高压电力有源滤波器的研制与应用

1、题 目：高压电力有源滤波器的研制与应用目 录摘要.11 研究依据41.1 项目背景41.2 煤矿供电系统中谐波的原因和危害61.3 与国内同类技术比较81.4 项目研究的意义102 承担单位的条件和工作基础122.1 项目承担单位122.2 项目协作单位143 项目研究内容和目标143.1 项目的研究内容143.2 项目的总体目标144 项目研究的技术路线与关键技术154.1 基于瞬时无功理论控制算法154.2 电流跟踪技术204.3 技术方案234.4 技术路线265 项目的特色和创新之处285.1 项目的特色285.2 项目的创新点296 项目的成果与技术指标306.1 技术成果与形式30

2、6.2 设备主要技术指标306.3 考核指标30参考文献摘要： 根据高压电力有源波滤器项目研究的背景，并且把国内外的技术相比较，取其精华，在一定的基础上改革和创新，了解项目研究的基础路线和相应技术，使项目研究取得一定的成果并有相应的技术创新。1 研究依据1.1 项目背景六矿主井供电系统入井6KV的电缆分三相接入三台500KVA 6/1.14KV特种变压器后，汇接到一台变频器，然后接入1000KW的电动机。变频器在运行的过程中产生大量的谐波，同时供电网上的谐波注入叠加后，使电动机异常抖动、发热甚至有烧毁的危险；三台变压器发热现象严重；控制室内的无功补偿用的电容器被多次击穿；控制柜里面的继电保护多

3、次出现越级跳闸等现象和事故，为了主井出煤生产的安全，有效地保护电动机、变压器、电容器的运行安全必须彻底抑制或治理谐波，使谐波控制在国标规定的安全值内。通过在1140V侧，使用日制HIOKI 3196电能质量测试仪测试后得到的数据分析报告得知：电流的畸变率为69%、谐波电流的有效值为296.7A。针对1140V供电测谐波现状，找出供电系统谐波产生根源和谐波特征，通过调研国内各类谐波治理技术现场使用情况和优缺点的对比分析，设计出用于1140V供电系统的有源电力滤波器（APF）。煤矿厂谐波含量超标将严重威胁矿井供电安全，目前针对煤矿厂的谐波装置为无源滤波装置，但存在着体积大、重量重等缺点。而有源电力

4、滤波器（APF）则可以实现谐波自动跟踪滤波，且体积小、重量轻。我国对煤矿业1140V供电系统APF的研究还主要集中在试验研究阶段，此项目的成功应用将推动我国APF在煤矿行业的全面普及。同时在石油抽油机、铁路电力机车牵引站、制造业中频炉等用电环境中具有很大的需求市场。消除电网中的谐波可防止旋转电机和变压器过热甚至烧毁；减少对电力系统中的发电机、调相机、继电保护自动装置和电能计量仪表等的危害，防止继电保护误动作造成的重大停电事故；消除谐波对计算机通信、检测仪表等用电设备的干扰。可为煤矿供电系统的安全经济运行带来巨大的经济和社会效益。根据法国数学家傅立叶(MFourier)分析原理证明，周期为T的信

5、号中有大量正弦波，其频率分别为1/T Hz、2/T Hz、n/THz，称频率为 1/THz 的正弦波为“基波”，频率为等 n/THz（n1）的正弦波为 n 次“谐波”。谐波也是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。谐波频率是基波频率的整倍数。在电力系统中谐波产生的根本原因是各种大容量变流设备及其非线性负载所致，当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。常见的谐波装置有变压器、各种变流装置、整流装置、交流调压装置、铁磁非线性设备、提升装置等，这些装置都是存在的谐波源。这些用电设备的使用，使得电力系统的电压、电流波形发生畸变，从而产生谐波。在煤矿供电

6、系统中，用电负载大多为感性负载。如感应电动机、变压器、旋转电机、电抗器、相控交流电力调节装置、绞车等，在运行过程中都将产生大量的谐波，同时也要吸收大量的无功功率。1.2 煤矿供电系统中谐波的原因和危害随着电力电子技术的发展，煤矿供电系统中大量的采用含半导体的非线性元件的负载，例如矿井提升机、通风机、主排水泵、带式输送机、架线式电机车等设备节能和控制用的电力电子设备，诸如各种变频器、交直流换流设备、变流器、整流设备、软启动设备等。它们都会在电网中产生不同频率和幅值的谐波。煤矿供电网络谐波的危害主要是造成电网的功率损耗增加，设备寿命缩短，接地保护功能失灵，遥控功能失常，线路和设备过热等，还会引起变

