（电力电子与电力传动专业论文）基于特定消谐法控制的有源电力滤波器的研究.pdf

a b s t r a c t m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sh a v e b e e np a i dt o “p o w e rc l e a n f - o rt h es e r i o u s “p o w e rp o l l u t i o n ”p r o b l e m a c t i v ep o w e rf i l t e ro v e r c o m e st h ed r a w b a c k so f p a s s i v ep o w e r f i l t e ra n dh a sm a n ym u l t i f u n c t i o n s ，s u c ha sh a r m o n i c c o m p e n s a t i o n ，r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，f l i c k e r i m b a l a n c ec o m p e n s a i t o n a n dv o l t a g er e g u l a t i o n ，s oi th a sb e e nc o n s i d e r e da so n eo ft h em o s te f f e c t i v e m e t h o d st os u p p r e s st h es e r i o u s “p o w e rp o l l u t i o n ”p r o b l e m i nt h i sp a p e r ，a s t u d yo nt h es e l e c t e dh a r m o n i ce l i m i n a t i o nc o n t r o la l g o r i t h mo f a c t i v ep o w e r f i l t e ri st op r o v i d eak i n do fe f f e c t i v ec o n t r o ls c h e m e ，a n a l y s i sa n dd e s i g n m e t h o d sf o ra c t i v ep o w e rf i l t e r f i r s to fa l l ，t h ec a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e rw i t hd i r e c tc u r r e n tp o w e r s u p p l yi sa d o p t e di nt h i sp a p e ri no r d e rt or e d u c et h eh a r m o n i cc o n t e n ta n d r e a l i z et h em o d u l a r i z a t i o n t h ef e a s i b i l i t yi sv e r i f i e db yc o r r e s p o n d i n g s i m u l a t i o n s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h el o wd e t e c t i o np r e c i s i o n ，s l o wr e s p o n s ea n d p o o re f f e c to fh a r m o n i cc o m p e n s a t i o no ft h e h a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o n a l g o r i t h m ，t h ep a p e ri n t r o d u c e sp - qa l g o r i t h ma n d p 一qa l g o r i t h mb a s e do n t h ei 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 es i m u l a t i o ne x p e r i m e n ts t u d y o nt h ed e t e c t i o no fr a n d o ma n dr e a c t i v eh a r m o n i ci nt h r e e p h a s ec i r c u i ti s g i v e n t h i r d l y , s e l e c t e dh a r m o n i ce l i m i n a t i o nc o n t r o la l g o r i t h mi s i n t r o d u c e d b ys t u d i n gc u r v ef i t t i n gt e c h n i q