（电力系统及其自动化专业论文）有源电力滤波器中的谐波检测理论及方法研究.pdf

a b s t r a c t t h er e q u i r e m e n t sf o r p o w e rq u a l i t ya r em o r ea n dm o r eh i g hi nt h em o d e r n p r o d u c t i o na n dl i f e ，a n dw i t ht h ee l e c t r o n i cd e v i c e sw i d e l yu s e di nm o d e mp o w e r s y s t e m ，s oal a 唱en u m b e ro fh a m o n i cc u r r e n t si n f u s e di n t op o w e rs y s t e m t h i sp o w e r p o l l u t i o nh a v eah u g eo fh a mt ot h es a f eo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m sa n dp o w e r u s e r s t h e r e f l o r ea l lo fc o u n t r i e si nt h ew o r l dp a yt h es u 币c i e n tc o n c e mt ot h e h a m o n i cp r o b l e m m a n yc o u n t r i e sa n di n t e m a t i o n a la c a d e m i c o r g a n i z a t i o n sh a v e i n s t i t u t e dt h es t a n d a r d sa n dr e q u i r e m e n t so fp o w e rs y s t e mh a 脚o n i cw a v ea n dp o w e r e q u i p m e n th a 蛐o n i cw a v e i nr e c e n ty e a r s ，t h es t u d yo fh a 珊o n i cc o n t r o lh a v e 如n h e r d e v e l o p m e n t ，a l io ft h i sa t t r i b u t et ot h ep r o d u c eo fn e wt h e o r e t i c a lm e t h o d sa n dn e w m a t e r i a l sa n dt h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y h o w e v e r ，e a c h h a m o n i cm e t h o dh a sm o r eo ri e s sl i m i t a t i o n s b e c a u s eo fi t so w nu n i q u ea d v a n t a g e s o ft h ea c t i v ee l e c t r i cw a v ef i l t e r ，i t g e t st h eg r e a ta t t e n t i o nf r o mt h em a j o “t yo f s c h o l a r s t h et h e s i si n t r o d u c e st h er e l e v a n tc o n c e p t s ，m e c h a n i s mo fp r o d u c t i o na n d i n f l u e n c eo ft h ee l e c t r i ch a m o n i cw a v ea t f i r s t ，a n da l s oi n c l u d i n gt h ew a v ei n h a m o n yi n h i b i t sa n dt h er e s e a r c hc u r r e n ts i t u a t i o no ft h ea c t i v ee l e c t r i cw a v ef i l t e r m o r ed e t a i l e di ne x p o s i t i o no ft h ep r i n c i p l e so f t h ea p f ，t h ec o m p o n e n t s ，a n dt h e c l a s s i f i e dc o m p a r i s o no fp r o p e r t i e so fa p f e l a s e do na n a l y s i so ft h ei n s t a n t a n e o u s r e a c t i v ep o w e rt h e o r yo ft h eh a m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d ，a n da p p l y i n gt h e m a r l a bs i m u l a t i o ns o