7、电站局部的并联或串联谐振，造成电力互感器、变电站系统中的设备和元件产生附加的谐波损耗，从而造成供电网络设施损坏、元器件老化，造成电子保护装置误动作，增大附加磁场的干扰等。谐波对煤矿设备与线路的主要影响分析如下：1) 变压器。当谐波电流流经变压器时，会导致铜损和杂散损耗增加，谐波电压则会使铁损增加。由于谐波所引起的额外损耗与电流和频率的平方成比例上升，进而导致变压器的基波负载容量下降，效率降低。同时谐波还导致变压器铁芯振动，噪声增加，寿命缩短。2) 电动机。谐波电流和电压对电动机所造成的影响，首先是铁损和铜损的增加，引起额外温升，导致电动机效率降低，同时还产生附加转矩，进而增加噪声，造成电动机振

8、动而降低使用寿命，严重时，电机烧毁。3) 补偿电容器。谐波会造成电容器过电流，使电容器与供配电系统产生并联谐振或串联谐振，这将造成电容器迅速发生故障。同时，电容器会放大谐波，增大谐波对矿井供配电系统的影响。4) 电力电缆。在导体中非正弦波电流与具有相同方均根值的纯正弦波电流相比，会引起额外温升。由于导体对高频率谐波电流有集肤效应和邻近效应，使线路电阻随频率增加而提高，将导致电力电缆损耗( IR2)增加，电缆因过载而过热，使额定载流量减小，发生导体绝缘放炮或烧毁存在火灾隐患。5) 通信和信息线路。当供配电线路与通讯和信息线路平行或相距较近时，由于两者之间存在静电感应和电磁感应，容易形成电场耦合和

9、磁场耦合，谐波会对通讯和信息系统产生干扰，降低信号的传输质量，不仅影响声、像的清晰度和信息传输的准确性，严重时还会造成设备损坏，危及人身安全。6) 微机保护和控制设备。煤矿供配电系统中的谐波电压和电流，会导致供配电系统中各类保护及自动装置产生误动或拒动，特别在广泛应用的微机保护、综合自动化装置中表现更为突出，容易引起越级跳闸，区域系统瓦解，造成故障扩大等恶性后果。谐波还会使仪表和电能计量出现较大误差。采用 PLC 控制的设备可能发生失控、死机、程序紊乱等现象，对于采用晶闸管的变速装置，谐波可能会使晶闸管误动作或使控制回路误触发。会使煤矿井下供电的高低压供电系统上的漏电装置误动作，严重影响矿井供

10、电及生产安全。谐波如果不经过治理直接进入上级电网，将会给电网带来严重的谐波污染。1.3 与国内同类技术比较抑制谐波主要有两种方法：主动的方法。从谐波源出发，减少谐波的产生，即设法提高电力系统中主要的谐波源即整流装置的相数，或者采用高功率因数整流器、有源功率因数校正器等：被动的方法。安装滤波装置，如无源电力滤波器、有源电力滤波器。无源电力滤波器结构简单，既可补偿无功，又可抑制谐波，因而在电力系统中装设无源电力滤波器一直是传统补偿无功和谐波的主要手段。但无源电力滤波器也存在滤波特性依赖于电网和负载参数，电感、电容参数漂移会导致滤波特性的改变，同时重量大，体积大，存在过载的问题，易与电网发生谐振等缺

11、点。有源电力滤波器是电力系统中重要的电力电子技术应用装置，是保证电力系统良好运行环境和城市电网改造所迫切需要的技术手段。与传统的无源电力滤波器相比，有源电力谐波抑制装置具有下列优势：1） 对频率和大小变化的谐波进行动态补偿，反应快；2） 所需贮能元件容量较小；3） 即使谐波电流过大，抑制装置也不会发生过载；4） 补偿效果受电网阻抗变化的影响小，且不会发生谐振；5） 跟踪电网频率的变化，其补偿性能不受电网频率变化的影响；6） 安装方便。有源电力滤波器的原理是通过对电网电流谐波进行实时检测，利用高频电力电子变流器对谐波进行主动的对消。有源电力滤波器的概念最早由Gyugyi于1976年提出，经过三十