u e ( c f t ) a n ds o l v i n gn o n l i n e a re q u a t i o n s m o r e o v e rs e l e c t e dh a r m o n i ce l i m i n a t i o nc o n t r o la l g o r i t h mb a s e do nc f ti s p r e s e n t e d t h er a p i dr e s p o n s ea n ds a t i s f a c t o r yc o n t r o lp r e c i s i o na r eo b t a i n e d b yu s i n gt h i sc o n t r o la l g o r i t h m t h ef e a s i b i l i t y i sv e d f i e db ys i m u l a t i o n r e s u l t s f i n a l l y ，t h ep a p e rc o n s t r u c t sas i m u l a t i o nm o d e lo fs h u n th y b r i da c t i v e p o w e rf i l t e rb a s e do nm a t l a b s i m u l i n ks e l e c t e dh a r m o n i ce l i m i n a t i o n i t c a nw e l ld e t e c tt h eh a r m o n i cb yt h e s i m u l m i o n e x p e r i m e n t s e l e c t e d i l l h a r m o n i ce l i m i n a t i o nh a sm a n yv i r t u e ss u c ha sg o o dd y n a m i cr e s p o n s e ， m u c hh i g h e rd e t e c t i o np r e c i s i o na n dq u i c kc o m p e n s a t i o nt oh a r m o n i cc u r r e n t i tc a nr e a c ht h eg o a lt oi m p r o v ea n do p t i m i z et h eq u a l i t yo ft h ee l e c t r i c i t y n e t w o r k s k e yw o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r ：c a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e rc u r v e f i t t i n gt e c h n i q u e ( c f t ) ；s e l e c t e dh a r m o n i ce l i m i n a t i o nt e c h n i q u e ( s h e ) i v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的 法律责任由本人承担。 作者签名： 星i j 堑 日期：2 ，。15 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印 件与电子版；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；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 作者签名：垒l j 缢 日期： 导师签名： 勾0 7 f ，厂 日期：型：乏兰二 第一章绪论 第一章绪论 谐波污染的解决主要有两条途径：第一是对电网实施谐波补偿，第二是对电力 电子设备进行改进( 无源和有源功率因数校正) 。电网中的非线性负载是电力系统谐 波和无功的主要来源，随着这些设备日益广泛的应用和单片机容量的不断增大，谐 波污染问题已成为电气电子工程领域关注和研究的焦点问题之一n 3 3 。对于庞大容量 的电力系统而言，无源电力滤波器( p a s s i v ep o w e rf i l t e r ，简称p p f ) 和有源电力滤波 器是不可或缺的谐波治理手段，特别是先进的有源滤波技术更具有重大的理论和工 程现实意义n 吲。 本章首先介绍了谐波的产生，然后介绍了目前许多国家、国际组织以及一些大 型电力公司制定的谐波标准，进而概括了谐波的危害和治理的措施，最后简述了并 联混合型有源电力滤波器的发展情况和研究意义。 1 1 概述 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：“谐波为一周 期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。