f t w a r ec o n s t r u c tt h ea r t i f i c i a lc i r c u i to fh a r i l l o n i cc u r r e n t d e t e c t i n ga n da l s os t u d yt h ee f f e c t su p o nl o w p a s sf i l t e rt oh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i n g t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er a n k ，c u t o f ff r e q u e n c ya n dt y p eo f o f l o w - p a s sf i l t e ra l l h a v es i g n i f i c a n te f f e c t st ot h ed y n a m i cr e s p o n s ep r o c e s so fh a r m o n i cd e t e c t i n gc i r c u i t a n dt h ea c c u r a c yo fm e a s u r e m e n t t h i sp a p e rb r i n gf 0 r w a r dan e wm e t h o do fh a m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nb a s e do n t h et h e o r yo fn e u r a ln e t w o r k ，i ti sb e t t e rt h a nt h ec o n v e n t i o n a li n s t a n t a n e o u sr e a c t i v e p o w e rb a s e do nt h et h e o r yo fh a 咖o n i c sd e t e c t i o nc i r c u i t si nt h eb o t ho fd e t e c t i o n a c c u r a c ya n dd y n a m i cr e s p o n s e a n dt h em e t h o dh a sb e e nv e r i l f i e dt h a ti ti se f f e c t i v e b yt h em a t l a bs o r w a r e f i n a l l y w ep u tf o r w a r dt h ef u t u r eo u t l o o kf o rf u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ： a c t i v ep o w e rn l t e r ；h a r m o n i cd e t e c t i o n ； l o w - p a s sf i i t e r ；n e u r a l n e t w o r k i i 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 其他个人或集体已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：卫挈j ；， 日期：冲厂月配日 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 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：互雄j日期：励产厂月乙乙日 翮虢嬲事日期节一螋 1 1 引言 第一章绪论 当今社会工业生产和日常生活都离不开电力供应，电能作为现代社会中不可 或缺的主要使用能源，其发展和应用的程度是一个国家能源发展水平的重要指标。 并且随着现代电力电子技术和信息工业产业的高速发展，电力用户对电能质量的 要求也越来越高。尤其是目前越来越多的电力电子仪器设备的使用对电力供应波 动很敏感，例如精密的计算机、电能测量仪表、通信装置、步进电机、自控设备等。 当电力电子设备没有普及使用的时候，电力系统的谐波问题还没有很明显危害。但 如今，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通 以及家庭中的应用同益广泛，谐波所造成的危害也同趋严重。在现代化的电力系 统中由于以晶闸管为主的电力电子元器件的广泛使用，产生了大量的单相或三相 的非线性负载，而由于这些非线性负载的影响使得电力系统中产生了谐波电流，使 得电网中的电流不再是标准的正弦波而是发生畸变，使得公用电网连接点( p c c ) 的电压波形产生严重畸变，并产生很强的电磁干扰。这样的电力污染对电力系统 的安全运行以及电力用户的电能使用产生极大的危害。因此，世界各国都对谐波问 题予以充分的关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，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。 电力系统谐波的研究和无功功率补偿涉及到电力电子技术、非线性系统理论、 控制理论、电力系统、电气自动化等学科领域。