并联混合型有源滤波器及其在衡钢供电系统中的应用研究_图文

1、中南大学硕士学位论文并联混合型有源滤波器及其在衡钢供电系统中的应用研究 姓名:陈艳申请学位级别:硕士专业:控制工程指导教师:周国荣20071118摘要在供电系统中,由于大量非线性负载向电网注入了大量的谐波电 流,严重污染了企业配电网和附近其他电力用户的安全用电环境。因 此,治理电网谐波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。本文以华菱集团湖南衡阳钢管(集团有限公司谐波治理问题为 依托,首先详细阐述了有源电力滤波器(APF的基本原理及其拓扑结 构。接着以三相电路瞬时无功功率理论为基础,介绍了基于i。、t算 法的谐波检测电路及i。、乞算法的控制延迟补偿策略,提出了一种改进 了的控

2、制延迟补偿策略,即在延迟还未对补偿效果产生较大影响之前 对补偿电流指令信号(C进行修正,从而实现对数字式控制器所产生 的延迟时间的补偿。其次对衡钢供电系统进行了分析,得知炼钢分厂的电弧炉、轧制 机械、大功率整流设备等非线性负载产生了大量的谐波,不仅造成电 网严重的谐波污染,而且也威胁负载及供电系统的安全运行。衡钢现 有的谐波治理装置为一2、3、4、5次无源电力滤波器组(PF,但由 于设计原理及滤波方式本身固有的缺陷,不能达到完善、随机治理的 目的。针对衡钢供电系统谐波治理现状,利用现有的PF,本文提出了 一种适合于衡钢供电系统谐波治理的并联混合型APF的拓扑结构,并 对它进行了原理分析及无源滤

3、波部分和有源滤波部分的参数设计。 最后,建立了并联混合型APF的仿真模块,利用MATLAB仿真 软件进行仿真实验,仿真结果表明并联混合型APF能够很好地滤除母 线电流中的谐波分量,具有较好的动态补偿和抑制谐波的能力,具有 重要的理论意义和工程实用价值。关键词:有源滤波器,供电系统,谐波,ip、iq算法ABSTRACTIn the electric power system,because of a great deal of non-linear load infused,a great deal of harmony wave of electric current toward the c

4、harged barbed wire net,polluting a business enterprise to go together with charged barbed wire net and nearby and other electric power customers seriously of the safety use electricity environment. Therefore,to manage charged barbed wire net harmony wave since is the compulsive request which uses el

5、ectricity by law,is also the objective demand of the charged barbed wire net safe and economy movement.This text with the Hualing limited company of the Hengyang steel pipe(groupof group Hunan the harmony wave manage a problem for rely on,elaborated basic principle of active electric wave filter(APF

6、and topological of active electric wave filter in detail firstly.Immediately after with three mutually the electric circuit has no achievement power theories in a moment for foundation,introduce accordingtoip、 iqalgorithm,the harmony wave of the calculate way examination electric circuit and calcula

7、te way of the control delay in expiation of strategy,put forward a kind of improve of the control delay in expiation of strategy, at delay didnt yet to repair the result produce to influence more and greatly before to compensate electric current instruction the signal(种 carry on correction,carrying

8、out what the logarithms word type controller produce to delay horary repair thus.Carried on to the Hengyang steel power supply system secondly analysis,the arc fumace,rolling machinery,and high-power rectification apparatus etc.nonline load produce a great deal of harmony wave,not only result in the

9、 harmony wave of charged barbed wire net severity pollution,and also threaten the safe movement of load and power supply system.The Hengyang steel existing harmony wave manages to equip to a 2,3,4,5have no source electric power filter set(PF,but because of design principle and filter a blemish with

10、proper method,cant attain perfect,manage random of purpose.Aiming at the Hengyang steel IIpower supply system harmony wave manages present condition,making USe of existing PF,this text put forward a kind of suitable for Hengyang steel power supply system harmony wave manage of merge the topological

11、of a mixture type APF,and carried on principle analysis to it and negative power filter wave part and active power filter a part of parameter design.Finally,to set up a kind of artificial module that is suitable for connecting mixing type APF in parallel at the same time,utilize MATLAB artificial so

12、thare to carry on the artificial experiment, artificial result indicate,connect person who mix in parallel bus bar wave weight in harmony of electric current active electric wave filter can strain well,have better dynamic compensationand ability to inhibit wave in harmony,have important theory meani