12、多年的发展，有源电力滤波器的研究取得了许多进展：1987年Takeda等的并联APF加并联PPF的混合有源电力滤波器；1988年，F.z.Peng等的串联APF加并联PPF的混合有源电力滤波器；1990年，H.Fujit等的APF与PPF相串联的混合有源电力滤波器；1994年，H.Akagi等的串联APF和并联APF的混合有源电力滤波器等。90年代后期，并联有源电力滤波器在日本、美国等国开始应用。从1983年到1995年，日本共有455套有源电力滤波器投入使用。下面是1997年日本电气委员会发表的谐波危害的调查报告给出的有源电力滤波器应用情况：从1991年到1995年累计生产355台，与198

13、3年到1991年约7年间共生产了近100台相比，产量有了大幅度上升。200KVA以下的约占70%，超过1000kVA的约占7%，近几年50kVA以下的台数增加显著，反映了公众对谐波抑制重要性的认识在提高。大部分中小容量的有源电力滤波器主回路采用的开关器件基本为IGBT，兆瓦级的大容量装置使用GTO器件。国内对有源电力滤波器的研究始于80年代末期，陆续出版了一些这方面的专著。国内目前对高压有源电力滤波器的研究还主要停留在高校的实验样机水平上，距离工业化产品还有相当距离。从近年来的研究可以看出APF具有以下的发展前景：1)将智能控制引入传统控制方法中。现在的智能控制方法虽然已经逐渐应用到有源滤波器

14、的研究中，如无差拍控制、神经网络控制等，但现阶段还没有真正用于实际的例子。因此，建立统一的、能用于实际工程的有源滤波器模型是智能控制需要解决的问题。2)采用多电平或多重化主电路来实现大容量APF。近几年，多电平逆变技术以及多电平并联技术由于其在输出波形质量、开关损耗、器件应力等方面的突出优点，引起了广泛的关注。随着门极可关断高压半导体器件的发展和多电平逆变器技术的不断发展，可以预见，APF将会有更大的发展前途。3)随着DSP技术数字信号处理专用高速芯片控制技术的不断发展，实现APF控制的全数字化,将更有利于降低成本、全面工业化。1.4 项目研究的意义因此，无论是从保障煤矿电力系统的安全、稳定、

15、经济运行的角度，还是从用电设备的安全、正常工作的角度，有效地治理谐波，将其限制在允许范围之内，还电网一个洁净的电气环境，营造“绿色电网”，已经迫在眉睫。因此，煤矿谐波治理问题的研究具有十分重大的理论和现实意义。在矿井供电系统中，积极采取消除或抑制谐波危害的防范措施。例如：1）电力电缆的选择在矿井供电系统电力电缆截面的选择中，应考虑谐波引起电缆发热的危害。对于连接谐波主要扰动源设备的配线，确定电缆载流量时应留有足够裕量，必要时可适当放大一级选择电缆截面。2）合理选择变压器正确合理地选择变压器的接线方式，能阻止不平衡电流和 3N 次谐波电流从原边传到电源配电系统中。在三角形/星形变压器里，不平衡电

16、流和 3N 次谐波电流在原边绕组内循环流动而不会传入电源配电系统中。矿井供配电系统中各级变压器应多采用三角形/星形变压器。在根据负载确定电力变压器额定容量时，应考虑谐波畸变而留有裕量。在矿井设计中一般应保证变压器负荷率在 70 80%，该裕量可防范谐波引起的变压器发热危害。3）无功补偿电容器的配置在有谐波背景的矿井供电系统中，不能采用常规的补偿系统来进行无功补偿。为避免电容器组与系统产生串联谐振或并联谐振，必须采用调谐式电容器组。调谐式电容器组即在补偿电容器中加串调谐电抗器。电抗器的主要作用是避开谐波电流可能出现的频率。这种电抗器被称为调谐电抗器，带有这种电抗器的电容器组则被称为调谐电容器组。