国际电工( i n t e r n a t i o n a l e l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，简称i e c ) 标准( 正c 5 5 5 2 ，1 9 8 2 ) 定义谐波为：“谐 波分量为周期量的傅立叶级数中大于l 的h 次分量”。总结两者，目前国际普遍定 义的谐波为：“谐波是一个周期电气量的正弦分量，其频率为基波频率的整数倍 畸3 。 1 1 1 谐波的产生 1 9 4 5 年，j c r e a d 发表的有关汞弧变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经 典论文，其结论至今仍被工程界采用，到五六十年代，高压直流输电技术的发展， 推动了变流器谐波研究的深入。这一时期发表了很多有关变流器谐波的论文， e w k i m b a r k 在其著作中对此进行了详细的总结。随着电力电子技术的迅速发展，各 种电力电子设备在各个部门得到了广泛的应用，其产生的谐波及造成的危害也日益 严重，各国对谐波问题都给予了十分关心和重视。 1 1 2 谐波标准的制定 制定谐波标准是治理谐波污染的重要措施之一，一些国家和国际学术机构相继制 定了相关标准。国际上广泛被接受的是原欧洲标准i e c 5 5 5 2 ，1 9 9 5 年改为i e c l 0 0 0 3 2 标准，它适用于每相输入电流小于1 6 a 的用电设备。i e c l 0 0 0 3 2 列出了四类用电设 备的谐波标准。对于每相输入电流在1 6 a 7 5 a 之间的用电设备，适用标i e c l 0 0 0 3 4 。 l 基于特定消谐法控制的有源电力滤波器的研究 i e e e 和i e c i 皆波标准主要分成三类n 3 3 m 1 ( 1 ) 设备谐波电流限制标准：i e c l 0 0 0 3 2 ( 小于1 6 a ) ，i e c l 0 0 0 3 4 ( 1 6 7 5 a ) ( 2 ) 用户系统谐波限制标准：i e e e 5 1 9 1 9 9 2 ，i e c l 0 0 0 2 2 ，i e c l 0 0 0 3 6 ( 3 ) 谐波测量标准：i e c l 0 0 0 - 4 7 1 1 3 谐波的危害和治理措施 随着目前成为电力系统的主要谐波污染源电力电子装置应用的增多和装置容量 的增大，装置产生的谐波比重也越来越大。 ( 1 ) 使电网中元器件产生附加的谐波损耗，如使电动机引起附加的损耗、发 热增加，过载能力、使用寿命和效率降低，产生脉动矩阵等。另外降低发电、输电 及用电设备的效率，大量的3 次谐波电流流过中性线导致中线过热甚至发生火灾。 ( 2 ) 谐波电流在输电线上的压降会使用户端的电压波形产生严重畸变，影响 电气设备正常工作。谐波使电容器、电缆等装置过热、绝缘老化，寿命缩短，以至 于损坏。 ( 3 ) 容易使电网与用于补偿电网无功功率的并联电容器发生局部并联或串联 谐振，造成过压或过电流，使电容器绝缘老化，甚至引起较严重的事故。据统计知， 谐波问题引起的电容故障占电容总故障的7 1 一8 3 。 ( 4 ) 导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准，影响 了计量精度。 ( 5 ) 对临近的通信系统产生干扰，轻者可产生噪声，降低通信质量，重者导 致信息丢失，致使通信系统无法正常工作。 因此，谐波研究对减轻以及消除这些危害，对供电和用电设备节能，乃至对整 个社会能源利用率的提高，都具有重要意义。 目前，解决谐波污染问题的基本方法主要有三种：第一受端治理，即从受到谐 波影响的设备或是系统出发，提高它们抗谐波干扰的能力；第二主动型，即对电力 变换装置本身进行的改造，使不产生谐波，且功率因数可控制为l 。这只适用于作为 主要谐波源的电力变换装置；第三被动型，即装谐波补偿装置来补偿谐波，这对各 种谐波源都是适用的。 ( 1 ) 受端治理 受端治理的措施主要有以下几种： 1 ) 避免电容器对谐波的放大； 2 第一章绪论 2 ) 选择合理的供电方； 3 ) 提高设备的抗谐波干扰能力； 4 ) 改善谐波的保护性能。 ( 2 ) 主动型 通常有以下几种措施： 1 ) 多相整流技术 2 ) 脉宽调制整流技术 3 ) 功率因数校正器 主动型治理谐波的方法仅是对自身性能的改进，可减小谐波源对电网的污染。 由于电力系统的庞大和复杂，电力电子器件的开关工作状态，因此电力系统本身存 在较大的谐波污染。必须采用另外一种途径，即加装谐波治理装置( 被动型) 。 ( 3 ) 被动型 被动型是指对各种谐波源都适用的装设谐波补偿与功率因数校正装置，应根据 经济效益而定具体采用哪种途径。用的较多的是电力滤波器，电力滤波器分为无源 和有源电力滤波器两种。 1 2 本文的主要内容概述 本文对并联混合型有源电力滤波器进行了系统的理论分析和m a t l a b s i m u l i n k 仿真研究。通过研究，本课题对有源电力滤波器检测精度的提高，补偿的实时性和 精确性的改善以及功率器件开关频率的提高等方面都起到积极的推进作用。本文共 分为七章，除第一章绪论和第七章结论与展望外，本文的内容又有一定独立性的几 大部分。