（电路与系统专业论文）基于DSP的并联有源电力滤波器的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

顾i ：论文皋十d s p 的并联仃源i u 力滤波器的研究 摘要 随着电力电子技术的迅速发展，越来越多的电力电子装置被应用到各个领域，其中 相当一部分负荷具有非线性，产生的谐波对电网的影响和危害日益严重，若不加以控制， 会严重影响整个电网经济、安全的运行，对电力谐波的实时补偿变得越来越重要。有源 电力滤波器a p f ( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 是近年来提出的一种新型的谐波及无功动态补偿 装置，与传统的无源l c 滤波器相比较，具有响应速度快、补偿效果好和能够实现动 态补偿的优点。 本文以并联电压型有源电力滤波器作为研究对象，系统地分析了并联电压型有源电 力滤波器的工作原理、补偿特性等问题。深入研究了基于瞬时无功功率理论的p q 法、 基于瞬时无功功率理论下的改进型谐波电流检测的f 。一法，对并联型有源电力滤波器 的三角波载波控制、电流滞环跟踪控制等电流控制策略进行了研究，并对传统的电流滞 环跟踪控制进行了改进，同时引入直流侧电压反馈控制环节，以保证有源电力滤波器具 有良好的补偿跟随特性，通过理论分析比较了各自的特点。 在此基础上，研讨了有源电力滤波器主电路参数的选取原则以及以d s p 处理芯片 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为硬件核心的控制器硬件电路。硬件电路包括：电流采集电路、电平调 理电路、采样触发信号形成电路等。在m a t l a b 环境下对基于该算法的并联型有源电 力滤波器进行了建模仿真，仿真结果表明，有源电力滤波器能够对谐波电流起到了较好 的补偿作用，具有较好的动态补偿特性。在c c s 软件环境中，编写了数据采集程序、谐 波电流检测算法等d s p 程序，调试成功并取得了正确的结果。 关键词：谐波电流、瞬时无功功率理论、d s p 、有源电力滤波器 a 1 c t s t r a cc倾i 二论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e ra n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , e l e c t r i cp o w e r a n de l e c t r o n i cd e v i c e s s u c ha sn o n - l i n e a rl o a dh a v eb e e nw i d e l yu s e d b u ti 1 1t h e - a e t u a l p r o c e s s ，t h eh m m o n i cm a k e si n c r e a s i n gs e r i o u si m p a c ta g m n s tt h ee l e c t r i cn e t w o r k , a n di f u n c h e c k e d ，i tw i l ls e r i o u s l ya f f e c tt h ee n t i r ee l e c t r i cn e t w o r k t h u s ，t h eh a r m o n i cp o w e ro f r e a l t i m ec o m p e n s a t i o nh a sb e c o m em u c hm o r ei m p o r t a n t a san e wh a r m o n i ca n dd y n a m i c r e a c t i v ec o m p e n s a t i o nd e v i c e si n t r o d u c e di nt h e1 9 7 0 s ，c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp a s s i v e l cf i l t e r , a p f ( a c t i v ep o w e r f i l t e r ) h a st h ea d v a n t a g e so ff a s tr e s p o n s e , g o o dc o m p e n s a t i o n a n dd y n a m i cc o m p e n s a t i o n w i t ht h er e s e a r c ho f p a r a l l e lv o l m g ea p f , t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l ya n a l y s i st h ep r i n c i p l e o ft h ep a r a l l e lv o l t a g ea p f t h ec o m p e n s a t i o np r o p e r t i e se n do t h e ri s s u