其中谐波的抑制和无功功率补偿 问题，是谐波治理研究的关键问题。近年来，由于新的理论方法的提出和新的材料 的出现以及电力电子技术的发展使得谐波补偿研究有了进一步的发展，特别是在 谐波有源补偿方面取得了实质性的进展。 谐波研究的意义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 来科学发展的重要支柱，然而电力电子设备所产生的谐波污染已成为阻碍电力电 子技术发展的最大障碍，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。谐波研究的意义，更可以上升到从治理环境污染、维护绿色环境 的角度来认识。对电力系统这个环境来说，无谐波就是绿色的主要标志之一。在 电力电子技术领域，要求实施绿色电力电子的呼声也同益高涨。目前，对电力系 统的谐波污染的治理也成为电工科学技术界必须解决的问题。对于电力系统谐波 的危害，当前已把这类问题与现代化工业发展所带来的环境污染相类比，有一个 专有的名字称为谐波污染。 1 2 谐波产生及危害 1 。2 1 谐波的含义 国际上公认的谐波1 含义为：谐波是一个周期电气量中频率为大于整数倍基 波频率的正弦波分量。由于谐波频率高于基波频率，有人把谐波也称为高次谐波。 实际上，谐波这一术语已经包含了频率高于基波频率的意思，因此再加上高次两字 是多余的。在国际电工标准( i e c 5 5 5 2 ，19 8 2 ) 、国际大电网会议( g i g r e ) 的文献中 定义：谐波分量为周期量的傅立叶级数中大于l 的h 次分量。i e e e 标准中定义为： 谐波为一周期波或量的j 下弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。 1 2 2 谐波的产生 谐波分析包括谐波源分析和电力系统谐波分析。在电力电子技术装置普及以 前，变压器是主要的谐波源。目前变压器已退居很次要的地位，各种电力电子设 备成为最主要的谐波源。电力系统的谐波分析是以电力系统为对象，当系统中由 一个或多个谐波源时，就要计算和分析系统中各处的谐波电压和谐波电流的根部 情况。当基波电压施加于非线性负载时，负载吸收的电流与施加的电压波形不同， 畸变电流就会影响电流回路中的配电设施。在实际存在系统电源阻抗时，畸变电流 将在阻抗上产生电压降，因而产生畸变电压，畸变电压将对所有的负荷产生影响。 电力系统中的主要谐波源可分为两大类： ( 1 ) 含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。如旋转电机、交流电焊机、同光灯、 变压器等。在电力电子装置大量应用之前，最主要的谐波源是电力变压器的励磁电 流，其次是发电机。变压器的谐波含量和铁心饱和程度直接相关，即和所加的电压 有关。旋转电机分为发电机和电动机，以发电机为例，发电机是公用电网的电源， 当发电机励磁绕组中通过直流电流，其磁极磁场的非正弦分布导致感应电势包含 一定的谐波。以上这些装置都会使得电力系统的电压、电流波形发生畸变，从而产 生高次谐波。 ( 2 ) 含有半导体非线性元件的电力电子装置谐波源，如各种整流设备、交流 调压装置、变流设备等。目前，常用的整流电路几乎都是采用品闸管相控整流电路 或二级管整流电路，其中以三相桥式和单相桥式整流电路为阻感负载的整流电路 所产生的谐波污染和功率因数滞后为人们所熟悉。直流侧采用电容滤波的二极管 整流电路也是严重的谐波污染源。除此之外，同益普及的电视机、个人电脑和各种 家用电器及办公设备中大都含有开关电源。因此谐波污染问题变的更加严重。 1 2 3 谐波的危害 理想的公用电网所提供的电压应该是单一且频率固定的以及规定的电压幅 值。谐波电流和谐波电压的出现，对电力系统的环境造成污染。谐波污染对电力设 2 备的危害非常严重。近三四十年，各种电力电子装置的迅速普及，使得公用电网的 谐波污染日趋严重，由谐波引发的事故也不断出现，谐波危害的严重性引起了人们 高度的关注。谐波对公用电网和其它系统的危害主要表现为： ( 1 ) 谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、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引发火灾。 ( 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波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，使电容器、电缆等 设备过热、绝缘老化、寿命缩短。 ( 3 ) 谐波可引起电力系统局部并联或串联谐振，使谐波含量放大几倍甚至数 十倍，造成过电流，引起电容器、与之相连的电抗器和电阻器的损坏。 ( 4 ) 电力系统中的谐波会改变保护继电器的性能，引起误动作和拒绝动作，甚 至造成跳闸事故，严重威胁电网的安全运行。 ( 5 ) 谐波通过电磁感应和传导耦合等方式会对邻近的通信系统产生干扰。谐 波干扰会引起通信系统的噪声，降低通话质量，严重时会引起信号的丢失。 ( 6 ) 因目前很多电能测量仪表是电动式电度表，它是按工频正弦设计的，当 有谐波时将会产生仪表测量误差。 谐波带来的危害越来越被人们所重视，对电网谐波进行抑制既是依法用电的 强制要求，也是电网安全经济运行的客观需要。 