13、ng and practical value of project.Key words:active power filter,electric power system,harmonic, ip、iq algorithmIII原创性声明本人声明,所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知,除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。作者签名:业 日期. 吐年卫月丛日 关于学位论文使用授权

14、说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有 权保留学位论文,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,可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文; 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。名:醴聊签名隧吼珥年卫月监日工程硕士学位论文 第一章绪论 第一章 绪论随着社会的发展和科技的进步,尤其是各种电力电子装置的广泛应用,谐波 作为评价电能质量的重要因素,引起了人们越来越多的关注,因此抑制电网谐波, 提高电能质量已成为当今相关学科研究的热点问题之一。1.1电力系统谐波概述“谐波”一词起源于声学,在声学中谐波表不一根弦或一个空气柱以基波频率 的倍数频率

15、振动。电气信号也是如此,国际上公认的谐波含义为:谐波是一个周 期电气量的正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍【11.有关谐波的数学分析在 18世纪和19世纪已经奠定了良好的基础。傅里叶等人提出的谐波分析方法至今 仍被广泛应用。在供电系统中,通常总是希望电网提供的交流电压和交流电流都是正弦波, 正弦波电压数学表达式为“(f=而sin(rot+ (11 式中缈:2nf:下21it【,电网电压的有效值,其幅值为42u缈-初相角03、厂和卜工频角频率、频率和周期在电路中线性无源元件上的电压和电流的关系,不外乎比例、微分和积分等 关系。正弦周期函数在进行加、减、微分和积分等运算时仍保持正弦函数的特点。

16、但当正弦波形发生畸变,对于周期为r:丝的非正弦电压“(研,一般满足狄里 赫利条件,可分解为如下形式的傅立叶级数。u(cat=口。+(口刀cos cot+6刀sin at (1.2 n=l式中口o.去r"u(cotd(ot”蛔C0sn缈td(02t钆=三踟邮i11玎训(卅(,l=l、2、3工程硕士学位论文 第一章绪论或 ”(研=+q siIl(研+纯 n=l (1.3式中q=厢吼=口心(%。从上可知畸变波形可以用一系列不同频率的正弦波函数之和来近似。以图 1.1所示的周期性方波为例,可以用若干正弦波形叠加来近似表示。f。 L 兰sinroot1/gl"/。T/2., 之07/

17、" 入 /r2石。一 /VA _万3(sinroot+1jl/V1r/2., 0 0万 八A2zrf。 厂/、/刀赢”3+扣1/v V物2.,乏0万I/、屈/r2万1-。八、hsinroot+Jl" 毛3h 1,V V V一17/2T 王07/" ./12万 7 V”V、,V图1.1用一组正弦波叠加来近似表示方波 +三sirootn 7ran +一Sl7siIl国。f项称为基波,其周期与原畸变波形的周期相同,其它各项均称为谐 波。由于谐波的频率是基波的整数倍,我们也常称之为高次谐波。从以上定义可以知道,谐波次数行必须是正整数,刀不能为非整数。例如我 国电力系统的额

18、定频率为50Hz,则基波为50Hz, 2次谐波为100Hz,3次谐波 为150Hz。以上公式及定义均以非正弦电压为例.对于非正弦电流的情况也完全 适用,把式中u(tot转成i(cot即可。暂态和谐波现象是两个不同的概念。根据傅立叶级数的基本理论,被变换的 波形必须是不变的周期性波形,但是实际供用电系统的负荷总是变化的,而负荷 的变动会影响系统中谐波的含量。但在实际分析中,只要被分析的波形持续适当 的时间和周期,就可以应用傅里叶级数变换。暂态现象在供电系统中总是不断产 生的,有时对供电系统和电子设备的工作会起到破坏作用。采用现代谐波抑制装 置,对暂态现象的不利影响有一定的抑制作用。2工程硕士学位

19、论文 第一章绪论以次谐波电压含有率以HR玑(Harmonic ratio巩表示.舰瓯:争×100%(1.4 01式中 虬一第n次谐波电压有效值(方均根值;U一一基波电压有效值.谐波电压含量为UH=(1.5 谐波电压的总畸变率为THDu=瓷x100%n6, 同理可以写出谐波电流的相应表达式HR/、In、THDI。1.1.1产生谐波的主要谐波源除了特殊情况下,波形畸变现象的产生主要是由于大容量电力设备和用电 整流或换流设备,以及其它非线性负荷造成。当正弦基波电压(当电源阻抗为零 阻抗时施加于非线性负荷时,负荷吸收的电流与施加的电压波形不同,从而引 起电网电压、电流波形畸变,导致电能质量下

