【毕业学位论文】基于DSP的有源电力滤波器控制方法研究-检测技术与自动化装置

北京化工大学硕士学位论文基于圆月申请学位级别：硕士专业：检测技术与自动化装置指导教师：崔玉龙20080601摘要基于线性负载应用越来越广泛，对电网产生的污染问题也随之增大。传统的谐波抑制方法是使用无源滤波器，此种方法具有很大的弊端，其滤波效果受电力系统阻抗的影响较大，且只能消除特定次数的谐波，而有源电力滤波器(有良好的跟踪性能，不受系统阻抗影响，近几年得到越来越广泛的关注。本文首先阐述了有源电力滤波器的背景和发展现状，然后对有源电力滤波器的分类、控制方式和工作原理作了进一步的研究，并在比较了多种谐波电流检测方法之后，选择基于瞬时无功功率理论的ip源电力滤波器的控制系统是决定滤波器性能的关键，选择一种有效的补偿控制方法，才能使有源电力滤波器的实时性和动态补偿功能充分发挥。本文重点研究有源电力滤波器控制方法，在研究了目前国内外广泛应用的有源电力滤波器控制方法基础上，选择最有效的三种方法进行分析，分别是瞬时值比较法、三角波比较法和空间矢量控制法。针对这三种方法，本文使用B对每种方法进行了详细的仿真分析，仿真结果验证了各种方法的有效性，通过比较优缺点，结论是空间矢量法更易于数字化实现，而且对主电路开关器件的损耗最小，于是选择空间矢量法来学硕十研究生学位论文设计基于文对补偿控制电路完成了硬件设计，包括主电路功率器件的选择，直流侧电容的设计，交流侧电感的设计以及空间矢量控制法的具体实现方法。在理论分析和仿真研究的基础上，设计了基于制了实验样机，对并联型电力有源滤波器进行了初步的实验研究。实验结果表明，采用基于瞬时无功功率理论的确地补偿电网中的谐波电流。关键字：有源电力滤波器，空间矢量，谐波补偿，字信号处理N N of to to he to is to it is by of PF)of t on so is on PF in he of of ipiq on is 学硕十研究生学位论文of an an 1he on n of to be he of 墟a he of of as as of a it to SP，so on is Ihe of in as as of a he of on 01in in F)， 厦。AB 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名： 玉篁3鼠 一 日期： 鲤堡：j：!关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。作者签名： 丞重期：导师签名：崖竺坠 日期：劬g舀、占、1第一章绪论1，1课题研究的背景和意义111谐波产生的原因第一章绪论电力系统中的各种非线性元件是产生高次谐波的主要原因。按照非线性元件的类型，电力系统谐波源可以分为两大类1)含有半导体非线性元件的电力电子装置谐波源近年来，随着电力电子技术的发展，电力电子装置应用日益广泛，由此带来的谐波污染成为了电力系统中最严重、最突出的谐波源，是造成系统中谐波干扰最主要的因素。现代电力电子设备普遍采用非线性的二极管、晶闸管、些非线性器件使负荷电流严重畸变，产生大量的高次谐波。(2)含有电弧和铁磁非线性设备的谐波源在这一类设备中主要是指电弧炉、电机、变压器和交流电焊机等。电弧炉在工业冶炼中应用十分广泛，弧极不稳定，不但消耗大量的无功功率，它在工作是电极处于短路状态，由于电而且会产生大量的谐波电流，谐波频谱含量丰富。除产生谐波外还产生间谐波和造成电压闪变，而且电路实际运行十分复杂，随机性很大。112谐波对电力系统的危害近几十年来，各类电力电子装置的迅速普及，公共电网的谐波污染同趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的重视。谐波电压、谐波电流对电力系统的危害可以大致分以下几个方面：(1)大量的谐波降低了发电、输电及用电设备的使用效率，增加了系统中元件的附加谐波损耗。大量3次谐波流过中性线可能发生过热甚至烧坏中性线。(2)谐波影响各种电气设备的正常工作。