主要研究内容如下： ( 1 ) 介绍了谐波的概念和谐波的产生，谐波的标准以及谐波的危害和治理的措 施。 ( 2 ) 对无源电力滤波器、有源电力滤波器及混合有源电力滤波器的基本原理、 分类及优缺点进行了介绍。 ( 3 ) 介绍了有源电力滤波器的主电路结构，对多电平逆变器和级联式多电平逆 变器进行了详细的介绍。 ( 4 ) 对基于瞬时无功功率理论的p g 算法和j p - i q 算法进行了详细的介绍与分析， 并给出了碴i q 算法在三相电路中任意次谐波和无功电流检测的仿真实验研究。 ( 5 ) 本文通过研究m a t l a b 中的曲线拟合技术和非线性方程组的解法，提出了一 基于特定消谐法控制的有源电力滤波器的研究 种基于曲线拟合技术的特定消谐控制的电流控制策略。 ( 6 ) 基于一种特定消谐控制的并联混合型有源电力滤波器，建立了并联混合型 有源电力滤波器的m a t l a b s i m u l i n k 仿真模型，为混合型有源电力滤波器的研究提 供了一定的参考价值。 4 第二章无源和有源电力滤波器 第二章无源和有源电力滤波器 本章介绍了无源电力滤波器和有源电力滤波器的基本原理、分类及其优缺点， 并简要介绍了混合型有源电力滤波器的主电路结构及组成。 2 1 无源电力滤波器 2 1 1 无源电力滤波器的基本原理 利用电路的谐振原理的无源电力滤波器，当发生对某次谐波的谐振时，装置对 该次谐波形成低阻通路，达到了滤波的目的。无源滤波器存在一些难克服的缺点， 设备投资少、结构简单、运行费用较低、维护方便等优点，缺点是易和系统发生并 联谐振，其补偿特性易受电网阻抗和运行状态的影响。此外，它的补偿效果也不理 想。 2 1 2 无源电力滤波器的分类及参数设计 2 1 2 1 串联调谐滤波器 串联调谐滤波器( 如图2 1 所示) 在调谐的谐波频率处，电容器和电抗器的电抗 值相等，滤波器阻抗是纯电阻性的。滤波器阻抗对较低的谐波频率是容性的，对较 高的谐波频率是感性的，这样的结果使低于最低调谐频率时的阻抗特性变坏，联调 谐滤波器是设计来滤除某一谐波的一个电容器，通过增加一个在调谐频瓤处x l = x c 的电抗器来实现。 图2 1 串联调谐滤波器 f i 9 2 1s e r i e st u n i n gf i l t e r 对调谐与h 。次谐波的串联调谐滤波器的设计步骤： ( 1 ) 确定电容器容量q c ，单位m v a r ，例如等于谐波源需要的无功功率。 5 基于特定消谐法控制的有源电力滤波器的研究 ( 2 ) 电容器的电抗：x f = 面u c _ 2 ( 3 ) 为了滤除矗n 次谐波，电抗器大小：x 工= x 吃c ：一 ( 4 ) 电抗器的电阻：r = 軎 式中q 滤波器的品质因数，3 0 q 1 0 0 特征电抗：x 。= l 。= x c 。= 瓜= 吉 滤波器的袒靠= 告2 i u c 善2 2 再h n 2 瓦u c 22 再h n 2 q c 。 改2 对于串联调谐滤波器，任何谐波次数下的阻抗：z f ( 办) = r + ，( x 工一睾) 力 因此怍+ ( 肠l 一争2 旦盟： 二垡!：圣! ! 墨! ：j 己 u ，f x ，一x ，、x x ，一1 2 1 旦皿： 一j x c 。 “嘲 r q - ( x l 。一x c 。)叫等一j q 式中：u f 、一电容器两端电压的基波分量； u 。一一母线电压的基波分量； u 臼调谐频率下的电容器电压； u 。蛐一一调谐频率下的母线电压； x n 一滤波器的特征电抗，x 。= x 。= 五。= 厶c l = 丘。k 。 q 一滤波器的品质因数，定义为q = x 。r 。 因此，母线电压为：u n 州= 岳u c 。= u c 等= u c t u l 。 6 第二章无源和有源电力滤波器 2 1 2 2 二阶阻尼滤波器 最常用的阻尼滤波器是二阶的。二阶的阻尼滤波器在一个较宽的频率范围内呈 现低阻抗。 阻尼滤波器被称为高通滤波器，当用来消除高次谐波( 1 7 次以上) 时，即在高 频率时呈现低阻抗，而高阻抗在低频率时呈现，因此低频率分量不能通过。 阻尼滤波器具有低品质因数，0 5 o 5 。 调谐于h n 次谐波的二阶阻尼滤波器的设计步骤： ( 1 ) 确定电容器的容量q f ，单位m v a r ，例如取谐波源需要的无功功率值。 r ，2 ( 2 ) 电容器的电抗：x f = ( 3 ) 为了滤隔次谐波，电抗器大j 、。2 睾 l 4 ) 甩玩器阴电p 且：r = 五。g 式中q 一滤波器的品质因数，0 5 q 一 5 特征电抗：x 。= x l 。= x c 。= 匠瓦2 吉 滤波器的容量：q f i l t e r - - 告= 再h n 2 q f 对于二阶阻尼滤波器，任何谐波次数下的阻抗： = 器一牟 = 嵩骞吖t - 1 ( h xc 篙r ( 赫h x 五h ， = - - ；：- - - 一i - = 一一ol r 2 + r ) 22 +，1 2 。 e 邑抗；器的e 邑流：z l 一= = 南- r 一= = i 南- r 一 电阻器中的电流： k 2 商嚣k2 赫h 2 鲁吉= 警如 电阻器的能量损耗： 耻e 。