20、降,畸变的电流影响电流回路中的 配电设施,诸如变压器、导线、开关设备等。这些电力设备和用电设备从电力系 统中吸收的畸变电流可以分解为基波和一系列的谐波分量,其谐波电流含量基本 取决于它本身的特性和工作状况以及加给它的电压,而与电力系统的参数关系不 大,因而常被看作谐波恒流源。电力系统中的主要谐波源可分为两大类:(1含半导体非线性元件的谐波源: (2含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。前者如各种整流设备、交直流换流设 备、变流器、直流拖动设备整流器、PWM变频器、相控调制变频器以及现代工 业设施为节能和控制用的电力电子设备等。后者如交流电弧炉、交流电焊机、日 光灯和发电机、变压器及铁磁谐振设备等。家

21、用电器设备分属于上述两类谐波源。 虽然其容量小,但数量大,因此也是不可忽视的谐波源。电气铁道机车采用的大 容量单相整流供电设施,除了产生大量谐波电流外,还对三相交流供电系统产生 不平衡负荷和负序电流、电压。电弧炉等含电弧的冶炼设备和电焊设备,除产生 谐波外还产生间谐波和造成电压闪变。这些负荷都使电力系统的电流和电压产生 畸变。公用电网中的谐波源主要有各种电力电子装置、变压器、发电机、电弧炉、 荧光灯等。在电力电子装置应用之前,最主要的谐波源是电力变压器的励磁电流,工程硕士学位论文 第一章绪论其次是发电机,在电力电子装置大量应用之后,它成为最主要的谐波源。较多文献指出,上述各种谐波源主要是谐波电

22、流源,其所产生的谐波电流取 决于谐波源本身的特性,基本上与供电网的参数无关f24】。如大量应用的直流侧 为阻感负载的整流电路,其谐波电流是由直流电流的半导体器件切换方式决定 的,几乎和交流电压无关。但是,直流侧为电容滤波的二极管整流电路就不能看 成谐波电流源。因其电流侧电压近似为恒值,直流电压通过二极管切换加到变流 侧,因此,应看成谐波电压源。在各种家用电器中大量使用的开关电源及变频器 中,都广泛采用这种电容整流二极管滤波电路,而谐波电压源和谐波电流源的分 析方法和治理方法有很大的不同,因此必须加以注意。通过对上述产生谐波的主要谐波源的了解,将会对谐波分析和抑制起着非常 重要的作用。1.1.2

23、谐波的严重危害和治理意义非线性设备的大量应用使得电力系统中的谐波畸变问题日益严重。电力系统 谐波已成为影响电能质量的公害,其危害主要表现在以下几个方面:(1使电力电容器产生谐振,造成电容器的故障与损坏。在工频频率下, 电网中的电容器的容抗比系统的感抗大得多,不会产生谐振。但对谐波而言,系 统感抗大大增加而容抗大大减小,就可能产生并联谐振或串联谐振。这种谐振会 使谐波电流放大几倍,甚至数十倍,会对系统,特别是电容器和与之串联的电抗 器形成很大的威胁,常常使电容器和电抗器烧毁。(2增加旋转电机的损耗。谐波电压或电流会在电机的定子绕组,转子回 路以及定子和转子铁芯中引起附加损耗。由于涡流和集肤效应的

24、关系,定子和转 子导体内的这些附加损耗要比直流电阻引起的损耗大。另外,谐波电流还会增大 电机的噪音和产生脉动转矩。(3增加输电线的损耗,缩短输电线寿命。谐波电流一方面在输电线路上 产生谐波压降,另一方面增加了输电线路上的电流有效值,从而引起附加输电损 耗。在电缆输电的情况下,谐波电压的正比于其幅值电压的形式增强了介质的电 场强度,这影响电缆的使用寿命,据有关资料介绍,谐波的影响将使电缆的使用 寿命平均下降约60%。(4增加变压器的损耗。变压器在高次谐波电压的作用下,将产生集肤效 应和邻近效应,在绕组中引起附加铜耗,同时也使铁耗相应增加。另外,3的倍 数次零序电流会在三角形接法的绕组内产生环流,