高频的谐波分量在变压器和电机的铁芯中产生很大的涡流，这些涡流在铁芯中将会产生大量的热，增加磁场的附加损耗。谐波对电机和变压器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，使变压器局部过热。(3)谐波还会引起电力系统中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，增加附加损耗和发热，造成设备故障。(4)谐波会导致继电保护和自动装置误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。(5)谐波会对临近的通信系统产生干扰，或者产生噪声，降低通信质量，重者导北京化I：人学硕十研究生学位论文致信息丢失，使通信系统无法正常运行。谐波干扰会引起通信系统的噪声，降低通话的清晰度，严重时会引起信号的丢失。113谐波抑制的标准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【21。1131国际谐波标准目前，英国、瑞典、美国等国家都颁布了供电网谐波标准。国际电工委员会已于1988年正式出版了7技术委员会制定的家用电器和类似的电气设备对供电系统引起的干扰这一低压电工产品的标准(552)。1995年颁发了电磁兼容系列标准(000)。而在2000年前后布了新的电磁兼容标准C61000。国际谐波标准的具体技术指标如下：(1)电压总谐波畸变率各级电网的电压总谐波畸变率限制值，是限制电力系统谐波，保证电能质量的重要技术指标，所以许多国家的标准都对此作了规定。其大体如下：低压电网(15中压电网(24724；高压电网(8415。各国标准规定的低压和高压电网总谐波畸变率的限制值，是相当接近的。(2)各次谐波电压含有率英国、美国等国家的标准除规定了电压总谐波畸变率的限制值外，还对各次谐波电压含有率(分奇次和偶次)作了规定。(3)谐波电流的限制值谐波电压是谐波电流在电网阻抗上产生的，因此要控制谐波电压，即必须限制谐波源注入电网的谐波电流。1132国家标准由于公用电网中的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本身都会造成很大的危害，所以制定标准的基本原则是限制谐波源注入电网的谐波电流，把电网谐波电压控制在允许的范围内，从而保证电网以及电网中的电气设备免受谐波干扰。2第一章绪论我国原水利电力部于1984年根据国家经济委员会批准的全国供用电规则的规定，制定并发布了电力系统谐波管理暂行规定(4)。国家技术监督局于。电能质量公用电例谐波，该标准已从1994年3月1日起开始实施。于1998年发布了62511998低压电器及电子设备发出的谐波电流限值(设备每相输入电流16A)，该标准等效采用了00032的相关规定，但在标准名称及相关内容卜进行了适当的修改。以上标准主要有以下几个内容：(71)不同谐波源的谐波叠加计算(2)低压电网电压总谐波畸变率允许值(3)lO)用户注入电网的谐波电流允许值这些标准的发布为提高我国的电能质量水平起到了促进作用。不过，与国外的情况相比，我国在电能质量的控制管理、监控方面还处于探索阶段。但是电能质量已经引起了国家和众多方面的密切关注，电能质量监督已列入电力系统九大监督项目之一，因而对供用电质量的监测系统的研究将具有重人意义。1I4谐波治理方法1141主动谐波治理的措施(1)多相整流技术般是采用增加整流相数的方法，如采用十二相及十二相以上的多相整流电路。通过适当的控制，多相整流能大大减少输入输出电流中的谐波。但由于相控整流固有的工作方式以及整流相的增加受到许多限制，因而采用这种整流器的系统中仍然不可避免的存在较大的谐波电流，必须考虑另外的滤波措施加以解决。(2)脉宽调制整流技术14们的主要缺点是输入电流谐波分量较大，功率因数很低。脉宽调制(制技术是首先在直流斩波电路和逆变电路中发展起来的技术。随着(o、弦波逆变技术(经十分成熟，在交流变频调速、不间断电源中获得了非常广泛的应用。