e s m o r e o v e r , w e d e e p l ys t u d yt h ep - qm e t h o db a s e do nt 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 ya n dt h e i m p r o v e dh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o ni p - i qm e t h o db a s e do nt h ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r t h e o r y c o n s i d e r i n gt ot h ep a r a l l e lt h et r i a n g u l a rw a v ec a r r i e rl i n e a rc o n t r o lo fa p fa n dt h e c u r r e n th y s t e r e s i st r a c k i n gc o n t r o l ，w ei n t r o d u c tt h ed cv o l t a g ef e e d b a c kc o n t r o lt a c h et o e n s b r et h a tt h ea p fh a sag o o dc o m p e n s a t i o na n df o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s t h r o u g h t h e o r e t i c a la n a l y s i s , w ea l s oc o m p a r et h e i rc h a r a c t e r i s t i c sr e s p e c t i v e l y b a s e do nt h e a b o v ea m d y s i s , w es t u d ya n dd e s i g nt h em a i nc i r c u i tp a r a m e t e r so fa p f a n dt h eh a r d w a r ec o n t r o l l e rc i r c u i to ft m s 3 2 0 f 2 8 1 2c h i pw i t ht h ec o r eo fh a r d w a r e t h e h a r d w a r ec i r c u i ti n c l u d e s ：c u r r e n ta c q u i s i t i o nc i r c u i t ，v o l t a g ec o n d i t i o n i n gc i r c u i ta n ds i g n a l s a m p l i n gc i r c u i t w i t ht h eh e l po fm a t l a b 。t h em o d e ls i m u l a t i o n sa r ed e s i g n e db a s e do n t h ep a r a l l e la p fa l g o r i t h m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wm a tt h eh a r m o n i cc u r r e n t sp l a yar o l ei n b e t t e rc o m p e n s a t i o na n dt h ec o m p e n s a t i o nh a sg o o dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s i nc c s s 0 1 , a r e , t h ed a t ac o l l e c t i o np r o c e s sa n dh a r m o n i cc u r r e n tw a v ed e t e c t i o na l g o r i t h ma ” p r e p a r e da n ds a t i s f a c t o r yr e s u l t sh a v eb e e na c l g e v e d k e y w o r d s ：h a n n o n i cc u r r e n t ，i 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 , d s p , a c t i v ep o w e r f i l t e r 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：i 簦：! ：窆加缉阳日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：隆! 