25、这一额外的环流可能会使绕组 电流超过额定值。对于带不对称负载的变压器来说,如果负载电流中含有直流分 量,会引起变压器的磁路饱和,从而会大大增加交流激磁电流的谐波分量。 (5造成继电保护,自动装置工作紊乱。谐波能够改变保护继电器的动作4工程硕士学位论文 第一章绪论特性,这与继电器的设计特点和原理有关,当有谐波畸变时,依靠采样数据或过 零工作的数字继电器容易产生误差。谐波对过电流、欠电压、距离、周波等继电 器均会起拒动和误动的影响,保护装置失灵和动作不稳定。零序三次谐波电流过 大,可能引起接地保护误动作。(6引起电力测量的误差。测量仪表是在纯正弦波情况下进行校验的,如 果供电的波形发生畸变,仪表则

26、容易产生误差。比如,感应电能表对设计参数以 外的频率响应不灵敏,频率越高,误差越大,而且为负误差,当频率约为10Hz 时,电度表将会停止转动。(7干扰通讯系统。谐波会对邻近的通信系统产生干扰,轻者产生噪声, 降低通信质量;重者导致信息丢失,使通信系统无法正常工作。(8延缓电弧熄灭。在超高压长距离输电线路上,较大的谐波电流会使供 电弧熄灭延缓,导致单相重合闸失效,扩大事故。在消弧线圈接地系统中较大的 谐波分量同样会延迟或阻碍消弧线圈的灭弧作用。谐波分量还会使电流过零时的 击/出值过大,导致断路器断弧困难,影响断流能力州。综上所述,对电能质量已经不能仅用频率和电压这两个指标来评价了,谐波 已成为电

27、能质量另一重要指标。为了避免谐波的危害,不少国家和国际组织制订 了限制用电设备谐波的标准。可见,无论是从保障电力系统的安全、稳定、经济 运行的角度,还是从用户用电设备的安全,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。我国谐波治理的水平还比较低,对电力科技工作者来说,谐波治理问 题的研究具有十分重大的理论和现实意义。1.1.3谐波抑制的措施解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题的基本思路有两条: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,阻碍谐波源产生的诣

28、波注入电网,或者阻碍电力 系统的谐波流入负载端。(1主动型谐波抑制方法通过拓扑或控制的方法来改变非线性负载的特性,使之只从电网吸取正弦波 电流或者说从电网侧看负载等效为线性负载。在主动型的方法中,主要有:利用 脉宽调￥1(PWM技术降低谐波的方法、利用多重化技术减低谐波的方法以及这些 方法的组合。例如,利用变压器的不同连接的移相作用与一般整流电路结合,可 以构成多脉整流【7】:将多脉整流与控制移相结合,可以构成准多脉整流:将PWM 和多重化技术结合,构成移相多重化方法等。但对于多脉整流,尤其是24脉以 上的多脉整流,变压器的连接复杂,容量不能充分利用,成本高。工程硕士学位论文 第一章绪论主动型

29、谐波抑制方法的主要难题在于:成本高、效率低。同时,在运用PWM 技术的电力电子系统中,很高的开关频率使PWM载波信号产生高次谐波,还会 导致高电平的传导和辐射干扰。因此在设计主动型谐波抑制方案中,除了对电力 电子装置本身进行考虑以外,必须用滤波器将高次谐波信号从系统中滤除,防止 它们作为传导干扰进入电网:还要利用屏蔽防止它们作为辐射干扰进入自由空 间,对空间产生电磁污染。因此对于较大功率的电力电子装置,一般除了采用主 动型谐波抑制方法外,还要辅以无源或有源滤波器加以抑制高次谐波【盯。(2被动型谐波抑制方法被动型谐波抑制方法,是指通过装设谐波补偿装置来补偿谐波,达到谐波抑 制目的。装设谐波补偿装

30、置最传统的方法是采用LC调谐无源滤波器(Passive Power Filter,简称PPF。这种方法既可以滤除谐波,又可以补偿无功功率,而 且结构简单,一直被广泛使用。然而,这种方法的滤波特性受电网阻抗和运行状 态的影响,可能与系统发生串联、并联谐振,导致谐波放大,使LC滤波器过载 甚至烧毁。而且,它只能补偿固定频率的谐波,其滤波效果也不甚理想。随着电力电子技术的发展,谐波治理的一个重要趋势是采用有源电力滤波器 (ActivePowerFilter,简称APF。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流, 利用检测出的谐波电流生成逆变器的控制信号,然后去控制逆变器产生与该谐波 电流大小相等、相位

