滤波器大容 量的需要。解决这个问题的一种办法是将器件级联，第二种办法是将器件并联， 第三种办法是采用混合型滤波器。将器件级联和并联可以采用简单的级联和并联 或采用多重化的主电路形式。采用多重化主电路，最根本的一点是容易实现大容 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，另一方面由于等效开关频率提高，可以降低单个器件的工作频率和开关损 耗。下面介绍几种广义有源电力滤波器大功率的实现策略。 2 4 1 基于栅极平衡电感的i g b t 级联 级联的办法是将主电路的变流器串联，即将i g b t 串联。i g b t 串联的最大 难题是不同器件开关时间的离散型，会造成各器件承受的电压不平衡，最终导致 器件承受的电压超出其可能承受的能力，使i g b t 击穿。 使用栅极平衡电感的串联方法很好的解决了这个问题。该方法的思想是，使 串联的器件开关时流经栅极的电流在时间上保持相同，从而达到电压平衡的目 的。如图2 3 所示为2 个i g b t 经栅极平衡电感串联结构图，图中栅极平衡电感 线圈的匝数比为1 ：1 ，其绕组分别串联在相邻两个i g b t 的栅极引线中，使得 相邻的i g b t 的栅极产生磁耦合。 输入信号 输入信号 图2 3 两个i g b t 串联时的电路结构 设k 、的输入信号“，1 、甜，：存在时间差，导通时 n 比”，：超前乙，关断时 甜，。比u 。：超前瓦矿。如果没有栅极平衡电感，则u 的栅极电流，刚和栅极输出电压 u 。相对