虚 加绰7 月 硕i ：论文基于d s p 的并联柯源i u 力滤波器的研究 1 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着电力电子技术的迅速发展，家用电器和电力电子器件等非线性负载得到了广泛 应用，产生的谐波对电网的影响和危害日益严重。由谐波引起的各种故障和事故不断发 生，对国民经济、生产和生活造成了不必要的损失。谐波抑制与无功补偿等技术，已成 为世界各国的研究热点，引起人们的广泛关注。 理想的公用电网所提供的电压应该是频率固定并且电压幅值在规定的范围内的正弦 波。但是实际电网中由于非线性负载的大量使用，不仅使得负载电流非正弦，同时使得 负载端电压畸变从而使得电网中产生谐波电压。谐波对电力系统电磁环境的污染将危害 系统本身及广大的电力用户【l 】，主要表现在下列这些方面： ( 1 ) 消耗无功，增加附加损耗，增加设备的升温。由于趋肤效应的存在，尽管谐波 电流占总电流的比例很小，也会增加设备的附加损耗，这些损耗不仅增加电力系统的损 耗，还使设备温升增加，加速设备老化。 ( 2 ) 引起设备过载，恶化绝缘条件，缩短设备寿命 。( 3 ) 降低负载工作性能。如谐波电流和电机旋转磁场的相互作用产生的脉动转矩会 使电机发生机械振动，这种振动会损坏电机设备，甚至危及人身安全。 ( 4 ) 对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰及造成误动作。因为保护和控制 设备通常是为所加电压和电流为工频和正弦波形而设计的，所以谐波的存在会影响它们 的工作特性，严重时会引起误动作。 ( 5 ) 影响测量仪器的精度，造成电能计量误差。电力测量仪表一般是按照工频正弦 波而设计的，当有谐波时将产生误差。 ( 6 ) 对邻近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量，严重时将导致信 息丢失，使通信系统无法正常工作。 由此可见，谐波研究和治理是摆在我国电力工作者面前的一个重要任务。目前，电 力系统的谐波问题在世界范围内已经引起了十分广泛的关注，谐波的管理、分析和治理 被摆到十分重要的位置。谐波问题涉及面广，它包括谐波分析、谐波检测、谐波抑制等。 有效的控制谐波，已成为保证电网安全经济运行、高质量供电必不可少的措施之一。 由于现代工业、商业及居民用户的用电设备对电网供电质量的要求越来越高，因此， 对谐波抑制和谐波补偿装置研究是一个热点。电能质量将直接影响到国民经济的总体效 益。对于我国来说，实时、准确，有效地对谐波污染进行治理己成为国内外电工领域迫 切需要解决的重要课题之一【2 捌。 i 绪论硕_ j j 论文 1 2 目前国内外研究动态及发展 1 2 1 谐波问题及研究现状 1 9 世纪末，当交流电以一种新兴的形式出现时，人们就发现了电压、电流的波形 畸变问题，并同时对波形畸变的原理和消除方法进行研究。电力系统的谐波问题在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 a d 发表的有关变流器谐波的论文是早期 有关谐波问题研究的经典论文。 到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大量论文。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、商业、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1 4 引。 电力谐波的研究，已经超过了电力系统的范畴，渗透到了电工理论、电力电子学、 数字信号处理、计算技术、系统仿真、控制理论与控制技术等其它学术领域，并己形成 其特有的理论体系、分析研究方法、控制与治理技术。从1 9 8 4 年开始，每两年召开一 次的电力系统国际谐波会议( i c h p s ) 为这个领域的国际交流提供了直接的渠道，推动 着谐波研究工作的深入开展。 1 2 2 国家谐波电流主要指标和国家电能质量标准 谐波主要由谐波电流源产生：当正弦电压施加于非线性设备时，设备吸收的电流与 施加的电压波形不同，电流因而发生了畸变，由于负荷与电网相连，故谐波电流注入到 电网中，这些设备就成了电力系统的谐波源。电力系统中的谐波是指频率为基波频率整 数倍的正弦波。由于电力谐波产生和传播的机理不同于基波，因此它对电力中各类设备 和组件也起到不同于基波的作用。 为了定量表示电力系统正弦波形的畸变程度，采用以各次谐波含量及谐波总量大小 表示谐波波形畸变指标睁7 】： ( 1 ) 第h 次谐波电流含有率h r 。 2 h r h = 舞灯o o c 蚴 n2 - ) 式中：，。第h 次谐波电流； 基波电流； 硕1 ：论义 綦于d s p 的并联仃源q j , j j 滤波器的研究 ( 2 ) 谐波电流含量厶 驴融，2 ( 1 2 2 ) ( 3 ) 电流总谐波畸变率t h d ， 脚，= 等灯o o ( ) 2 3 ， ( 4 ) 注入p c c ( 谐波畸变的测试点) 的谐波电流限值j 。 c j = 孚i p ( 1 2 4 ) ) k 2 式中：s “p c c 点的最小短路容量； s 。，基准短路容量； ，幻第h 次谐波电流允许值； j 。短路容量s 。时的第h 次谐波电流允许值。 