把逆变电路中的形成了3)有源功率因数校正器(触北京化I：人学硕f：研究生学何论文目前，单相有源功率因数校功率开关电源、不间断电源方面获得了广泛的应用。1142被动治理谐波的措施1无源滤波器F)或称为船称称由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置。它具有成本低、结构简单、技术成熟等优点，但存在以下难以克服的缺陷：(1)滤波器的设计大多针对特定频率的谐波，只能滤除特定次谐波，谐振频率依赖于元件参数，滤波性能不稳定；(2)滤波特性依赖于电网参数，而电网的阻抗和谐波频率随着电力系统的运行工况时时变化【5】因而3)电网阻抗与电网供电质量【64)电网阻抗与网中的某次谐波电压可能在5)体积大、损耗大。为解决无源滤波器的局限性，人们做了许多研究与探索，其中具有代表意义的为有源电力滤波技术。从目前国外的使用情况来看，利用有源电力滤波器进行谐波和无功补偿是今后的一个发展趋势。2有源电力滤波器源电力滤波器【7，8可以对于大小和频率都变化的谐波进行补偿，其应用可克服着电力电子技术水平的发展，有源滤波技术得到极大发展，在工业上己经进入实用阶段。近年来，国外己开始在工业和民用设备上广泛使用有源电力滤波器，并且单机装置容量逐步提高，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。12有源电力滤波器发展及研究历程121有源电力滤波器发展(1)有源电力滤波器的发展最早可以追溯到20世纪60年代术(1969年)BM1。文中描述了通过向交流电网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。该文虽出现有源电力滤波器一词，但其描述的方法是有源电力滤波器基本思想的萌芽，可以被认为是有源电力滤波器思想的诞生。(2)1971年，H次完整的描述了有源电力滤波器的基本原理【是由于当时是采用线性放大方法产生补偿电流，损耗大、成本高，因而仅在实验室中研究，未能在工业中应用。(3)1976年美国西屋电气公司的制的有源电力滤波器确定了主电路基本拓扑结构和控制方法，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，并讨论了实现方法和相应的控制原理，奠定了有源电力滤波器的基础【11】。但是由于电力电子技术发展水平还不高，全控型器件功率小、频率低，而有源电力滤波器仍局限于实验研究。4)进入20世纪80年代以来，新型电力半导体器件的出现，其是1983年日本长岗科技大学l【人提出了“三相电路瞬时无功功率理论(1，又称为“p“以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在三相有源电力滤波器中得到了成功的应用，极大促进了有源电力滤波器的发展。目前，三相电路瞬时无功功率理论被认为是有源电力滤波器主要理论基础之一【12】。(5)1986年，一台900于6600k988年，彭方正等人提出了串联混合有源部分容量占负载容量的比值相比于并联3】。从此到90年代中期，且不断投入实际应用，许多商家甚至有了系列化产品。这一时期，出大量的新型拓扑，力图降低展闪变抑制(消除)、不平衡补偿等；谐波提取方法丰富与完善；系统模型的建立以研究字控制。(6)从90年代中期至今，经网络算法、小波变换、遗传算法、滑模变结构等新型的参考信号提取方法和控制方法，以及新型数字控制器(如数字信号处理器)的采用。122有源电力滤波器研究现状1221国外研究现状过十多年的发展，特别是在瞬时无北京化I：人学硕十研究生学位论文功功率理论提出，有源滤波器才进入实际应用阶段。上世纪90年代之后，有源滤波器为抑制电网谐波、改善供电质量的一项重要技术，在日本、美国、德国等工业发达国家已得到了高度重视和日益广泛的应用。目前世界上国西屋电气公司、瑞士国西门子公司等。1983年，70991年，日本三菱电机公司在日本犬山开关站投入了1540之又研制了201981年以来，日本已有1000多台有源滤波器投入市场。有源电力滤波器的容量越来越宽，从50 K能也越来越丰富，除补偿谐波电流外，还可补偿基波无功、平衡三相电压、抑制电压闪变等功能。