17、使用调谐电容器组的目的不是为了显著地降低谐波畸变，而是为了确保电容器组不会因为诸如系统阻抗、投入段数、系统配置、负荷状况变化等原因而发生谐振。4）谐波补偿装置进行补偿对矿井中的主要谐波源，如: 大功率提升机、通风机、带式输送机的变频设备，在运行过程中会引起较严重的高次谐波污染。为了拟制变频器在运行中产生的谐波，需增加谐波补偿装置，使输入电流成为正弦波。传统的谐波补偿装置是采用 LC 调谐滤波器，它既可补偿谐波，又可补偿无功功率。但其补偿特性受矿井供配电系统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 LC 滤波器过载甚至烧坏。另外，它只能补偿固定频率的谐波，效果不甚理想，但该装置

18、结构简单，目前仍被广泛应用。电力电子器件普及后，运用有源电力滤波器进行谐波补偿将成为主要方法，有源滤波器的工作原理是从补偿对象中检测出谐波电流，然后产生一个与该谐波电流大小相等、极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含有基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响。煤矿厂谐波含量超标将严重威胁矿井供电安全，目前针对煤矿厂的谐波装置为无源滤波装置，但存在着体积大、重量重等缺点。而有源电力滤波器（APF）则可以实现谐波自动跟踪滤波，且体积小、重量轻。与传统的LC滤波器相比, APF具有动态滤除低高次谐波（50次以下）、抑制闪变、补偿无功、自动跟踪负荷变化等

19、技术优势; APF滤波效果受系统阻抗变化影响小，不用担心滤波器与系统阻抗发生并联谐振问题；单台APF可对250次谐波进行补偿，装置简单，补偿范围广，克服了LC无源滤波需要多组单调谐滤波支路组合补偿且补偿面窄的缺点。我国对660v至10KV高压段APF的研究还主要集中在试验研究阶段，此项目的成功应用将推动我国高压APF在煤矿行业的全面普及。市场需求大。2 承担单位的条件和工作基础2.1 项目承担单位项目承担单位平煤股份公司是一个大型煤矿集团企业，“以煤为主、相关多元化”为发展战略，走新型工业道路，将建成煤炭主业突出、核心竞争能力强、可持续发展能力强，煤电化一体，在全国有重要影响的特大型能源企业，

20、成为全国重要的火电基地、煤化工基地和冶金用煤基地，步入全国企业百强行列。平煤股份六矿位于平顶山市区西10Km，于1958年兴建，1970年简易投产，设计生产能力90万t/a，经过三次技术改造，在生产调度、安全监测、信息通讯等方面实现了网络化管理，是一座技术先进的大型现代化矿井，连续多年获得“行业级质量标准化矿井”“煤炭工业科技进步世家矿井”、“煤炭行业特级安全高效”矿井等荣誉称号，2011年实际生产原煤426万t，是平煤股份主力生产矿井。项目承担单位平煤股份公司是一个大型煤矿集团企业，“以煤为主、相关多元化”为发展战略，走新型工业道路，将建成煤炭主业突出、核心竞争能力强、可持续发展能力强，煤电

21、化一体，在全国有重要影响的特大型能源企业，成为全国重要的火电基地、煤化工基地和冶金用煤基地，步入全国企业百强行列。随着煤矿井下各种开关功率器件以及其它非线性负载的广泛的应用，导致谐波大量的注入电网，即电力污染。平煤股份六矿井上下通过变频器驱动的大功率异步电机越来越多，由于变频装置中整流和逆变部分采用的是变流技术，在工作时不同程度地产生了谐波，谐波的存在导致六矿井下电子设备及控制系统受干扰而无法正常工作，如井下馈电开关误跳闸和多次烧坏，主电机绕组也被击穿过，直接威胁煤矿井下供电和用电设备的安全。谐波污染问题日益突出，将对矿井的供电安全带来巨大的威胁，而供电安全与矿井安全息息相关，该项目研究不仅为

22、平煤集团其他煤业集团井下供电系统谐波治理提供了宝贵经验，而且适用于其他矿山和工业企业供电系统谐波治理中使用，具有广泛的推广应用价值。2.2 项目协作单位协作单位武汉武新电气科技有限公司常年与清华大学、武汉大学紧密合作，从事动态无功补偿TSC、SVC、SVG及有源电力滤波器的研发及生产。低压400v APF产品已经成熟，并成功应用于武重、武钢、武船、二汽等大中小企业；公司产品都通过ISO9001、ISO14001、CCC、CQC等认证，技术规范完全符合相关的行业标准；拥有自己的研发团队；拥有各类先进的生产设备和检测设备。3 项目研究内容和目标3.1 项目的研究内容该项目包括了以下主要研究内容：1