为了避免谐波的危害，保持高的电能质量，不少国家和组织制定了限制用电设备谐 波的国家标准或规定。在这些标准中，被广泛接受的有i e e e 6 0 5 1 9 标准和i e c 6 0 5 5 5 - 2 标准。i e e e 6 0 5 1 9 于1 9 8 1 年制定，并于1 9 9 2 年进行了修订吼该标准是从电网的角度 来对公共接点的电压和电流的波形畸变进行限制。i e c 6 0 5 5 5 2 标准对负载产生的谐波 进行限制，使负载注入电网的谐波在规定的范围内。i e c 6 0 5 5 5 - 2 标准于1 9 8 2 年制定， 在1 9 9 5 修订，修订后的标准为i e c 6 1 0 0 0 - 3 - 2 。 我国谐波标准g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量一公用电网谐波是在总结执行d s l 2 6 - 8 4 电 力系统谐波管理暂行规定的经验，结合国情，吸取国外谐波标准研究成果的基础上提 出的。本标准适用于交流额定频率为5 0 h z 、标称电压l l o k v 及以下的公用电网，不适 用于暂态现象和短时间电流。电网公共接点的全部用户向该电注入的谐波电流分量( 方 均根值) 不应超过表1 2 1 中规定值【9 1 。 3 1 绪论顾：j ：论文 表1 2 1 注入公共连接点的谐波电流允许值 标准基准短路谐波次数及电流允：值a 电压容量 2 3 4567891 01 1 k vm v a o 3 81 07 86 23 96 22 64 41 92 11 62 8 61 0 04 33 4 2 1 3 4 1 4 2 4 1 1 1 18 51 6 1 01 0 0 2 62 01 32 08 51 56 4 6 8 5 1 9 3 3 52 5 01 51 27 71 25 18 83 84 13 15 6 6 65 0 01 61 38 11 35 49 34 14 33 35 9 1 1 07 5 01 29 66 o9 64 06 83 o3 22 44 3 表1 2 1 ( 续) 谐波次数及电流允许值a 1 2 1 31 41 51 61 71 81 92 02 12 22 32 42 5 1 32 41 11 29 71 88 61 67 88 97 11 46 51 2 7 11 36 16 85 31 04 79 o4 34 93 97 43 66 8 4 37 93 74 13 26 ：02 85 42 62 92 34 52 14 1 2 64 72 2 2 5 1 9 3 6 1 7 3 21 51 81 42 71 32 5 2 75 02 32 62 0 3 8 1 83 4 1 61 91 52 81 42 6 2 o3 71 71 9 _ 重52 8 1 3 2 51 21 41 1 2 1 1 o1 9 1 3 谐波的治理及措施 谐波治理的措施主要有两种：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，这只适用于作为主要谐波源的电力电子装置；二是被 动治理，即外加滤波器，吸收谐波源注入电网的谐波，或者阻碍电力系统的谐波流入负 载端，这种方法对各种谐波源都适用。 传统的抑制高次谐波的方法，是使用l c 无源电力滤波器，一般是根据谐振原理来 工作。它具有结构简单、一次性投入低、运行费用低，它在很宽的频率范围内呈现为低 阻抗，可以抑制多个频率的谐波。在吸收高次谐波的同时补偿无功功率，还具有改善负 载功率因数的功能。但由于结构原理上的原因，在应用中存在以下难以克服的缺点【i o l ： ( 1 ) 由于调谐偏移和残余电阻的存在，调谐滤波器的阻抗等于零的理想条件是不可能 出现的，阻抗的变化大大妨碍了滤波效果，并且还存在滤波器过负荷的可能性。 ( 2 ) 只能抑制设计要求规定的谐波成分。有时由于高次谐波的成分较多，必须同时加 入多个滤波器。这会使整个滤波器的成本和体积增加。 4 顾：l ：论文批十d s p 的并联仃源i b 力滤波器的研究 ( 3 ) 随着谐波源的增加，谐波电流超量时，可能会引起滤波器的过负荷。 ( 4 ) 根据高次谐波次数的多少，需设置多个l c 滤波电路，并且当滤波器投入运行之 后，如果高次谐波的次数和大小发生了变化，便会影响滤波效果。 ( 5 ) 其谐波特性受电网结构、工作状态和电源频率漂移影响很大，难以获得预期的滤 波效果。 ( 6 ) 同一系统内，在装有很多滤波器的情况下，欲取得高次谐波流入的平衡是很困难 的。 ( 7 ) l c 滤波器电路会因系统阻抗参数变化而发生与系统并联谐振问题，从而使装置 无法运行。 ( 8 ) 对于特殊的谐波或当系统阻抗和频率变化时，有可能因与电源阻抗并联谐振而产 生“谐波放大现象”，使电路无法正常工作。 ( 9 ) 消耗大量的有色金属，体积大，占地面积大。 由于无源滤波装置存在许多缺点和不足，为了解决这些问题，人们做了许多研究和 探讨，其中最有代表意义的是有源电力滤波器。有源电力滤波器是一种动态抑制谐波和 补偿无功的新型电力电子装置，它能对频率和大小都变化的谐波和无功进行补偿，可以 弥补无源滤波器的不足，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的补偿谐波装 置，它是目前电力电子技术领域研究热点课题之一。 