1 3 谐波研究的发展及现状 有源谐波的数学分析在l8 世纪和1 9 世纪就已奠定良好的基础，傅立叶等人提 出的谐波分析方法至今仍被广泛地应用着。电力系统的谐波问题早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造 成了电压、电流波形的畸变。1 9 4 5 年j c r e d a 发表的有关变流器谐波的论文是早 期有关谐波研究的经典论文。到了2 0 世纪5 0 年代和6 0 年代，由于高压直流输 电技术的发展，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的论文。e w k i m b k a r 在 其著作中对此进行了总结。2 0 世纪7 0 年代以来，由于电力电子技术的飞速发展， 各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用同益广泛，谐波所造成 的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分的关注，国际上召开了多次有 关谐波问题的学术会议，不少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。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- ，夏道止等 1 9 9 4 年出版的高压直流输电系统的谐波分析及滤波是近年出版的代表性著作 n 1 。另外，唐统一和容健纲等人分别独立翻译了j a r r i l l g a a 等的电力系统谐波 一书，在国内有较大的影响t 1 ，。 早期的研究大多数仅是对危害原理和途径进行分析，所得结论中定性描述居 3 多。近1 0 年来随着对谐波研究的不断深入，对谐波危害和影响更为细致的定量分 析和研究越来越迫切需要，因此详细定量研究的报道逐渐增多。另外对谐波影响的 广泛性也开始受到关注。比如高次谐波环境对人、动物以及生态环境的影响，虽然 目前还没有被完全证实，但己有证据证明确实存在影响，引起了研究人员的注意。 谐波的危害和影响引起了世界各国的高度重视，各国纷纷制定各种标准，对用 电器产生的谐波进行抑制。美国海军早在2 0 世纪7 0 年代就发现了谐波影响并第 一个制定了谐波限制标准u s m l i s t d 4 6 l ，目前该标准仍被美国军方广泛使用。 19 8 2 年国际电工委员会( i n t e n r a t i o n a le l e c r t o t e e h n i e a lc o m m i s s i o n 简称为i e c ) 第 一次制定通用电气设备产生谐波的抑制标准i e c 一5 5 ，并在其后的执行过程中多次 修订完善，目前已被世界许多国家认可和接受，在欧、美等发达国家已成为强制执 行的标准。1 9 9 3 年美国电气与电子工程师协会( i e e e l 进一步在i e c 一5 5 标准的基 础上，补充对高压、大功率用电负载产生谐波的限制标准，制定 e i e e a n s i s n a t d a r d 5 l9 谐波限制标准 - “。我国在上世纪8 0 年代就己制定了相应的 谐波标准，但由于技术水平限制一直未能严格执行。 目前，在谐波源处装设滤波器是很普遍的抑制谐波干扰的措施。广泛采用的无 源滤波器，即由l 、c 和r 元件构成单调谐、双调谐和高通滤波器，就地吸收谐波。 对于快速波动的谐波源，则往往采用静止无功补偿装置，该装置要兼顾谐波抑制和 无功补偿的要求。有源滤波技术在同本、美国等工业发达国家得到了广泛应用， 并联型a p f 技术比较成熟。而混合型有源电力滤波器的结构和控制还在不断完善 和发展中。国内主要还是停留在实验研究和理论研究阶段。华北电力大学已研制 3 8 0 v 、5 0 k v a 的三相三线实验样机，清华大学、西安交通大学等高校和科研单位 也研制了小容量的装置，但尚未见有国产化有源电力滤波器产品。 有关谐波问题的研究大致可以划分为以下4 个方面叱 ( 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与危害的分析： ( 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 4 论文的研究内容 ( 1 ) 本文从电能质量入手，分析了谐波对电能质量的影响，并分析了谐波的产 生原因。 ( 2 ) 研究了各种谐波治理的方法，对其各自的优缺点进行了分析，并着重讨论 了有源电力滤波器。 ( 3 ) 研究了低通滤波器对谐波检测效果的影响。 ( 4 ) 对瞬时无功功率检测方法进行了详细介绍，并通过理论分析，得到了一种 新型的谐波检测方法，并对这种方法进行了仿真研究。 4 第二章谐波的治理 在第一章中，通过分析现代化生产和生活对供电质量要求不断提高，逐步引出 了对供电质量有严重影响的谐波的概念，并详细分析了谐波对电力系统的危害。在 本章中将详细讨论通用的谐波治理方法，并详细介绍有源电力滤波器在谐波治理 中的应用。 2 1 谐波的治理 2 1 1 谐波治理的标准 实际电力系统中不能全部消除谐波，为了保证系统的安全经济运行，保证电能 质量，给出控制标准，对谐波进行抑制。限制电力系统谐波的国家标准或由权威机 构制订的限制规定是限制谐波源对电网的注入，控制系统内谐波含量的重要技术 依据。