ri r h 2 笠r ( 2 h 7 基于特定消谐法控制的有源电力滤波器的研究 2 1 。2 。3 撂汲器组 下面讨论三种不同的滤波器组： ( 1 ) 三支路3 3 k v 滤波器，分别调谐于7 次和1 1 次的两个支路再加一个调谐于1 7 次以上的高通支路。 察表2 1 中雕j 3 3 k v 滤波器，滤波器参数额定值的计算如下 由 耻等 毕鼍 k ：誓：玩五：瓜瓦 f 墨 对于串联调谐滤波器 r = q 【x 。q 对于阻尼滤波器 滤、波器织成元件的佰很容易笪，如表2 1 所示，滤波器的额定容量为 q f i l t e r = i u c 瓦2 = zh ? 三l ，绞= 9 0 7 6 ( m v a r ) ( 2 - ) 表2 1 滤波器数据3 3 k v t a b l e 2 1t h ed a t ao ff i l t e r - - 3 3 k v 支路类型 h n q q m v a r r q x l x c f 2k f 2 1 调谐 71 0 020 7 7 7 8 61 1 1 1 2 25 4 4 57 7 7 8 5 7 2 调谐 1 1 1 0 02o 4 9 54 55 4 4 54 9 5 3 阻尼 1 7556 4 0 5 8 8o 7 5 3 62 1 7 81 2 8 1 1 8 ( 2 ) 四支路2 0k v 滤波器，分别调谐于5 次、7 次、“次和1 3 次。 图2 2 所示为一个2 0k v 滤波器，有四个串联的调谐支路。调谐于5 次的支路 q = 2 4 m v a r ，调谐于7 次的支路珐= 1 2 m v a r ，调谐于1 1 次的支路蜴- - 6 2 0 m v a r ，调 谐于1 3 次的支路线- 6 2 0 m v a r 时，所有滤波器的品质因数为3 0 。 滤波器的额定容量为： q f i l t e r - 夏五u c 2= 再h n 2 q c = 4 9 7 ( m v a r ) ( 2 - 2 ) 8 第二章无源和有源电力滤波器 f l ，x c = u 万c ? ，彳。= 睾，以= 鲁，r = 鲁 可算出滤波器组成元件的值如表2 2 所示。 图2 2 四支路2 0k v 滤波器 f i 9 2 2f o u rb r a n c h e sf i l t e ro f2 0 k v 表2 2 滤波器数据一一一2 0 k v t a b l e 2 2t h ed a t ao f f i l t e 卜一2 0 k v 支路 类型 h n q 姥m v a r r q x l | qx c | q 1 调谐 53 0 2 41 1 1 1 l6 6 6 6 76 6 6 6 7 2 调谐 73 01 21 5 8 7 36 8 0 2 73 3 3 3 3 3 3 调谐 1 1 3 00 6 21 9 5 5 05 3 3 l o6 4 5 1 6 1 3 4 调谐 1 33 00 6 21 6 5 4 33 8 1 7 5 6 4 5 1 6 1 3 ( 3 ) 五支路6 9 0v 滤波器，分别调谐于5 次、7 次、1 1 次和1 3 次的四个支路再加一个 调谐于1 7 次以上的高通支路。如图2 3 所示的五支路6 9 0v 滤波器的参数如表2 3 所示。 图2 3 五支路6 9 0 v 滤波器 f i 9 2 3f i v eb r a n c h e sf i l t e ro f6 9 0 v 9 基于特定消谐法控制的有源电力滤波器的研究 表2 3 滤波器数据一6 9 0 v t a b i e 2 3t h ed a t ao ff i r e 卜_ 6 9 0 v 支路类型 h n q 蜴m v a r r q x ，q x c f 2k f t 1 调谐 51 0 0o 40 0 0 2 3 80 0 4 7 6 11 1 9 0 2 50 2 3 8 0 5 2 调谐 71 0 00 40 0 0 1 7 00 0 2 4 2 91 1 9 0 2 51 1 7 0 0 4 3 调谐 l11 0 00 40 0 0 1 0 8 0 0 0 9 8 4 1 1 9 0 2 50 1 0 8 2 0 4 调谐 1 31 0 00 40 0 0 0 9 20 0 0 7 0 41 1 9 0 2 50 0 9 1 5 6 5 阻尼 1 75 0 4 0 3 5 0 0 70 0 0 4 1 21 1 9 0 2 50 0 7 0 0 1 以下公式很容易算出表2 3 中组成滤波器的各元件的值。 彳：竖 。 q c 耻睾 小鲁= 吃x l - 瓜 i 墨 对于串联调谐滤波器 r = q 【x 。q对于阻尼滤波器 滤波器的额定容量为： 嫉蛔= i 兰量= 瓦h 巧n 2 q c = 2 0 3 2 ( m v a r ) ( 2 3 ) 2 1 3 无源电力滤波器的缺点 目前我国电力系统常用分路调谐三c 滤波器是由电抗器和电容器串联组成的滤 波器，当系统阻抗参数运行条件变化，会产生与系统并联或串联谐振的问题。