1 4 有源电力滤波器的发展现状和研究趋势 1 4 1 有源电力滤波器的研究现状 有源电力滤波器的发展最早可以追溯到2 0 世纪6 0 年代末。1 9 6 9 年b m b i r d 和 j f m a r s h 在其发表的论文中，描述了通过向交流电网中注入三次谐波电流来减少电源 电流中的谐波成分，从而改善电源电流波形的新方法。虽然文中没有有源电力滤波器一 词，但其描述的方法是有源电力滤波器的基本思想的萌芽。 1 9 7 1 年，h s a s a k i 和t m a c h i d a 在论文中首次完整地描述了有源电力滤波器的基 本原理。但是由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流，损耗大，成本高，因而仅 在实验室中研究，没能在工业中实用。1 9 7 6 年，l g y u g y i 等人提出了采用p w m 控制 变流器构成的有源电力滤波器，确立了有源电力滤波器的概念，主电路的基本拓扑结构 和控制方法。从原理上看，p w l d 变流器是一种理想的补偿电流发生器，但由于当时电力 电子技术的发展水平有限，全控型器件功率小、频率低，因而有源电力滤波器还只限于 实验研究。 进入8 0 年代，随着电力电子技术以及p w m 控制技术的发展，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。这一时期的一个重大突破 5 i 绪论f o i 二i ：论文 是1 9 8 3 年赤目泰文( h a k a g i ) 等人提出了“- - , f l 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【l 。同时，大功率全控器件的不断发展和成熟、p w m 调制技术 的不断进步和大规模集成电路的飞速发展，使得有源电力滤波器从理论和实验研究进入 到了广泛实用的阶段。 1 4 2 有源电力滤波器的发展趋势 有源电力滤波器经过多年的发展，技术日益成熟，其主电路拓扑结构和控制方法发 生了很大的变化，但都是根据对偶原理或通过混合逐步演变而来的。所以，存在对a p f 的一般性定义：将系统中所含的有害电流( 高次谐波电流、无功电流及零序负序电流) 检测出来，并产生与其反相的补偿电流，以抵消输电线路中的有害电流的电力变换装置。 有源滤波作为改善供电质量的一项重要技术，在同本、欧洲、美国等工业化国家已 得到高度重视和日益广泛应用【1 2 】，从应用的情况来看，其发展趋势如下： ( 1 ) 谐波电流检测方法和控制策略的进一步研究。 ( 2 ) 补偿装置的数字化、智能化和多功能化，提高系统集成度和可靠性，增加滤 波器功能，。使其除能补偿谐波电流外，还能够抑制电压闪变以及电压不平衡等，具备综 合补偿功能。 ( 3 ) 通过p w m 调制和提高丌关器件的等效开关频率实现对高次谐波的有效补偿。 ( 4 ) 提出新的拓扑结构，提高有源滤波系统补偿性能，降低有源滤波器的成本， 提高效率。 1 5 本文的主要工作 通过查阅大量的国内外文献资料，对并联有源电力滤波器的谐波电流检测方法、控 制策略、系统结构、滤波原理及软硬件实现方法进行了深入的研究，并建立了仿真模型 进行了仿真分析，验证了系统的正确性。 本课题的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 。对谐波与无功功率的产生机理、有源电力滤波器的发展历史、国内外研究现状 及发展趋势做综合性调研，在此基础上研讨有源电力滤波器的基本原理、分类、不同类 型有源电力滤波器的系统构成、有源电力滤波器的控制方法和主电路形式，通过比对总 结出各种方式的优缺点和适用性。 ( 2 ) 研究了有源电力滤波器的谐波检测方法和控制策略，论文对三相电力系统中基 于瞬时无功功率理论的谐波与无功电流检测方法( p 日检测法，i 。一乞检测法) 进行研 究。在此基础上，研讨了三角载波控制、电流滞环比较控制等控制方法，总结出各种方 式的优缺点和适用性。并对直流侧电压的控制进行了研究分析。 6 硕i - 论义撼于d s p 的并联自源i 也力滤波器的研究 ( 3 ) 建立了三相并联型有源电力滤波器系统的数学模型，运用m a t l a b 软件对建立 的模型进行了仿真分析，论证了论文中所提谐波检测方法和补偿电流控制策略的可行性 和正确性。 ( 4 ) 根据系统的性能要求和t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的工作特性，完成了部分硬件电路设计。 在d s p 芯片上编程实现控制器的各种功能，并在c c s 环境中进行调试，结合仿真器进行 仿真，验证了程序的正确性。 2 有源i 【l 力滤波器的原理及j e 拓扑结构颁二i ：论文 2 有源电力滤波器的原理及其拓扑结构 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，它能对 大小和频率都变化的谐波以及无功进行补偿。其应用可克服l c 滤波器等传统谐波抑制 和无功补偿方法的缺点。