谐波指标的选取要满足：具有物理意义，能反映出谐波影响的大小，能被广 泛地采用。8 0 年代，国际电工委员会制订通用电器设备产生谐波的限制标准 i e c 5 5 ：国际电气电子工程师协会制订了较有影响的谐波限制标准 i e e e 51 9 19 9 2 n ”。在我国，1 9 8 5 年原水利电力部颁发了电力系统谐波暂行规定 ( s d l2 6 8 4 ) 1 。1 9 9 4 年国家技术监督局颁发了国家标准g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量 公用电网谐波n ”。 2 1 2 谐波治理的方法 在电力系统中，对谐波的治理就是减少或消除注入系统的谐波电流，以便把谐 波电压抑制在限值以内。近二十年来，专家提出并研究使用大量用于改善电能质量 的功率因数校正( p f c ：p o w e rf a c t o rc o r r e e t i o n ) 技术，而大多数p f c 技术是采用校 正器级联在电源和负载之间，起校正电源输出电流波形和相位的作用。为了使电源 电流达到正弦波输出，p f c 需处理负载所消耗的所有功率，因而要求p f c 容量较大， 但是开关需承受较大电流应力，损耗大。另一方面，对于已有应用设备，安装极为不 便。为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条妇“叱一 是主动治理，即从谐波源本身出发，使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐 波；二是被动治理，即外加滤波器，吸收谐波源产生的注入电网的谐波，或者阻碍电 力系统的谐波流入负载端。 2 1 3 谐波源治理 对于第一类方法，可以根据容量不同采用不同的技术：大容量变流器，采用多 5 相整流技术：对于中等容量的变流器，可以采用脉宽调制( p w m ) 整流技术，一般使 用自关断器件：对于小容量变流器，也可以采用p w m 整流技术，但一般采用的是 二极管整流加p w m 斩波技术使电力电子装置本身不产生谐波，是一种积极的谐 波抑制措施，可以有效地减小电力系统中的谐波。但由于电力系统的复杂性及由谐 波源本身工作机理所决定，要完全消除电力系统中的谐波是不可能的。 2 1 4 谐波补偿 对于第二类方法一般是对电网谐波进行有效滤波或补偿，主要采用无源滤波 器p f ( p a s s i v ef i l t 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。采用有源滤 波器a p f ( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) ，在谐波源附近和公用电网节点装设并联型或串 联型a p f ，可以有效地起到补偿或隔离谐波的作用，并联型还可以进行无功功率补 偿，但装置造价较高。 2 2 无源滤波器 无源电力滤波器是利用电感、电容元件的谐振特性，在阻抗分流回路中形成低 阻抗。无源电力滤波器既可补偿谐波，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 滤波器过载甚至烧坏，此外它只能补偿固定 频率的谐波，补偿效果也不是很理想 2 2 1 无源滤波器的原理 常用的几种无源滤波器有：单调谐滤波器，双调谐滤波器，双调谐高通滤波器， 二阶高通滤波器，三阶高通滤波器，c 型阻尼高通滤波器，以单调谐滤波器为例说 明它的工作原理。单调谐滤波器原理图如图2 1 所示，滤波器的作用是对谐波起分 流作用，使谐波电流只有小部分流入电网，绝大部分通过滤波器流入地下。无源滤 波器原理如图2 2 所示，其中r s 表示电网负载，z 为单调谐滤波器阻抗，为电力谐 波源。设h 次单调谐滤波器在角频率q = j i l 缈时的阻抗为： 1 z = 月+ ( 功，一) ( 2 1 ) ，z 乜，c 1 其中缈为基波频率，显然当 ，= 时发生谐振，电流主要通过滤波器流入地下 ，l c 而只有较少谐波电流进入系统中。 6 l r s 图2 1 单调谐滤波器图2 2 无源滤波器原理 2 2 2 无源滤波器的缺点 l c 滤波器因为其结构和工作机理上的原因，存在一些缺陷，主要有以下几个 问题： ( 1 ) 只能抑制按设计要求规定的谐波成分。单调谐滤波器只能消除特定次数 的谐波，高通滤波器只能消除截止频率以上的谐波，有时由于高次谐波成分较多， 必须同时加入多个滤波器，使整个滤波装置的成本和体积增加。 ( 2 ) 滤波性能受系统参数的影响较大。系统的结构、工作状态和电源频率漂 移都会导致l c 滤波器的滤波特性改变，使其难以获得预期的滤波效果。 ( 3 ) 不能对谐波实现动态补偿。尤其是对于谐波次数经常变化的负载滤波效 果不好。 ( 4 ) 有可能与电源阻抗在电源侧发生并联谐振，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。 目前，有源电力滤波器作为谐波抑制的一个研究方向，越来越受到重视。同无 源滤波器比较，有源电力滤波器具有明显的优越性，可以对变化的各次谐波和无功 同步进行跟踪并补偿，而且补偿特性受电网阻抗和频率变化的影响很小，控制电路 容易实施限流保护以提高系统的安全性等。本文主要针对有源滤波器进行论述，。 