例如：将由5于抑制谐波。由三个弹头”列车供电的某电站，用于补偿无功电流和负序电流，抑制电压闪变和三相电压不平衡。有源电力滤波器己广泛应用于工业、商业和机关团体的配电网中，如：电弧炉、变频调速装置、电气化铁路、电信电源系统、证券交易供电系统、机场港口备用电源、医疗成像系统、高层建筑、电机组、精密电子企业、电解电镀企业、石化企业等114J。1222国内研究现状与国外广泛应用相比，我国有源滤波技术还处在研究试验阶段。一些高等院校、科研院所以及少数公司相继开展关于西安交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学、华北电力大学、中国电力科学研究院等。但是大多数处于仿真和小容量实验室样机研究阶段。哈尔滨工业大学电力电子研究所与其他单位合作完成了00功功率的单位)广义电力有源滤波器，西安交通大学已经研制出120K(视在功率的单位)并联型有源滤波器的试验样机。目前设备运行取得了圆满成功，已进入试运行阶段。同时利用多重化技术西安电子科技大学已成功地将一台120业上只有少数几台样机投入运行，电压等级低，滤波器容量小，而且滤波补偿效果还不尽人意，距离工业应用产品要求尚有一定距离。目前，国内从事有源滤波器研究和生产的企业主要有，上海宝钢安大电能质量有限公司、深圳波宏电力铝箔设备公司、南海市樱花电气有限公司、西安塞博电子有限公司等。有些公司代理国外有源滤波器产品，如上海伙伴技术咨询公司代理美国圳市龙源电气有限公司代理圳市科雷特电子有限公司代理诺基亚5J。6第一章绪论123有源电力滤波器数字化研究趋势关于有源电力滤波器技术的研究目前主要集中在以下几个方面121=(1)谐波抑制理论的进一步研究；(2)进一步降低补偿装置相对于负载(谐波源)装置的容量；(3)控制系统的进一步简化；(4)补偿装置的多功能化。有源电力滤波器对谐波检测分离和系统控制的实时性有非常高的要求，一般单片机微处理器的速度难以满足实时要求，故以前较多采用硬件模拟电路实现。但模拟器件可靠性不高，零漂较大，使系统性能变差。随着电子技术特别是数字信号处理器(术的发展，字信号处理器是一种适合进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。它在20世纪80年代初诞生以来就发展迅速，在通信、信息处理、雷达等许多领域得到广泛地使用。它采用了哈佛结构、专用的硬件乘法器、特殊的大提高了其处理速度。在全可以满足此，。3有源滤波器控制方法研究现状目前，有源电力滤波器控制方法主要有以下几种：1瞬时值比较法瞬时值比较法是主要包括采用滞环比较器和定时控制的瞬时值比较法两种。采用滞环比较器的瞬时值比较法(a)所示，它是不断地把补偿电流的指令信号与实际的补偿电流信号进行比较，两者的差作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关的通断，从而控制补偿电流保持在滞环内，围绕给定电流值上下波动。7北京化I：人学硕f：研究生学何论文(a)采用滞环比较器的瞬时值比较法(a)b)定时控制瞬时值比较法(b)on 瞬时值比较法原理图of 时性好，电流响应快，不需要载波，控制精度较高，而且不需要了解负载性质，其输出电压不含特定频率的谐波分量。其缺点是滞环的宽度对补偿电流的跟随性能有较大的影响，存在极限环现象，有导致很高的开关频率而损坏器件的危险117J。当宽度较大时，开关通断的频率较低，使得跟随误差较大；当宽度较小时，则开关通断的频率较高，损耗增加，甚至可能超过器件允许的最高工作频率而导致器件损坏。针对频率不固定，提出了一种恒频滞环电流控制算法【18】，通过调整环宽使丌关器件频率达到恒定。定时控制的瞬时值比较法是为克服滞环比较法开关频率不固定这一缺点而提出的，它是用一个有定时控制的比较器来代替滞环比较器，如图11(b)所示。在此方法中，每个时钟周期对补偿电流误差只判断一次，使得件的开关频率最高不会超过时钟频率的一半。这样时钟信号的频率就限制了器件的最高工作频率，从而避免了器件频率过高的情况发生。