本章首先介绍有源电力滤波器的基本工作原理和特点，然后介 绍各种类型有源电力滤波器的结构、原理、特点及应用。 下面介绍有源电力滤波器的基本原理。 图2 1 1 所示为最基本的有源电力滤波器系统构成的原理图【3 】，图中，负载为谐波 源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统主要由三大部分组成，即指令电流运 算电路、电流跟踪控制电路和补偿电流发生电路。指令电流运算电路的核心是检测出补 偿对象电流中的谐波和无功等电流分量，因此有时也称之为谐波和无功电流检测电路； 电流跟踪控制电路是对检测出来的谐波或无功电流进行控制；补偿电流发生电路的作用 是根据电流跟踪控制电路得出的控制信号，产生实际的补偿电流。 l 交流电网 ，s l 负载 嘭 1r 畸变电流 发生器控l屯路卜_l 检测电路 图2 1 1 有源电力滤波器的系统构成 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 毛的谐波分量么，将其作为补偿电流的指令信号，由补偿电流发生电路产生的补偿电 流即与负载电流中的谐波分量也大小相等，极性相反，因而两者互相抵消，使得电 源电流f 。中只含基波不含谐波。这样就达到了抑制电源电流中谐波的目的。 上述原理可用如下的一组公式描述： b = 乙一z c ( 2 1 1 ) k = k + ( 2 1 2 ) z c = z 肭 ( 2 1 3 ) 硕1 ：论文恭于d s p 的并联仃源i u 力滤波器的研究 。 k = 2 l z c = t l f ，14 ) 式( 2 1 2 ) 中。是负载的基波电流，f ，。是谐波电流。 主电路采用p w m 变流器，作为主电路的p w m 变流器，在产生补偿电流时，主要作 为逆变器工作，因此，有的文献中将其称为逆变器。但它并不仅仅是作为逆变器而工作 的，如在电网向有源电力滤波器直流侧贮能元件充电时，它就作为整流器工作。也就是 说，它既工作于逆变状态、也工作于整流状态，且两种工作状态无法严格区分。因此， 称之为变流器。 如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，补偿负载的无功功率，则只要在补偿 电流的指令信号中增加负载电流的基波无功分量的成分即可。这样，补偿电流与负载电 流中的谐波及无功成分相抵消，电源电流等于负载电流的基波有功分量。 有源电力滤波器与传统无源滤波器相比有如下特点： ( 1 ) 滤波性能不受系统阻抗的影响： ( 2 ) 不会与系统阻抗发生串联或并联谐振； ( 3 ) 一台装置能完成对各次谐波的治理； ( 4 ) 实现了动态治理，能够迅速响应谐波的频率和幅值发生的变化； ( 5 ) 由于装置本身设计了输出功率限制，因此即使谐波含量增大也不会过载； ( 6 ) 具备多种补偿功能，可以对无功功率和负序分量进行补偿； ( 7 ) 谐波补偿特性不受电网频率变化的影响； ( 8 ) 可以对多个谐波源进行集中治理； 2 2 有源电力滤波器的结构 无论有源电力滤波器的结构如何复杂，它都由几个共同的部分构成，即谐波检测环 节、控制系统以及主电路三个主要部分【1 3 1 。 1 谐波检测 谐波检测是有源电力滤波器非常重要的一环，因为只有检测到谐波才能进行合理的 补偿，谐波检测环节给出有源滤波器需要补偿的参考值，控制系统根据参考值产生相应 的脉冲，控制有源滤波器产生补偿电流或电压跟踪补偿值，起到补偿的效果。检测的方 法有很多种，其中最为普遍的是基于瞬时无功理论以及其衍生谐波检测方法。 谐波检测一般都是先经过电压、电流传感器把所要检测电压、电流信号转换成合适 的电压、电流信号。这里用到的传感器不同于一般的电力测量的传感器，有源电力滤波 器所用到的传感器要求能测量出电压与电流分量，要求有很小的信号延迟，否则在控制 过程中装置的性能可能难以达到要求。检测到的电压或电流信号一般还要经过适当的滤 波与放大。因为在现实的条件下传感器转换总会存在一定的高频噪声，因此般都要对 9 2 行源l 也力滤波器的坂理及】e 拓扑结构 烦j ：论文 传感器的输出信号进行一定的滤波处理。有源电力滤波器对谐波信号延迟十分敏感，这 个预处理过程对有源滤波器效果有很大影响，处理不当甚至会导致滤波器不能发挥应有 的作用。 2 控制系统 有源电力滤波器的控制系统及选用的控制算法是其滤波效果好坏的关键。有源滤波 器的控制系统一般由两个部分组成，即控制算法部分和触发脉冲产生部分。有源滤波器 的控制系统可以分为模拟控制系统、数字控制系统及数字模拟混合控制系统三类。早期 的控制系统多为模拟系统，近年来随着微电子技术的快速发展，各种数字处理芯片的性 能大大提高，因此有源电力滤波器的控制系统逐步由模拟控制系统转化为模拟数字控制 系统及纯数字控制系统。 3 主电路 有源电力滤波器的主电路多种多样，有很多种分类方法【1 4 】。按照电力系统的需要分 为三相三线制和三相四线制两种结构，在这两种结构中又有许多其他的结构。按主电路 的电平结构来分，可分为单电平和多电平。采用多电平结构的主电路可以提高逆变器的 输出等级，常用的有三电平、五电平甚至更高。 2 3 有源电力滤波器的分类 有源电力滤波器可以按照主电路使用的变流电路类型、拓扑结构和电源相数来分 类。