2 3 有源电力滤波器 2 3 1 有源电力滤波器的发展 有源滤波器的思想最早出现于1 9 6 9 年b m b i r d 和j f m a r s h 的论文中摘述了 通过向交流电源注入三次谐波电流以减少电源中的谐波，改善电源电流波形的新 方法。文中所述的方法被认为是有源电力滤波器思想的诞生。1 9 7 1 年，日本 h s a s a k i 和t m a c h i d a 完整描述了有源电力滤波器的思想原理，。1 9 7 6 年，美国西 7 c r r 、j - 、 i孓l、亡 屋电气公司的l g ”g y i 和e c s t r y c u l a 提出的用脉冲宽度调制( p w m ：p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ) 变流器构成有源电力滤波器及其相应控制原理，并从原理上阐明了有 源电力滤波器是一理想的谐波电流发生器，为有源电力滤波器的概念和拓扑结构 奠定了基础k “。但由于缺少大功率可关断器件，a p f 除了少数的实验室研究外，几 乎没有任何实质性进展。直到上世纪8 0 年代以来，由于新型电力半导体器件的出 现，脉宽调制p w m 逆变技术的发展，尤其是1 9 8 3 年日本的h a k a 西等人提出了， 基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法，有源电力滤波器才得以迅速发 展心”。1 9 8 2 年第一台实用的有源电力滤波器装置投入使用。进入上世纪9 0 年代， 由于电力谐波污染日趋严重，a p f 的研究越来越受到重视。目前在国外，有源电力 滤波器已开始在工业和民用设备上得到广泛使用，并且谐波补偿的次数逐步提高， 有的可以高达2 5 次谐波；单机装置的容量逐步提高。如在同本和美国，应用领域 可以接受的a p f 的容量已增加到5 0 m v a ，其应用领域从补偿用户自身的谐波向改 善整个电力系统供电质量的方向发展。 到目前为止，国内对有源电力滤波器的研究基本上都局限于仿真研究和小型 试验装置，工程实践应用仅仅也只是小功率的应用n ”，而正式投入电网运行的几乎 为零。 2 3 2 有源电力滤波器的基本原理 图2 3 所示为最基本的有源电力滤波器系统构成原理图。图中u s 表示交流电 源，负载为非线性的谐波源，它产生谐波并消耗无功功率。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发生电路( 由电流跟踪控制电路、 驱动电路和主电路三个部分构成) 。其中，指令电流运算电路的核心是检测出补偿 对象的电流中的谐波和无功电流等分量，因此也称之为谐波和无功电流检测电路。 补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流指令信号，产 生实际的补偿电流。主电路目前均采用p w m 变流器或逆变器”。 图2 3 有源电力滤波器的系统组成 8 丁百交 ( 一 a p f 丫 b 一 一一 ，源o待蝴帆 图2 3 的基本工作原理是，检测补偿对象的电流，经指令电流运算电路计算得 出补偿电流指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流 与负载电流中要补偿的谐波及无功电流抵消晟终得到期望的电源电流。如当需要 补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象负载电流的谐 波分量。，将其反极性后作为补偿电流的指令信号e ，由补偿电流发生电路产生补 偿电流，t 与负载电流中的谐波分量大小相等、方向相反，因而两者互相抵消 使电源电流f 。中含有基波不含谐波，这样就达到了抑制电源电流中谐波的目的。如 果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，还要补偿负载的无功功率，则只要在补 偿电流的指令中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分即可。这样，补偿电 流中的谐波及无功功率与负载中的谐波及无功功率成分相抵消，电源电流就等于 负载电流的基波有功分量。 2 3 3 有源电力滤波器的优缺点 与l c 无源滤波器相比，有源滤波器具有以下优点： ( 1 ) 实现了动态补偿。有源电力滤波器可对频率和幅值都变化的谐波进行补 偿，对补偿对象有极快的响应速度。 ( 2 ) 可同时对谐波、无功和负序电流进行补偿，也可单独补偿谐波、无功或负 序电流，且补偿无功的程度可连续调节。 ( 3 ) 在实际应用中，有源电力滤波器的储能元件容量很小。 ( 4 ) 即使需要补偿的电流超过设备的额定值，也不会发生过载情况，并能在其 额定容量内继续正常工作。 从目前的情况看，有源电力滤波器的不足之处主要表现在： ( 1 ) 为了减小滤波器的体积和重量、改进设备性能，势必要提高有源电力滤波 器的主开关元件的工作频率。但是，这会受到可关断开关元件本身工作频率的限 制；同时，工作频率的提高。将使有源电力滤波器的开关损耗迅速增加。目前，有 源电力滤波器的损耗高达5 0 一9 0 w k v a ，大大高于电容补偿器的2 - 4 5 w k v a 和同 步调相机的1 2 3 0 w k v a 。较高的损耗，既增加了运行成本，也妨碍了设备容量的 进一步提高。 ( 2 ) 与无源滤波器相比，设备的初期制造成本高。 ( 3 ) 由于非线性电路的功率理论尚不完善，因而在无功和谐波电流的实时检 测上，还存在理论和方法上的困难：这种情况可能会影响有源电力滤波器的工作效 率和效果，甚至可能影响它的实用性。 ( 4 ) 由于有源电力滤波器通常以高频开关方式工作，会产生电磁干扰。因此， 降低有源电力滤波器的损耗和初期投资、完善非线性电路功率理论及参考电流的 实时检测方法、并提高设备的电磁兼容性，是有源电力滤波技术的发展方向和急需 9 解决的问题。 2 3 4 有源电力滤波器的分类 有源电力滤波器有多种分类方法。根据应用场合不同，有源电力滤波器可分为 直流有源电力滤波器和交流有源电力滤波器两大类。直流有源电力滤波器主要用 来消除高压直流输电系统中变流器直流侧的电压、电流谐波。而交流有源电力滤 波器则是应用于交流电力系统各个电压等级的有源滤波，也就是通常所说的有源 电力滤波器a p f 。 根据有源电力滤波器中p w m 逆变器直流侧所用储能元件的不同，a p f 又分为 电压型a p f 和电流型a p f ( 储能元件为电感器) 。与电流型a p f 相比，电压型a p f 损耗较小、效率高，目前国内外绝大多数a p f 都采用电压型逆变器结构。随着超 导储能技术的发展，今后可能会有更多电流型a p f 投入使用。 如图2 4 所示为交流有源电力滤波器的分类。按其工作原理不同，可分为谐波 电流跟踪型和非谐波电流跟踪型两大类。谐波电流跟踪型又可分为谐波对消法、 可变阻抗法和复合法。谐波对消法就是有源电力滤波器根据从补偿对象中检测到 的谐波电压或电流信号产生一个大小相等而极性相反的电压或电流注入电网，从 而消除谐波，使电网电压或电流只含基波分量。可变阻抗法就是使有源电力滤波器 对基波和谐波分别呈现不同的阻抗，以减小谐波含量来达到抑制谐波的目的。采用 复合法有源电力滤波器既用到谐波对消法又用到可变阻抗法。这三种方法的关键 是，都需对谐波电流或电压进行实时、精确地检测。而非谐波电流跟踪型有源电力 滤波器，又被称为广义有源电力滤波器( g e n e r a l i z e da c t i v e p o w e rf i l t e 卜g a f ) 。它 采用特定消谐p w m 技术，是由原来的三相固态功率因数补偿及谐波抑制器发展 起来的，被应用于电力系统的配电系统，抑制非线性负荷谐波，并推广应用于不对 称负荷的补偿等方面，具有强制输出端电压为同步的j 下序基波电压源的特点，因而 不需要跟踪非线性负荷谐波电流进行控制，就具有高效电力有源滤波器和高效负 序滤波器的功能，能补偿系统电压的不平衡和负荷的不对称。除此之外，它还可以 连续、快速、灵活地调节无功功率，稳定电压，改善负荷功率因数，并且较低的斩波 频率使该装置进行无功补偿时效率较高阳。 如果根据有源电力滤波器补偿对象的不同，有源电力滤波器可分为针对谐波 负载型、针对电网型和综合型三大类。针对谐波负载型的有源电力滤波器主要是 消除作为谐波源的负载产生的谐波，对负载进行无功补偿，接在电网的某个节点上， 通常紧靠谐波源负载安装。而针对电网型的有源滤波装置又称为有源线路调节器 ( a c t i v ep o w e rl i n ec o n d i t i o n e r a p l c ) 。a p l c 是向电网中某个优选节点注入消 谐补偿电流，通过补偿电流在电网中一定范围内流动，实现该范围内所有节点谐波 电压的综合抑制。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 l o 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。综合型有 源电力滤波器既抑制电网的谐波电压或电流，又抑制负载产生的谐波电压或电流。 图2 4 交流有源电力滤波器分类方式 根据有源电力滤波器接入电力系统的方式不同，交流有源电力滤波器可分为 并联型、串联型、混合型和串一并联型有源电力滤波器。其中并联型有源电力滤波 器又分单独使用方式、注入电流方式和与旋转电机并用方式等。有源电力滤波器 与无源滤波器一起使用的则称为混合型有源电力滤波器，它又分为串联混合型有 源电力滤波器和并联混合型有源电力滤波。 2 4 有源电力滤波器的系统构成 不同类型有源电力滤波器的结构各有特点，因而其工作原理、特性也各不相 同。下面简要论述几种具有代表性的有源电力滤波器的组成及其主要特点。 2 4 1 并联型有源电力滤波器 ( 1 ) 单独使用的并联型有源电力滤波器如图2 5 所示。 一j 丫、一一 一一 堕：心少一。l 一广一一一负载l ，| l 爿i 一7 j l 一j y 丰c 高通滤波器：拿 y y l 团c 有源电力滤波器 图2 5 单独使用的有源电力滤波器 图2 5 中负载为产生谐波的谐波源，逆变器和与其相连的电感、直流侧储能元 件共同组成了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。由于有 源电力滤波器的主电路与负载并联接入电网，故称为并联型。因为其补偿电流基本 上由有源滤波器提供，为区别于其他方式，称之为单独使用方式。 单独使用方式的并联型有源滤波器是以谐波对消原理工作的，并可实现多种 补偿功能。工作原理可简述为：检测补偿对象的电流，经指令电流运算电路计算得 出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电 流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终使电源电流成为期望的正 弦波，并且可根据不同的需要，实现不同的补偿功能。 