其不足之处是，补偿电流的跟随误差是不固定的，不容易控制，补偿电流波形中毛刺较多。2三角波比较法(或称为三角波脉宽调制电流控制方法)第一章绪论三角波比较法是一种比较简单的电流跟踪控制方法，其原理如图12所示。它与其它用三角波作为载波的不是直接将指令信号与三角波比较，而是将指令信号与补偿电流信号的偏差经放大器大器样组成的一个控制系统是基于把误差作为最小来进行设计的。此方法可使器件的开关频率固定，线路简单，但跟随速度较慢，电流误差较大，输出波形中含有与三角波相同频率的高频畸变分量，开关损耗大，同时与瞬时值比较法相比硬件较为复杂，一般用于中小功率逆变器中。J c c。广一十舟一y !广弋 y J l培盥图12三角波比较法原理图2 出了一种改进的三角波比较法【191，它在传统控制方法的输出指令电压中增加了一个与电源电压瞬时值成正比的量，可提高变流器输出电压的准确性，使空间矢量控制空间矢量控制(称冽是建立在交流异步电机磁场理论基础上的一种控制策略，开始时其使用范围仅仅局限于电机应用场合，但现在它已发展成一种能够普遍应用的将逆变器的三相电压输出U。、。先通过得d，再根据矢量合成法则和照一定的顺序和作用时间发出8种开关状态对应的8个矢量来合成期望的。，如图13所示。9北京化l：人学硕十研究生!学何论文 2八 A一么 of 0过控制开关矢量组合的作用时间，使一个控制周期内开关矢量输出的平均效果与参考矢量相等。此方法在电压利用率、电流谐波和过调制等方面具有优势，而对零矢量的合理控制可以明显地降低逆变器的开关损耗。但是，传统空间电压矢量控制算法复杂，运算时间长，占用了大量的系统控制时间。4无差拍控制无差拍控制(称21，22】是一种全数字化控制技术，它实际上是一种预前控制。无差拍控制逆变器这种方法与传统的于脉冲宽度由控制方程根据逆变器当前的电路状态实时确定，因而具有更优越的动态性能。无差拍控制逆变器负载适应能力强，对负载切换造成的过渡过程短，对非线性负载输出谐波失真小。但它存在以下缺点：计算量很大；鲁棒性较差；稳态响应的超调量大；对系统参数依赖性较大。无差拍控制使一种基于电路方程的控制方法，控制方程不仅决定于负载的性质，而且与负载的大小有关，因此控制系数需要根据负载的变化做相应的调整。另外，控制器为了达成在一个采样周期内消除无差的效果，往往采取非常剧烈的控制动作，当理想模型与实际对象有差异时，这样做不仅达不到无差拍效果，反而会引起输出电压的震荡，不利于变结构控制变结构控制(0称23】理论是20世纪50年代前苏联发展起来的。它的独特之处就是对系统的变化和对外部的干扰不敏感，具10第一章绪论有很强的鲁棒性，无论在设计方面还是实现起来都很容易。应用此控制理论，在建立空间矢量数学模型的基础上，运用变结构控制方法来控制混合型避免较复杂的谐波电流计算，实现对电源电流和电容电压的闭环控制，具有良好的控制性能【24】。另外，在此理论基础上，提出了滑模变结构控制法【25，261，当电流发生突变时，用该方法能较快地跟踪电流的变化，但它由于存在抖动、补偿后电源电流含有较大的高次谐波等问题，使得它到目前为止还没有被广泛应用到工程实践中。6单周控制单周控制(称为一种新的非线性控制方法，最早由71，具有调制和控制的双重性，它是通过复位开关、积分器、触发电路、比较器来达到跟踪指令信号，在每个周期内使叮控开关变量的平均值与控制参考电压相等或成一定比例【2刚。该方法的优点就是：能在一个开关周期内消除稳态和瞬态误差、反应快、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实现、控制电路简单等。有文献开始把单周控制用到样不仅控制精度高、结构简单，而且不需要有害电流检测环节，引起了许多学者的关注，现已被应用到单相、三相9。3。但单周控制的部不稳定，并且小太适合电源电压畸变的情况。除了以上介绍的控制方法外，还有一些研究人员将模糊控制【32l、神经网络控制【=；3】、重复控制【341、预测控制无源性控制136先进智能控制算法应用到取得了一定的效果。但目前都还处于初级阶段，还没有实际的应用实例【38】。