按变流器类型分为电流型和电压型：按拓扑结构可分为并联型、串联型和串、并联 混合型；按电源相数可分为：单相、三相三线、兰相四线等。 2 3 1 按使用的变流器类型分类 有源电力滤波器的主电路主要有两种类型【15 1 。即电流型p w m 变流电路和电压型 p w m 变流电路。它们的主要区别是直流侧的储能元件不同。电压型p w m 变流器在它 的直流侧有一个大电容，其结构如图2 3 1 。它的作用是产生电流来补偿非线性负荷产 生的谐波电流，由于其轻便且特性较好，所以应用较为广泛。电流型有源电力滤波器它 的直流侧储能元件是大电感，它具有较高的可靠性，但却有较高的损耗，因此在一般场 合下使用较少，其结构如图2 3 2 所示。 1 0 硕+ i ：论文基于d s p 的并联有源l u 力滤波器的研究 口 b c 口 6 e 图2 3 1 电压源型有源滤波器图2 3 2 电流源型有源滤波器 在大容量时，电压型有源电力滤波器的电容型储能元件的体积和成本随补偿器视在 功率的增大而显著增加，电流型有源电力滤波器的电感型储能元件的体积和成本随补偿 器视在功率的增加变化不大。所以电压型有源电力滤波器主要适用于低压配电系统中进 行无功和谐波补偿，电流型有源电力滤波器则可用于高压供电系统的无功和谐波补偿。 2 3 2 按拓扑结构分类 最早的有源电力滤波器为单独使用的并联型有源电力滤波器，经过多年的发展，为 尽量发挥有源电力滤波器的特长、提高其性能，提出了串联型有源电力滤波器、串联混 合型有源电力滤波器、并联混合型有源电力滤波器等。根据有源电力滤波器接入电网的 方式不同，将其系统构成分为串联型、并联型和混合型三大类1 0 1 。它们又分别包括不同 的类型，具体划分如图2 3 3 。每一种类型的有源电力滤波器结构不同，因而其工作原 理和特性也各不相同。 ，单独使用方式 lr 与无源滤波器并联 i 并联混合型 l【与无源滤波器串联 f ，并联型弋r 串联谐振式 il 注入回路方式1 并联谐振式 1i 与旋转电机 有源电力l 混合使用 滤波器， 1i 单独使用方式 l 串联型_ 串联混合型 l l 统一电能质量 调节器 图2 3 3 有源电力滤波器的分类 2 有源i u 力滤波器的原理及) e 拓扑结构 顾j ：论文 2 3 2 1 并联型有源电力滤波器 并联型有源电力滤波器是使用最广泛的一种滤波器形式，包括单独使用方式、与无 源滤波器混合使用方式、注入方式、与旋转电机并用等多种方式【1 6 】。 ( 1 ) 单独使用并联型有源电力滤波器 圈2 3 4 单独使_ i = l j 的并联型有源电力滤波器 单独使用的并联有源电力滤波器原理如图2 3 4 ，负载为产生谐波的谐波源，变流 器和与其相连的电感、直流侧贮能元件电容共同组成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一阶高通滤波器，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。又由于其补偿 电流基本上由有源电力滤波器提供，为与其他方式相区别，称之为单独使用的方式。这 是有源电力滤波器中最基本的形式，也是目前应用最多的一种。 这种方式可用于： 只补偿谐波； 只补偿无功功率； 补偿三相不对称电流； 补偿供电点电压波动； 以上任意项的组合； 在这种方式中，只要采用适当的控制方法就可以达到多种补偿的目的，它可以实现 的功能最为丰富灵活。但是，由于交流电源的基波电压直接或经变压器施加到变流器上， 且补偿电流基本由变流器提供，故要求变流器具有较大的容量，这是这种方式的主要缺 点。 ( 2 ) 与无源滤波器混合使用方式 这种方式正是为克服上一种方式要求容量较大这一缺点而提出的。其基本思想是利 用无源滤波器来分担有源电力滤波器的部分补偿任务。由于无源滤波器与有源电力滤波 器相比，其优点在于结构简单、易实现成本低，而有源电力滤波器的优点是补偿性能好。 1 2 顾l ：论文綦于d s p 的并联有源i u 力滤i ! j f 器的硼究 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，又可使整个系统 获得良好的性能。并联型有源电力滤波器与无源滤波器混合使用的方式又可以分为两 种。一种是有源电力滤波器与无源滤波器并联，其结构如图2 3 5 ；另一种是有源电力 滤波器与无源滤波器串联，其结构如图2 3 6 。 - 一 图2 3 5 有源滤波器与l c 滤波器并联方式 工 图2 3 6 有源滤波器与l c 滤波器串联方式 从理论上讲，凡使用l c 滤波器均存在与电网阻抗发生谐振的可能，因此在有源电 力滤波器与l c 滤波器混合使用的方式中，需对有源电力滤波器进行有效的控制，以抑 制可能发生的谐振。 ( 3 ) 注入电路方式 这是为降低有源电力滤波器容量而提出的又一种方式，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。注入电路方式正是用电感和电容构成注入回路，利用电 感电容电路的谐振特性，使得有源电力滤波器只需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。 在注入电路方式中，为保证补偿电流流入电网与负载的连接处，需合理配置注入电 路中的几个电感、电容的参数。