并联型有源电力滤波器的逆变器并联在电网中，整个滤波器相当于一个受控 的电流源。对于以电流为主的补偿，如谐波电流补偿、无功功率补偿、三相不对称 电流补偿、负载平衡和中性线电流补偿等，并联型有源电力滤波器是较理想的补偿 装置。但是，由于电源的基波电压全部加在逆变器上，因此并联型有源电力滤波器 容量较大，造价成本很高，这是单独使用并联型有源电力滤波器的最主要不足。另 外，在这种方式下，滤波器是作为电流源工作，适合于电流源型的谐波源，如带有阻 感负载的整流电路。对于电压源型的谐波源，像电容滤波的整流电路，用并联型有 源电力滤波器进行补偿的效果就不甚理想。 ( 2 ) 注入电路方式的并联型有源电力滤波器。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，为减小有源电力滤波器的容量，可采用注入电路方 式。注入电路方式是用电容、电感构成注入回路，利用电容、电感电路的谐振特性， 使得有源电力滤波器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。图2 6 为l c 串联谐振注入电路方式的系统原理图。 1 2 j 弋 c 有源f b 力滤波器 图2 6l c 串联谐振注入电路方式的系统原理图 其中c 2 l 支路在电源电压的基波频率处发生串联谐振。因此，对于基波，c 2 l 支路的阻抗远远小于电容c l 的阻抗，因而基波电压几乎全部加在c l 上，与c 2 l 并联的有源电力滤波器承受很小部分的基波电压：对于谐波来讲，c l 的阻抗远远 小于c 2 l 支路的阻抗，因而有源电力滤波器注入的谐波电流几乎全部通过c 1 注 入电网，对负载的谐波进行补偿。图2 7 是l c 并联谐振注入电路方式的系统原理 图。 c 图2 7l c 并联谐振注入电路方式原理图 其原理同串联谐振型类似，l 1 c 回路在基波频率处发生并联谐振，基波电压大 部分加在该回路上，有源电力滤波器与l 2 只承受其余很小部分的基波电压和谐波 电压。该方式下只有很小的基波电流流过l 2 和l 卜c 。虽然注入电路方式的并联 型有源电力滤波器中也含有电容、电感等无源元件，但这些无源元件主要不是起滤 波作用的。有源电力滤波器是利用对基波构成谐振的注入回路向负载注入补偿电 流，使有源电力滤波器只承受很小的基波电压，从而减小容量的，所以该类型滤波器 仍属于并联型有源电力滤波器，而不是混合型有源电力滤波器。另外，正是因为注 入电路方式的并联型有源电力滤波器要通过对基波频率谐振的注入电路输出补偿 1 3 电流，所以注入电路方式的并联型有源电力滤波器不能用于补偿基波无功电流，只 能补偿谐波电流。 2 4 2 串联型有源电力滤波器 图2 8 是单独使用的串联型有源电力滤波器的系统原理。从图中可看到，有源 电力滤波器是通过补偿变压器串联在电源和谐波源负载之间的。此时，有源电力滤 波器表现为一个受控电压源。这种方式的有源电力滤波器是利用谐波对消原理， 来消除负载产生的谐波电压，从而维持供电点的电压波形和电源电流波形为正弦 波。 一p y 一一 一一 一少一ll _ 。一。厂一负载i + c 波器 图2 8 串联型有源电力滤波器的原理图 2 4 3 混合型有源电力滤波器 为克服单独使用有源电力滤波器时，要求有源电力滤波器a p f 有较大容量的 主要缺陷，充分利用原有的l c 无源滤波器的特点，出现了有源电力滤波器a p f 与 l c 无源滤波器混合使用的混合型有源电力滤波器。这种方式比单独使用方式的 有源电力滤波器多了一个l c 无源滤波器，它利用l c 无源滤波器分担大部分的补 偿任务，以减小有源电力滤波器的容量，而利用有源电力滤波器来改善混合型滤波 器的滤波效果。无源滤波器与有源滤波器相比，其优点在于结构简单，易于实现且 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，又可使整个滤波系统获得良好的补偿性能。 混合型有源电力滤波器( h a p f ) 分为并联混合型有源电力滤波器( p h a p f ) 和串联混 合型有源电力滤波器( s h a p f ) 两类。 1 并联混合型有源电力滤波器 ( 1 ) 图2 9 所示是有源电力滤器与l c 无源滤波器以并联方式接入电网的原理 图。有源电力滤波器与l c 无源滤波器共同承担补偿谐波的任务。包含多组单调 谐滤波器和高通滤波器的l c 无源滤波器承担大部分的谐波、无功补偿任务。有 源电力滤波器的作用是改善滤波性能所需的容量与单独使用时相比可大幅度减 1 4 小。l c 无源滤波器还可以消除有源电力滤波器因逆变器主电路中器件的通断而 引起的谐波。但该并联混合型有源电力滤波器在使用时，电源与有源电力滤波器、 有源电力滤波器与无源波器之间存在谐波通道，特别是有源电力滤波器与无源滤 波器之间的谐波通道，可能使有源电力滤波器注入的谐波又流入无源滤波器及系 统中联接的补偿无功的电容中。 c 图2 9a p f 与l c 滤波器并联方式 ( 2 ) 图2 1 0 所示是有源电力滤波器与l c 无源滤波器串联方式的混合型原理 图。有源电力滤波器a p f 通过补偿变压器与l c 无源滤波器串联，然后与谐波源并 联接入电网，所以仍属并联型方式。这种方式中，谐波和无功功率主要由l c 无