14本论文所研究的主要内容本论文研究的课题主要包括以下几个方面：。I阐述了析比较了目前应用广泛的谐波电流检测方法，选择基于瞬时无功功率理论的谐波检测法，对其原理进行了详细地分析。2前研究了计了并联有源电力滤波器主电路和补偿控制信号发生电路。包括主电路功率器件的选择，直流侧电容值计算方法，交流侧电感值计算方法以及数字化控制方法的原理和实现方法。3运用多种谐波电流跟踪方法进行证了各种补偿电流控制策略的正确性和可行性，并分析了各种控制方法的优缺点，初步确定了系统中各硬件的相关参数值，为建立实际的有源滤波器系统奠定了基础。本文提出了使用学硕十研究生学位论文实现空间矢量控制方法的仿真，将试更加灵活，为基于阐述了计了补偿控制系统中的信号采样电路，信号调制电路，输出给出了它们相应的原理图加以说明。5基于平台编制了软件，并在合众达2812模板上调试运行。6在实验室里构建了一个以行了联机调试，对小电流信号进行了谐波补偿。试验结果表明，这种基于2第二章有源电力滤波器l：作原理及喈波检测方法第二章有源电力滤波器工作原理及谐波检测方法本章首先介绍有源电力滤波器的分类和工作原理，建立了有源电力滤波器的基本概念，然后讨论了有源电力滤波器的主要组成模块之一指令电流运算电路的原理，即谐波电流的检测方法，对目前国内外应用较为广泛的谐波电流检测方法进行了详细介绍，最后重点分析了本文设计的电力滤波器使用的检测方法一一基于瞬时无功功率理论的谐波电流运算方法。21有源电力滤波器的分类近20年来，不同种类的有源电力滤波器被相继提出，有些己进入实际应用阶段。而关于它的分类可以从不同的角度出剔39421。(1)根据应用场合，者主要用来消除高压直流(统中换流器直流侧的电流、电压谐波；后者则应用于交流电力系统。(2)根据逆变器直流侧储能元件的不同，21)和电流型(图22)。与电流型压型任意并联扩容，易于单机小型化、经济，适用于电网级谐波补偿，因此目前实用装置90以上是电压型。但随着超导储能技术的不断发展，将会有更多的电流型21电压型主电路l ：人学硕十研究生学位论文图22电流型主电路l )根据与电网连接方式，联型、混合型和串并联型。图23所示为并联型主要适用于电流源型非线性负载的谐波、无功及三相系统中的不平衡电流等的补偿。目前，并联也是当前应用最广泛的拓扑结构。211并联型有源电力滤波器并联型有源电力滤波器是最基本、目前应用最多的一种拓扑结构如图23所示【43451。图23并联型有源电力滤波器流器及与变流器相串14第二章有源电力滤波器l：作原理及谐波检测方法接的输出电感、并接的直流侧贮能元件(电容或电感)组成，通过变压器(或电感、电容)并接入电网，补偿电流源型的谐波源，如阻感负载的整流电路。这里并联型制负载引起的谐波电流，也可补偿无功和平衡三相电流。与二阶高通滤波器)，用于滤除要特点：只要采用适当的控制方法，该方式可以达到多种动态补偿的目的，实现的功能最为丰富灵活。流过电流较小(补偿电流和基波有功电流的一部分)。存在不足：交流电源的基波电压直接(或经变压器)加到了变流器上，补偿电流基本由变流器提供，故要求有源部分具有较大容量。212串联型有源电力滤波器图24所示为串联型有源电力滤波器拓扑结构主电路与并联型有源电力滤波器基本相同。图2_4串联型有源电力滤波器要用于补偿可以看作电压源的非线性负载，如电容滤波型整流电路。此时，串联型出补偿电压以抵消负载产生的谐波电压以及系统侧电压谐波和波动对敏感负载的不良影响，使供电点电压波形为正弦波。主要特点：可以平衡三相不平衡系统、消除闪变、调节三相系统电压。存在不足：流过高的负载电流，损耗较大，稳定性较差，各种保护电路比较复杂。目前研究不够充分，应用较少。并联型降低注入电网的无功和谐波北京化J：人学硕十研究生学位论文含量。串联型保障负荷侧的电压质量。213混合型有源电力滤波器单独使用的有源电力滤波器要满足大容量的补偿要求，不仅成本高，结构复杂，而且受到电力电子器件容量的限制，实现比较困难。于是考虑到无源滤波器结构简单、价格低廉等特点，可以与实现优势互补。