主要 存在的问题如下： ( 1 ) 某次谐波电压在电网中可能产生很大的谐波电流； ( 2 ) 电网的参数与c 可能产生并联谐振，使该次谐波分量放大，电网供电质 量下降； ( 3 ) 谐振频率依赖于元件参数，因此只能对主要的谐波进行滤波，三c 参数的 漂移将导致滤波特性改变，使滤波器性能不稳定； ( 4 ) 滤波器特性依赖于电网参数，而电网的阻抗和谐波频率随电力系统的运行 第二章无源和有源电力滤波器 情况随时改变，因此l c 网络的设计较困难。 2 2 有源电力滤波器 2 2 1 有源电力滤波器的基本原理 有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它 能克服大小和频率都变化的谐波以及对变化的无功进行补偿。 图2 4 是有源电力滤波器系统构成原理图。有源电力滤波器( a p f ) 由三部分组 成：电流检测电路，控制电路和补偿电流发生电路( 即主电路) 。电流检测电路的 作用是检测出需要补偿的非线性负载电流中的谐波和无功分量( 根据不同的需要， 有的只需要消除电网中的谐波电流，有的要同时补偿无功电流) ，并产生相应的参 考指令电流。然后控制电路根据检测电路输出的参考指令电流产生相应的脉冲控制 信号，控制补偿电流发生电路产生幅值相等、相位相反的谐波分量，并注入到电网 中，达到 a _ p f 图2 4 有源电力滤波器系统构成 f i 醇4t h es y s t e ms n u c t u r eo f a c t i v ep o w e rf i l t e r 图2 4 中屯( f ) 为流入非线性负载的电流，一般为非正弦波电流，可展开成傅立叶 级数如下 t ( f ) = i 。s i n ( no g t + 妒。) n = l = i ls i n ( o j t + 9 1 ) + i 。s i n ( nc o t + 9 。) n = 2 = i i c o s 9 ls i nr o t + 1 1s i n9 1c o s r + ，ns i n ( nc o t + 妒n ) = i p ( r ) + i g ( f ) + i ( f ) 式中，。、9 。分别为n 次电流的幅值和初相角。 ( 2 4 ) 基于特定消谐法控制的有源电力滤波器的研究 其中：f p ( ，) = ，1c o s ( p is i nc o t ，基波有功电流； f q ( f ) = i ls i n 妒lc o s ( o r ，基波无功电流； f ( f ) = j 。s i n ( nc o t + 妒。) ，高次谐波电流。 n = 2 当需要补偿非线性负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出非线性负 载电流f 。( ，) 的谐波分量? 。( ，) ，将其反极性后作为补偿电流的参考指令电流，由补偿 电流发生电路产生的补偿电流t ( f ) ，与非线性负载电流f l ( f ) 中的谐波分量“( f ) 的 幅值相等，相位相反的谐波电流，因此两者互相抵消，使电网电流i 。( t ) 和非线性负 载电流i ，( t ) 中都只含基本电流分量，不含谐波电流分量。最终达到实时补偿谐波、 改善优化电网质量。 2 2 2 有源电力滤波器的分类及拓扑结构 每种类型结构各不相同，因而其工作原理，特性等就各具特点。 2 2 2 1 并联型有源电力滤波器( s h u n ta p f ) 并联型a p f 结构如图2 5 所示，通过产生与负载电流中的谐波和无功分量大小相 等、相位互差1 8 0 0 的补偿电流注入电网，使网侧电流成为与电网电压同相的正弦波， 而达到净化电网目的，因此并联型a p f 实质为一个由逆变器构成的谐波电流源( 包 括基波无功) 。 2 ，2 2 2 串联型有源电力滤波器( s e r i 8 5a p f ) 图2 6 给出了串联型a p f 的拓扑结构。并联型有源电力滤波器和串联型有源电 力滤波器具有对偶关系。串联型a p f 通过变压器串接在电网和负载之间，主要补偿 可看作电压源的谐波源。串联型a p f 被控制为一个谐波电压源，输出补偿电压来抵 消由负载产生的谐波电压，使电网波形为正弦波。 2 2 2 3 混合型有源电力滤波器( h y b ri da p f ) 无源滤波器结构简单、造价低廉等优点，由于a p f 受开关器件的限制，容量的 增大往往有限，且造价太大。a p f 与p p f 相结合优势互补而成混合型a p f 。下面是 四种典型的混合型有源电力滤波器的拓扑结构。 1 2 第二章无源和有源电力滤波器 图2 5 并联型有源电力滤波器 f i 9 2 5s h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r 图2 6 串联型有源电力滤波器 f i 9 2 6s e r i e sa c t i v ep o w e rf i l t e r 图2 7 为并联型a p f 和并联型l c 滤波器组合成的混合型a p f ，混合型a p f 中 主要部分是用于滤除低次谐波的并联l c 滤波器，有源电力滤波器的容量和造价可大 大降低。l c 滤波器包括多组单调谐滤波器和高通滤波器，承担了大部分补偿滤波和 无功的任务。有源电力滤波器的作用是改善整个系统性能以及抑制l c 与电网阻抗之 间可能发生的谐振。