23、）针对六矿主井1140V侧供电系统谐波现状，找到了供电系统谐波产生根源和谐波特征。2）调研了国内各类谐波治理技术现场使用情况和优缺点的对比分析3）已经设计制造三台100A用于变频器和变压器之间1140V供电系统的有源电力滤波器，已经安装调试完毕。3.2 项目的总体目标把六矿主井口的谐波治理到国标规定的范围内，把660V至10KV电压等级的高压电力有源滤波器产业化，标准化，并在煤炭行业推广使用，并为申请国家级项目打实基础。4 项目研究的技术路线与关键技术4.1 基于瞬时无功理论控制算法本有源滤波器是全数字化控制，采用先进的基于瞬时无功理论的控制算法，实时以及精确地补偿系统中的谐波和无功电流。目前

24、对谐波电流分量的检测方法大体分为频域检测法和时域检测法两类。频域检测法（如 FFT）一般计算量大、实时性差，在系统三相不对称时也无法得到精确的检测结果。而时域检测法在实时性上则要好得多，目前的方法主要有有功电流分离法、瞬时无功功率理论运算法、自适应电流检测法和 dq0 坐标系下的广义瞬时无功检测法。基于 Fryze 时域分析的有功电流分离法简单但有效，在电压和电流不对称时，其有功电流中将含有基波负序分量，从而使得补偿效果不好。基于瞬时无功功率理论的电流检测方法有两种，分别是 p-q 分解法和直接分解法。p-q 分解法受电压谐波含量和三相不平衡的影响较大，无法在电压波形畸变时得到准确的结果；直接

25、分解法不受谐波影响，并在三相电压不对称时，能准确的检测到基波正序电流，但对其有功和无功电流的分解将受到三相不平衡程度的影响，误差无法消除。自适应电流检测法基于自适应干扰对消原理，把电压作为参考输入，负载电流作为原始输入，电压经自适应滤波器处理后，输出一个与负载电流基波有功分量幅值、相位均相等的信号，将此信号从负载电流中扣除，得到高次谐波和无功电流分量的总和。其自适应滤波器又可采用模拟方式和数字方式(如 ANN)来实现，但这种方法不能滤除基波负序电流。基于派克变换的广义瞬时无功功率的检测法可以准确的检测出三相基波正序电流，但是对有功和无功电流的检测也是不准确的。有学者提出了基于瞬时无功功率理论和

26、同步坐标变换的基波正序有功电流检测方法，通过计算基波正序电压的相位可以正确的检测出基波正序有功电流，但这些算法均依赖于总负载电流的检测，并且算法中使用低通滤波器进行滤波，算法的精度和实时性无法得到保证，若要在微电网的补偿中获得应用还需要作出改进。4.1.1 瞬时无功理论简述三相瞬时无功功率理论于1983年由赤木泰文提出，此后该理论经过不断研究得到逐渐完善。赤木最初提出的理论亦称pq理论，是以瞬时实功率p和瞬时虚功率q的定义为基础，其主要的一点不足是未对有关的电流量进行定义。三相瞬时无功功率理论是以瞬时有功功率p和瞬时无功功率q的定义为基础的，它的核心是采用变换矩阵将三相电路的电压、电流瞬时值变

27、换到相互正交的二维坐标系上研究。设三相电路的电压和电流瞬时值分别为，和,通过Clarke变换矩阵分别变换到两相正交的坐标系上，可得两相瞬时电压，和两相瞬时电流。 ， （1） （2）如图 所示的的平面上，矢量和可合成旋转的电压矢量和旋转电流矢量 （3）三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流 是电流矢量在电压矢量及其法线上的投影，即： （4）其中三相电路的瞬时有功功率p 和瞬时无功功率q为电压矢量的模与三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流的乘积, 即 （5）把（4）式及代入式（5）中，并写成矩阵的形式，即: （6）且设三相电压、电流的瞬时值如式（1）定义，代入式（6）可得 （7）由式（6）（7）可以看出