31、相反的补偿电流抵消电网中的谐波电流,从而使电网中只含 有基波电流。与无源电力滤波器相比,有源电力滤波器具有高度可控性和快速响 应性,具体来讲,有源电力滤波器不仅能补偿各次谐波,还可以抑制闪变、补偿 无功,有一机多能的特点:有源电力滤波器的滤波特性不受系统阻抗的影响,可 以消除与系统阻抗发生谐振的危险:有源电力滤波器具有自适应功能,可自动跟 踪补偿变化的谐波。有源电力滤波器的变流电路可分为电压型和电流型,目前实际应用中,90%以上是电压型,从补偿对象连接方式来看,又可分为并联型和串联型,目前运行 的装置几乎都是并联型。有源滤波器的一些需要进一步解决的问题主要有:提高 补偿容量、降低成本和损耗、进

32、一步改善补偿性能、提高装置的可靠性、针对不 同谐波源有不同的补偿对策等。针对有源电力滤波器和无源电力滤波器的各自优 缺点,取两者之长,避免它们的短处出现了很多种将二者组合起来构成混合滤波 器的方法.这是当前中、高压大功率有源电力滤波器的必然途径。【HJ1.2国内外有源滤波技术的研究和发展现状1971年,H.Sasaki和T.Machida发表的论文中.首次完整地论述了有源电力滤 波器(Active Power Filter,简称APF的基本原理【101,但由于当时采用线性放大6工程硕士学位论文 第一章绪论的方法产生补偿电流,其损耗大、成本高,因而仅局限于实验室研究,未能在工 业中实用。1976

33、年美国西屋电气公司L.6yugyi提出了用大功率晶体管组成PWM (Pulse Width Modulation,简称PWM逆变器构成的有源电力滤波器主电路的 基本拓扑结构和控制方法【l¨。从原理上看,PWM变流器是一种理想的补偿电流 发生电路,但是由于当时电力电子技术的发展水平还不高,全控型器件功率小、频 率低。因而有源电力滤波器的研制一直处于实验研究阶段。1983年,日本长冈科技大学的触a昏.H等基于p-q分解理论提出了三相电路 瞬时无功功率理论【l 21,为解决三相电力系统畸变电流的瞬时控制提供了理论依 据。与此同时,大功率晶体管(Giant Transistor,简称GTR、

34、大功率可关断晶 闸管(Gate Turn off,简称G1ro、静电感应晶闸管(Static Induetion Transistor, 简称SITH、功率场效应管(Power Mos Field EffectTransistor,简称MOSFET 及绝缘栅型双极性晶体管(Isolated Gate Bipolar Transistor,简称IGBT等新型快 速大功率开关器件问世;PWM调制技术、数字信号处理技术都取得了长足的进 步;以及对非正弦条件下无功功率补偿理论的深入研究,特别是以瞬时无功功率 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应用,极 大地促进了有源电力滤波

35、器技术的发展。目前,交流电网中用于对谐波、无功功 率、中线电流和不平衡电流等方面进行补偿的有源电力滤波器技术已经日趋成熟, 有源电力滤波器已在提高电能质量、消除三相电力系统中的电压谐波、调节终端 电压、抑制电压波动和改善电压平衡等技术中得到了广泛应用。在过去的二十多年中,提出了大量的有关有源电力滤波器的拓扑结构和控制 方法。自1980年起,已有大量论著论述了有源电力滤波器的研究工作,其中包 括并联型、串联型及混合型。与无源滤波器混合使用的串联型、并联型有源电力 滤波器是其中的典型装置。许多瞬时畸变电流检测方法与理论,如三相电路瞬时 无功功率理论,同步d.q坐标系原理,同步检测方法和陷波滤波器方

36、法等都被用 来发展三相有源电力虑波器。由于基于三相电路瞬时无功功率理论的有源电力滤波器已成功应用于实际 电网补偿中,在谐波和无功电流的实时检测技术方面,目前占主导地位的仍是对 于三相电路瞬时无功功率理论及其应用于单相电路的分析研究。寻求更加简便的 瞬时畸变电流检测方法已成为一种发展趋势,尤其是数字信号处理技术的发展, 出现了基于自适应技术、小波分析和神经网络的瞬时电流检测方法等。有源电力滤波器已经在电力系统中备受关注。无论是串联拓扑还是并联拓扑, 都已有过相当多的研究。在小容量非线性负载的场合有源电力滤波器可提供有效 的解决方案。可是要实现大容量的谐波补偿或实现有源补偿功能的多样性,需要 AP