此种方式的设计要点是必须使得无源和有源部分各自承担的谐 波频谱分离，否则，有可能造成谐波放大。 图2 8 这种方式是在并联负载和l c 滤波器与电源之间串入有源电力滤波器，谐 波基本上由l c 滤波器补偿，有源电力滤波器的作用是改善l c 滤波器的滤波特性。 且有源电力滤波器具有谐波隔离作用，可将其视为一个可变阻抗，它对基波的阻抗 为零，对谐波却呈现出高阻抗，阻止谐波流入电网，迫使其流入l c 滤波器。 图2 9 所示为h f u j i r a 等人1 9 9 0 年提出的a p f 与p p f 串联，再并联到电网的混 合型滤波器。该方式中谐波和无功主要由l c 滤波器补偿，而有源电力滤波器通过注 入谐波电压使得l c 支路对谐波呈现低阻抗，改善了l c 滤波器的滤波特性，克服了 无源滤波器易受电网阻抗的影响等缺点。 图2 1 0 所示为h a k a g i 等人1 9 9 4 年提出的常用双变流器的混合型有源电力滤波 器。a p f l 串联于电网支路，注入电压源使得对基波等效阻抗为零，对谐波则阻抗为 无穷大；a p f 2 串联于无源滤波器支路，改善了l c 滤波器的滤波特性。 1 3 基于特定消谐法控制的有源电力滤波器的研究 i a p f p i f 图2 7 并联h a p f 之一 f i 醇7o n eo ft h es h u n ti - l a j p f 图2 9 并联h a p f 之一 f i 9 2 9o n eo f t h es h u n th a p f j i ? p p i r 图2 8 串联h a p f f i 9 2 8s e r i e sh a p f 图2 。1 0 串并联h a p f f i 醇1 0s e r i e sp a r a l l e lh a p f 2 2 2 4 统一电能质量调节器( u n i f i e dp o w e rq u a ii t yc o n d i t i o n 6 r ，简称u p o c ) 图2 1 1 给出了统一电能质量调节器的拓扑结构。可知u p q c 实际上由并联型和 串联型有源电力滤波器组合而成，两台p w m 逆变器共用直流侧的储能元件。串联部 分主要在电网和公共连接点( p o i n to f c o m m o nc o u p l i n g ) 之间起谐波隔离作用。 i p q c 图2 1 1 统一电能质量调节器 f i 9 2 11u n i f i e dp o w e rq u a l i t yc o n t r o | l e r q c ) 1 4 第二章无源和有源电力滤波器 2 2 3 混合型有源电力滤波器的优点 由于有源电力滤波器有很好的滤波特性，动态特性好以及体积小等优势而得到 关注。但其缺点限制了实际应用。混合型有源电力滤波器是有源电力滤波器与无源 电力滤波器相结合构成的，取两者之长，补两者之短，可降低谐波补偿系统的成本， 也可有良好的谐波补偿效果，达到混合型有源电力滤波器实用的目的。 1 5 基丁特定消谐法控制的有源电力滤波器的研究 第三章有源电力滤波器的主电路结构 电压型逆变器，最早广泛应用的是两电平逆变器。这种逆变器有很多缺点，为 避免两电平逆变器本身固有的弱点，2 0 世纪8 0 年代，电力电子技术领域应电力系统 直流输电、无功补偿、电力有源滤波器及高压大功率交流电动机变频调速系统发展 的需要，一种新型的、适合环保节能应用的逆变器新思路一一多电平逆变器 ( m u l t i l e v e li n v e r t e r ) 出现了，受到越来越多的关注。经过2 0 多年的研究和改进， 现在基本形成了几种结构定型的多电平逆变器电路儿7 3 。 本章首先介绍多电平逆变器的基本工作原理与分类，然后介绍级联式多电平逆 变器的结构和特点，最后介绍并联混合型有源电力滤波器鹋1 主电路结构。 3 1 多电平逆变器 所谓多电平逆变器是指这种逆变器输出电压波形中的电平数等于或大于3 的逆 变器，如三电平逆变器、五电平逆变器和七电平逆变器等。 3 1 1 多电平逆变器的基本工作原理 1 9 8 0 年，a n a b a e 等人提出的中性点嵌位三电平逆变器阳1 ，为人们研制高压大功 率逆变器开辟了一条新思路。多电平逆变器主电路结构形式从原理上可分为两大类： 一类是嵌位式半桥结构形式。另一类利用单相全桥逆变器( f b i 或h 桥) 直接串联 叠加的级联式结构形式。这两种结构形式的多电平逆变器的等效原理电路如图。图 3 1 a 是一种正半周输出的等效原理电路，图3 1 b 为级联结构形式的等效原理电路。 下面利用等效原理电路说明这两种多电平逆变器是如何输出多电平。 e l 咋- i j 耳f _ 1 l i l 耳? 订， k - 一l a )b ) 图3 1 多电平逆变器半周期等效原理电路 f i g3 1t h eh a l fp e r i o de q u i v a l e n tp r i n c i p l ec i r c u i to fm u l t i l e v e li n v e r t e r a ) 钳位式( c l 锄p e dt y p e )b ) 级联式( c 舔c a d e dt y p e ) 1 6 切换电路 _；ii 一 切换电路 一 iiiiiil 第三章有湃电力滤波器的主电路结构 根据多电平逆变器直流电源电压连接方式的不同，电压型多电平逆变器通断控 制方式也不同，对于图3 1 a 所示的嵌位式多电平逆变器，开关管的通断切换电路( 图 中点画线框内的切换电路) 的工作状态，可等效成一个切换开关s 。