28、，在三相电压和电流均为正弦波时p、q均为常数，其值与传统理论中算出的有功功率p和无功功率q相同.4.1.2 p-q检测法该检测方法的框图如图2所示。该方法根据瞬时无功功率理论算出p、q，经低通滤波器(LPF)得p、q的直流分量。当电网电压波形无畸变时，基波正序有功电流与电压作用产生瞬时有功功率p，基波正序无功电流与电压作用产生瞬时无功功率q。于是，可计算出被检测电流的基波正序分量。从而得到需要检测的谐波电流。当有源电力滤波器同时补偿谐波和无功时，就需要同时检测出补偿对象中的谐波和无功电流。在这种情况下，只需断开图3-1中计算q的通道即可。这时，由即可计算出被检测电流的基波有功分量:从而可以得到

29、谐波分量和基波无功分量之和。由于采用了LPF低通滤波器，故当被检测电流发生变化时，要经过一定延迟能得到准确的量，检测结果有延迟。但当只检测无功电流时，则无需LPF低通滤波器，而直接将q反变换即可得到无功电流，这样就不存在延时了。4.1.3 检测法检测方法的原理框图如图所示。其中该方法中，需用到与电网a相电压同相位的正弦信号和对应的余弦信号，它们由一个锁相环(PLL)和一个正、余弦信号发生电路得到的。根据定义可以计算出，进而计算出谐波分量。与p-q检测法同理，当检测无功电流和谐波电流之和时，断开计算的通道即可。而只需检测无功电流时，则需要对进行反变换即可。4.2 电流跟踪技术变流器的运行控制关键

30、在于对交流侧电流的控制，也就是要使三相交流电流跟踪参考信号。其基本思想是将测量得到的实际相电流的瞬时值和参考电流进行比较，产生逆变状态开关信号，从而达到电流跟踪的目的。一般来说，对于电流控制的要求主要有以下几点：1）在较宽的输出频率范围内，无相位和幅值误差；2）系统动态响应好；3）能够限制或保持开关频率恒定，使功率开关管工作在安全工作区内；4）谐波含量低；5）直流电压利用率高。这些要求往往不能同时满足，甚至相互矛盾，比如快速响应和低谐波含量。所以，对不同的应用场合，电流控制性能要求也不同。根据是否直接选取电感电流的瞬时值作为反馈和被控制量，PWM变流器的控制方式分为直接电流控制和间接电流控制两

31、种。间接电流控制又称作幅值相位控制，是通过调节变流器交流侧电压的幅值和相位来控制电流。其电流控制的依据是变流器的空间矢量图，对电流的控制是开环的。间接控制的静态性能很好，控制结构简单。由于不需要电流传感器，成本也比较低。但是间接控制时，电流的动态响应不够快，甚至在交流侧电流中含有直流分量、且对系统参数波动较敏感，因而常用于对变流器动态响应不高且控制结构要求简单的场合。直接电流控制是一种通过引入交流电流反馈，对其进行直接控制而使其跟踪给定电流信号的控制方法。直接电流控制一般都可以获得较高品质的电流响应，但其控制结构和算法也相对较为复杂。并联电压型变流器常用的直接电流跟踪控制方法有主要有周期采样控

32、制，滞环比较控制、三角载波控制等。具有理论成熟、实现简单、对并联型变流器的参数及结构的依赖性小等优点。4.2.1 滞环比较控制方式仅以单相的控制为例，如上图所示。补偿电流的指令信号与实际的补偿电流信号比较，再把偏差作为输入信号输入滞环比较器中，由滞环比较器产生控制功率器件开关的PWM信号。滞环比较控制方式既能降低功率器件的开关频率又能快速进行电流跟踪，滞环比较器环宽H的大小决定了电流跟踪的速率，当时，滞环比较器输出信号保持不变；如果，滞环比较器的输出将翻转，补偿电流ic的变化方向发生改变。补偿电流信号只在和 的区间内呈现锯齿波形状跟随波形的变化。滞环比较控制方式属于瞬时值比较方式，电流响应快，