根据电感电容电路谐振性的不同，注入电路方式又分为 l c 串联谐振注入电路方式和l c 并联谐振注入电路方式两种。 图2 3 7 所示为l c 串联谐振注入电路方式的系统构成原理图，其中c ，一l 在电源 电压的基波频率处发生串联谐振，基波电压绝大部分降落在电容g 上。这样，有源电 力滤波器只需承受其余的很小一部分基波电压。电容g 还可以起到无功补偿的作用。 图2 3 8 所示为l c 并联谐振注入电路方式的系统构成原理图。在有源电力滤波器和电 网之间串入在基波频率处谐振的厶一c 回路，基波电压绝大部份加在该谐振电路上，有 源电力滤波器与厶一样只承受其余很小的一部分的基波电压。该方式还有一个好处是 只有很小的基波电流流过厶一c 及厶。 2 有源i 乜力滤波器的原理及】e 拓扑结构硕i 二论义 c 1 c 2 ， l 图2 3 7l c 串联谐振注入方式 图2 3 8l c 并联谐振注入方式 ( 4 ) 与旋转电机并用方式 采用了与绕线转子异步电功机构造相同的旋转电机，通过控制转子侧所接的逆变器 来控制电机的励磁电流，从而向电网中注入补偿电流。这种方式的特点也是可以减小变 流器的容量。 2 3 2 2 串联型有源电力滤波器 串联型有源电力滤波器包括单独使用方式和与l c 滤波器混合使用方式两种。 ( 1 ) 单独使用的串联型有源电力滤波器 图2 3 9 是单独使用的串联型有源电力滤波器的原理图。这种方式的特点是有源电 力滤波器作为电压源串联在电源和谐波源之间【1 7 1 。 串联型有源电力滤波器与并联型有源电力滤波器不同，主要用于补偿可看作电压源 的谐波源。电压谐波源的一个典型例子是电容滤波型整流电路，这种整流电路从交流侧 可被看作电压源。针对这种谐波源，串联型有源电力滤波器输出补偿电压，抵消由负载 产生的谐波电压，使供电点电压波形成为正弦波。串联型与并联型可以看作是对偶的关 系。 1 4 2 3 9 单独使用的串联型有源电力滤波器 1 i l l i i l i l j 硕i ：论文基于d s p 的并联有源l u 力滤波器的研宄 ( 2 ) 与l c 滤波器混合使用方式 这种方式是在并联的负载和l c 滤波器与电源之间串入有源电力滤波器，其结构如 图2 3 1 0 。谐波基本上由l c 滤波器补偿，而有源电力滤波器的作用是改善l c 滤波器 的滤波特性。可将有源电力滤波器看作一个可变阻抗，它对基波的阻抗为零，对谐波却 呈现高阻抗，阻止谐波电流流入电网，而迫使谐波电流流入l c 滤波器。换言之，有源 电力滤波器起到了谐波隔离器的作用。这样还可抑制电网阻抗对l c 滤波器的影响，以 及抑制电网与l c 滤波器之间可能发生的谐振，从而极大地改善l c 滤波器的性能。 c r 回 图2 3 1 0 与l c 滤波器混合使用方式 2 3 2 3 统一电能质量调节器 1 9 9 8 年日本学者h k a g i 首次提出了统一电能质量调节器( u n i f i e dp o w e rq u a l i t y c o n d i t i o n e r ) 的概念【l8 1 。在这种系统中一个并联型有源电力滤波器和一个串联型有源电 力滤波器通过公共的直流母线组合在一起，就可以同时使几种电能质量功能得到改善。 串联有源电力滤波器起到补偿电压谐波、消除系统不平衡、调节电压波动或闪变以及改 善配电网的稳定性或阻尼振荡的作用；并联变流器起到补偿电流谐波与不平衡、补偿无 功、调节变流器直流侧电压的作用，被认为是最理想的有源滤波器的结构。但这种结构 比较复杂、成本比较高、控制困难，需要进一步的研究，提高实用性。 2 4 本章小结 本章对有源电力滤波器的工作原理进行了阐述，并在此基础上，从接入电源性质、 直流侧储能元件种类、接入电网方式等方面着手对有源电力滤波器进行了分类，并分析 了不同类型有源滤波器的结构、优缺点及用途。 3 有源i u 力滤波器的浙波检测及控制策略硕：l j 论文 3 有源电力滤波器的谐波检测及控制策略 在实际电网中，谐波源主要为电流型，所以这里主要研究应用最为广泛的并联电压 型有源电力滤波器。实际应用中，三相电路占多数，故主要研究适用于三相三线制系统 的情况。这里分析三相三线制并联电压型有源电力滤波器单独使用的方式，这种方式的 补偿电流基本上由有源电力滤波器提供，是有源电力滤波器最基本的形式，也是目前应 用最多的一种。这种方式中，只要采用适当的控制方法就可以达到多种补偿目的，它可 以实现的功能最为丰富灵活。 3 1 三相并联电压型有源电力滤波器的系统构成及数学模型 一+ kk 非 一 线1 z s 6_ + z ， 性 一k k 负 载 已：卜甚：卜吐 kz 西 k 厂 j 7 。l l t - 1 ii “ 肆卜母卜写卜 ：=：。 j - 一 t f1 r 1 n 嶂，审 q ， j 上。一 坌 f 。f 驱动l 乜路 硝五豇 谐波f 乜流 工 控制l 乜路检测l u 蹄 一 剑蔓= f + 呸 图3 1 1 有源电力滤波器的系统原理图 图3 1 1 所示为单独使用的并联型有源电力滤波器的系统原理图。由图可见，并联 型有源电力滤波器主要由谐波电流检测电路、补偿电流控制电路、驱动电路和电压型变 流器主电路组成。补偿电流是由主电路中的直流侧电容电压与交