通过对嵌位式多 电平逆变器开关管通断状态的控制，或者说对开关s 的切换控制，可得到多电平电 压输出；对于图3 1 b 所示的级联式多电平逆变器，开关管的通断切换电路( 图中点 画线框内的切换电路) 的工作状态，可等效成几个与独立直流电源e 1 岛串并联的开 关s 1 - s 。因此通过对级联式多电平逆变器开关管通断状态的控制，或者说对开关 s - s 。的切换控制，可得到多电平电压输出。 3 1 2 多电平逆变器的分类 根据多电平逆变器的结构形式可分类为： ( 1 ) 多电平逆变器分为三种：钳位式多电平逆变器、级联式多电平逆变器、层叠 式多电平逆变器、多重叠加式逆变器 ( 2 ) 钳位式多电平逆变器分为：二极管钳位式多电平逆变器、飞跨电容钳位式多 电平逆变器、混合嵌位式多电平逆变器 ( 3 ) 级联式多电平逆变器分为：具有独立直流电源级联式多电平逆变器、混合级 联式多电平逆变器、三相半桥式s p w m 逆变器的级联、开绕组双端供电式级联 ( 4 ) 二极管钳位式多电平逆变器分为：二极管中性点钳位式、二极管串联钳位 式、二极管自钳位式、采用辅助臂的二极管钳位式 ( 5 ) 飞跨电容钳位式多电平逆变器：飞跨电容钳位式、电容电压自平衡式 ( 6 ) 具有独立直流电源级联式多电平逆变器：2 h 桥级联式、3 h 桥级联式 3 2 级联式多电平逆变器 采用多电平逆变器的主要目的之一，就是为了利用低耐压开关器件实现高电压 输出。为了达到此目的，当前有两个解决方法：一是采用电力电子开关器件串联的 半桥式逆变结构，即嵌位式多电平逆变器；二是采用功率单元串联叠加的级联式逆 变结构，即级联式多电平逆变器。 级联式多电平逆变器是采用具有独立直流电源的h 桥作为基本功率单元级联而 成的一种串联结构，它不存在直流电容电压问题，因此也不存在直流电容电压分压 的均压问题。级联式多电平逆变器的主开关器件的耐压被限定在向它所在基本功率 单元供电的独立直流电源电压上，多个由独立直流电源供电的基本功率单元的交流 输出侧串联叠加，就可得到高压多电平电压输出。各个基本功率单元的直流电源电 1 7 基于特定消谐法控制的有源电力滤波器的研究 压是相互独立的，它们之间没有直接的电联系，因此不存在均压问题。相对于嵌位 式多电平逆变器，在控制上也简单了许多。但控制上的简单和没有均压问题，是以 增加市电输入变压器二次绕组和整流器的个数为代价的。在此基础上，级联式多电 平逆变器，也针对独立直流电源个数多的电路结构，发展了一些拓展和派生电路， 可以在相同电平数的条件下，使独立直流电源个数减至最少。 3 2 1 级联式多电平逆变器的结构 最早的级联式多电平逆变器以具有独立直流电源的单相两电平全桥逆变器( f b i 或2 h 桥) 为基本功率单元进行的直接串联叠加的，现在已把它扩展到具有独立直流 电源的单相三电平( 嵌位式) 全桥逆变器( 3 h 桥) 为基本功率单元进行的直接串联 叠加，或具有独立直流电源的2 h 桥与3 t - i 桥的混合串联叠加的，以及采用不同开关 器件的2 h 桥或3 h 桥的直接串联叠加等。 因为级联式多电平逆变器采用的是2 h 桥或3 h 桥直接串联而成的一种电路结 构形式，所以2 h 桥或3 h 桥电路应保证在任何输出电平时，级联串联叠加的电路都 能畅通无阻，这就要求每一基本功率单元的2 h 桥或3 h 桥，必须具有四种基本工作 状态，即正向导通工作状态、反向导通工作状态、正向旁路工作状态和反向旁路工 作状态。 殂蜃2 图3 22 i t 桥级联式多电平逆变器 f i 9 3 22 h - b r i d g ec a s c a d e dm u l t i l e v e li n v e r t e r s 1 8 v nj 裂z 芏 j 2 孓 ； ： l j j 丫羚 妄j 2 - x 丫- 心 图3 32 h 桥的四种工作状态 f i 9 3 。3f o u rw o r k i n gs t a t e so f2 h b r i d g e 第二章有源电力滤波器的主电路结构 以图3 2 所示的2 h 桥1 为例，它的四种工作状态如图3 3 所示，当开关管v l 】、 v 1 4 导通时，2 h 桥1 处于正向导通状态，输出正向电压e ，即图a ) ；当开关管v 1 2 、 v 1 3 导通时，2 h 桥1 处于反向导通状态，输出反向电压e ，即图b ) ；当开关管v l l 、 v 1 2 导通时，2 h 桥1 处于正向旁路状态，输出电压为零，但电流仍可以正向流通即 图c ) ；当开关管v 1 3 、v 1 4 导通时，2 h 桥1 处于反向旁路状态，输出电压为零，但电 流仍可以反向导通d ) 。2 h 桥1 的这四种工作状态，是通过控制电路来实现的，当 2 h 桥1 处于正反向旁路工作状态时，即使2