33、硬件电路十分简单，应用比较广泛。其缺点仍然明显，即在固定环宽情况下功率器件的开关频率仍是变化的，当补偿电流值较小的时候，滞环宽度的固定导致补偿电流相对跟随误差较大，当补偿电流值较大时，滞环宽度的固定导致功率器件开关频率过高，影响使用寿命。4.2.2 三角波比较方式三角波比较方式的原理图如下图所示该方法将调制后的实际补偿电流与电流指令信号的偏差。经放大器A放大后，与高频三角调制波进行实时比较，从而得到不同时刻逆变器的开关状态。放大器A往往采用比例放大器或比例积分放大器，这样组成的一个控制系统是基于把控制为最小来设计的。电流的控制既可以是在静止坐标系，也可以是在同步坐标中进行。在同步坐标系下可以实

34、现电流的无静差跟踪，电流响应也快一些。早期的电流控制主要用模拟电路，要实现坐标变换还非常复杂，所以控制器一般在静止坐标系实现。为弥补不足，在静止系坐标下电流控制器中引入电网反电动势信号作为前馈补偿可以使静止坐标的电流控制效果和旋转系很接近。随着处理器技术的发展，数字化系统正在逐步取代模拟电路，在数字化系统中进行坐标变换非常方便，所以现在使用的控制器大都建立在同步坐标系中。4.3 技术方案对于高压有源滤波一般有两种基本的开发思路或策略，从而形成两类不同性质的产品，也就是该项目的两种研究开发方案。一种方式利用相对比较成熟的低压电力有源滤波装置，与专有的宽频带变压器串联，从而将可以将相对成熟的低压电

35、力有源滤波装置应用于高电压等级的电网上。另一种方案则是重新开发直挂式的高压电力有源滤波装置。这两种方案各有优缺点：方案一的优势是：开发周期短，相对来说技术比较成熟。方案一的不足之处是：宽频变压器比较难设计，而且体积大，价格高，安装不方便；更重要的是，这种方式的滤波效果不一定好，不能自适应地跟随电网或负载的变化而变化，根本原因是连接变压器是固定设计的。方案二的优势是滤波效果肯定好，可以动态地跟随电网或负载的特性的变化而变化，体积小，运行安装都比较方便。不足之处是：技术成熟度不够，在国内外均缺少现场运行经验。通过综合比较分析，在该项目中，最终确定选用方案二。方案二的基本原理和技术阐述如下：直挂式高

36、压有源电力滤波器是一种基于电压源逆变器的用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置。该装置实时检测负荷电流中的谐波分量、基波无功分量，经微机快速运算，通过由大容量IGBT管组成的三相并联变流器向系统注入补偿电流，该补偿电流与负荷电流中的谐波电流大小相等、方向相反而互相抵消，保证流入电源变压器的系统电流及其他负荷的电流是纯净的正弦波。该装置可克服LC滤波器等传统谐波抑制设备的缺点，实现动态跟踪补偿。有源滤波器原理图如下所示：如上图所示，有源电力滤波器由四部分构成：主电路、指令电流运算电路、电流跟踪控制电路和驱动电路。其基本工作原理是：通过检测补偿对象中含有谐波的电流，经指令电流运算电路运算得出

37、补偿电流的指令信号，该指令信号经跟踪控制电路，控制主电路得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波电流相互抵消，最终得到希望的不含谐波的电源电流。即有源滤波器将负载谐波电流限制在了负载端，阻塞其向电力系统扩散。当负载产生谐波电流时，有源电力滤波器检测出负载电流中的谐波分量，将其反极性后作为指令信号，由补偿电流发生电路产生的补偿电流，因补偿电流即与负载电流中的谐波分量大小相等、方向相反，可互相抵消，使得电源电流i、中只含基波，不含谐波补偿电流在连接点相互抵消谐波。并联型有源电力滤波器的原理可以用以下一组公式来描述：故其中，为负载电流的基波分量高压有源电力滤波器的主电路由PWM变流器构成。根据

38、变流器直流侧储能元件的不同，可分为电压型（储能元件为电容）和电流型（储能元件为电抗器）两种。电流型 PWM 变流器直流侧大电感上始终有电流流过，该电流在大电感的内阻上产生较大的损耗，因此目前较少使用。现在比较常用的有源电力滤波器主电路均为电压型 PWM 变流器。它的直流侧接有大电容，在正常工作时其电压基本保持不变，可以看作电压源。电压型变流器的控制方法是：根据开关控制信号变流器输出相应的电压，使之与电源的电压在变流器输入端的电抗器上相互作用，得到所需要的补偿电流。这种主电路具有结构简单、对逆变器开关器件反向耐压要求不高、能量消耗小、控制容易实现等优点。指令电流运算电路采集电网含有谐波的三相电流