(1)与所示为与7】，它是1987年由M种方式中，无源滤波器包括与于补偿绝大部分的电网谐波及无功。有源部分只需承担很小的补偿任务，主要起拾遗补缺、调节整个系统性能和抑制样，系统总补偿量不变或增大，而要特点：主电路器件的开关频率要求不高，有源部分容量减小。存在不足：电网与别是能使图25与PF C in )与所示为与8491，它是1990年由H方式中，波和无功主要由有源滤波器的作用主要是通过注入谐波电压而使改善无源滤波器的滤16第二二章有源电力滤波器I：作原理及谐波检测方法波特性；调节系统性能，克服电网阻抗对无源滤波器的影响，抑制无源滤波器与电网的谐振。PF C in 源滤波器不承受电网的基波电压，容量小，系统性能较好。存在不足：对电网的谐波电压非常敏感。这种拓扑结构是目前有源电力滤波器研究的热点。214串并联型有源电力滤波器图27统一电能调节器7 7北京化I：人学硕+研究生学位论文图27所示为串并联型有源电力滤波器的拓扑结构【50511。并联型有源电力滤波器侧重于对负载侧电流所引起的谐波、无功和负序等的补偿，而串联型有源电力滤波器则更侧重于对电压谐波的补偿。针对这种情况，出现了将并联型有源电力滤波器与串联型有源电力滤波器以开关模式并联的串并联型有源电力滤波器，以实现优势互补。因其功能丰富，也称为通用电能质量控制器(但是这种结构模式，控制非常复杂，实现价格很昂贵，所以目前很少投入实际运用，也不是研究的热点【52】。22并联型有源电力滤波器的基本工作原理有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波和无功进行补偿，其应用可克服图所示为最基本的并联型有源电力滤波器的系统构成原理图。图中，载为产生谐波并消耗无功的谐波源，一般为电力变换。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部分组成)。其中，指令电流运算电路的核心作用是检测出被补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量，因此有时也称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补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流153J。主电路目前采用为主电路的产生补偿电流时，主要作为逆变器工作。当电网向有源电力滤波器直流侧贮能元件充电时，它作为整流器工作，即它既可以工作在逆变状态，又可以工作在整流状态，但这两种状态无法严格区分。18第二章有源电力滤波器l：作原理及谐波检测方法图28并联型有源电力滤波器结构原理图di a|多狮of 源电力滤波器检测出补偿对象负载电流1其反极性后作为补偿电流信号毪，由补偿电流发生电路产生的补偿电流逢与负载电流中的谐波成分5向相反，因而两者相互抵消，使得电源电流5含谐波。上述原理可用如下的公式描述：=屯+t(2=(22)f：；一(2c 5一工Iz。上，：(2。4)如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，补偿无功功率，则只需要在补偿电流的指令信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的电流成分即可。这样，补偿电流与负载电流中的谐波和无功电流相互抵消，电源电流等于负载电流的基波有功分量【541。23谐波电流的检测方法有源电力滤波器的关键技术是如何实时检测非线性负载电流中的谐波、无功和负序分量以获得控制电路所需的补偿电流指令信号。其准确性将影响到整个有源电力滤波器的补偿特性波电流的检测方法可以分为时域和频域两大类，19北京化l：人学硕十研究生学位论文具体的电流检测技术主要有156l：231基于个是与电网电压波形完全一致的有功电流分量；另一个是负载电流与有功电流的差值，包括基波无功和谐波，称为广义无功电流分量。此方法计算广义无功电流瞬时值至少有一个周期以上的时间延迟，故不适用于频繁变化负载的补偿。并且此方法只能区分有功电流和广义无功电