39、，根据相应的谐波检测理论，经过运算，滤除其中的谐波电流得到基波电流。并用采集的电流减去计算所的基波电流得到应该补偿的指令电流。电流跟踪控制电路较指令电流和系统实际补偿给电网的电流，根据它们之间的关系输出控制主电路逆变器桥的开通和关断信号，最终使实际补偿的电流能够快速准确的跟踪指令电流。驱动电路根据电流控制电路的开通和关断信号，产生驱动信号驱动逆变桥各桥臂的开通和关断，主要是由逆变器驱动模块及其外围电路组成。4.4 技术路线本项目技术路线分为理论研究、算法研究、系统开发和实验研究四个部分，理论研究主要包括研究针对六矿主井1140V供电系统谐波现状，找出供电系统谐波产生根源和谐波特征，研究在线的谐

40、波污染评价标准，研究谐波治理的新理论，为有源滤波器在配电网中应用的可行性和适应性奠定坚实的基础；算法研究主要包括谐波治理的新算法，APF设备应用的控制算法；系统开发主要是开发城市配电网中谐波综合治理与管理系统；实验研究主要是选择一个典型的小范围配电网络，研究有源滤波器的运用方法，现场试运行有源滤波器新技术，并建立一套判断有源滤波器运行状态的算法，开发适应于煤矿谐波管理的软件系统，力争达到实用化程度。按照上文提供的技术路线，我们进行了以下工作：1建模与仿真应用电网的建模与仿真建模与仿真是电力系统计算与分析的基础。通过建模计算，分析实际中含谐波源的配电网的运行特性以及电能质量改善设备接入后配电网的

41、运行情况，研究配电网谐波补偿控制策略，对指导现场运行有重大意义。根据现场电网谐波控制计算分析的需要，收集了相关的数据，建立了煤矿电网模型。1）通过对六矿主井电网结构、线路参数状况的调研，深入了解六矿主井现状，分析存在的问题。2）建立六矿主井模型，根据采集的参数建立六矿主井的数学模型。研究其电网的运行特性，分析加入谐波的电网运行特性，提出六矿主井谐波补偿技术措施及实际可行的控制方案。3）根据谐波补偿方案，研究谐波补偿技术手段和具体措施，计算优化调节后的电网谐波畸变率，分析优化效果。2电能质量补偿设备的研发本项目以电力电子技术及理论的最新研究成果为基础，借助最新的电子控制技术、综合自动化技术及微电

42、脑技术，使用有源电力滤波器（APF），结合智能综合管理系统等后台软件的使用，减少或消除因电能质量问题对煤矿带来严重的危害，提高供电可靠性及供电质量，减少电网损耗，进一步提高供电服务的水平。有源电力滤波器（APF：Active Power Filter）以并联的方式接入电网，通过实时检测负载的谐波分量，采用PWM变换技术，将与谐波大小相等、方向相反的电流注入供配电系统中，实现抑制谐波、动态补偿谐波的功能。3智能综合管理系统本软件包含能源管理专家，设备运行智能管理，电网自愈控制等部分，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经

43、济、高效、环境友好和使用安全的目标。系统是在采用计算机网络技术、通讯技术、传感器技术、分布式信息处理技术、无线传感络技术等国内外先进成熟技术的基础上，研发计算无线传感网络协调器/路由/终端器的配电专网用有线接入和无线通讯系列产品，构建满足电力生产管理服务需求的配电专用数据通讯组网方案。通过对各个检测节点进行实施综合电能质量在线监测，初步建立起电能质量的监测系统，做到电能质量管理实时化与网络化。对电能质量进行实时监测，为综合治理谐波污染源、无功容量不足和运行工况分析提供详细的实时数据和数据分析，为我们掌握地区电网的谐波及其他电能质量水平与状况、发现谐波源负荷的动态时间分布情况，从而为对电能质量“污染”的分析、控制、治理提供了不可缺少的技术支持。一方面为研究各种储能设备(电容器、电抗器)和非线性负载的运行对电网电能质量产生的影响，为进一步开展电网电能质量综合治理工作奠定了良好的