37、F具有较大的装置容量。但由于受目前电力电子器件功率、价格及其串并联技7工程硕士学位论文 第一章绪论术等的限制,这势必使装置初始投资变大,并且大容量的有源电力补偿还将带来 大的损耗、大的电磁干扰以及制约APF的动态补偿特性等问题。因此,对于各 种性能优越的混合型有源补偿方案的研究应运而生。目前,有源电力滤波器的研究热点是混合型有源电力滤波器,它有能力抑制 谐波电压和电流,并且由于它是由有源电力滤波器和无源滤波器组成,解决了单 独使用有源或是无源滤波器所产生的不足。谐波和无功功率可以主要由无源滤波 器补偿,而有源滤波器的作用是改善无源滤波器的滤波特性,克服无源滤波器易 受电网阻抗的影响、易与电网发

38、生谐振等缺点。因而有源电力滤波器能以相对较 低的容量应用于大容量场合,提高了系统的性价比。关于有源滤波器的拓扑结构 的讨论也是近年的一个热点。我国在有源电力滤波器的应用研究方面起步较晚。直到1988年才有APF文 章的发表,吴竞昌等人出版的电力供电系统谐波一书是我国有关谐波问题较 有影响的著作。王兆安主编的谐波抑制和无功功率补偿对有源电力滤波器进 行了详细地分析和讨论。近年来研究机构有增多的趋势,但主要集中在高校和少 数科研机构,多为理论仿真研究和试验研究,在应用研究方面与国外相比,还有 较大的差距。但随着我国电能质量治理工作的深入开展,利用APF进行电能质量 治理会有巨大的市场应用潜力,有源

39、滤波技术必将得到更加广泛的应用。1.3论文的课题背景和主要研究内容企业中广泛使用的非线性负载(如电力电子换流装置向电网注入了大量的 谐波电流,严重污染了企业配电网和附近其他电力用户的安全用电环境,且随着 企业现代技术的改造,将会有更多的电力电子装置投入运行,企业配电网和公用 电网的谐波污染将更为严重。因此,治理电网谐波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,对有源滤波器及其相关技术进行研究具有重大 的理论意义和实际意义。本文以衡阳钢管厂供电系统为谐波治理对象。了解衡阳钢管厂的谐波主要由 电弧炉、大功率整流设备、轧制机械所产生,谐波源在性质上属于电流型谐波源。 提出了一种适合于

40、衡钢供电系统谐波治理的并联混合型APF的拓扑结构,对有源 电力滤波器的原理、结构进行了详细分析,提出适合本课题的谐波检测方法,介 绍混合有源电力滤波器各组成部分的参数设计方法并给出系统的仿真实验结果。8工程硕士学位论文 第二章有源电力滤波器理论分析 第二章有源电力滤波器理论分析有源电力滤波器是一种动态抑制谐波、补偿无功和负序的新型电力电子装 置,利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反 的电流,使电源的总谐波电流为零,达到实时补偿谐波电流的目的。本章将详细 介绍有源电力滤波器的结构和补偿原理。2.1有源电力滤波器原理有源电力滤波器系统包含两大部分组成:指令电流运算电路

41、和补偿电流发生 电路,其中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。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。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的指令信号,产生实际的补偿电流。主电路 目前均采用PWM变流器。图2.1所示为最基本的有源电力滤波器系统构成的原 理图【13l。图中,2.表示交流电源,负载为谐波源,它产生谐波并消耗无功功率。图2.1有源滤波器构成原理图有源电力滤波器的基本原理是:检测补偿对象的电压和电流,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

42、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,最终得到期望 的电源电流。例如,当需要补偿负载产生的谐波电流时,有源电力滤波器检测出 补偿对象负载电流t的谐波分量么,将其反极性后作为补偿电流的指令信号e,9工程硕士学位论文 第二章有源电力滤波器理论分析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么大小相等、 方向相反,因而两者互相抵消,使得电源电流中只含基波,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=t+ (2.1 屯=0+么 (2.3 |c 2一 (2.3 =t+=芬 (2.4 其中,为负载电流的基波分量。

43、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 求在补偿电流的指令信号中增加与负载电流基波无功分量反极性的成分即可。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。根据同样的原理,有源电力滤波器还可以对不对称三相电路的负 序电流进行补偿。以上介绍的有源电力滤波器基本原理时介绍的是最早也是最基本的有源电 力滤波器,即并联型有源电力滤波器,有源滤波技术发展至今根据不同场合、对 象的不同需求派生出很多类型,它们在原理上也发生了很大的变化。2。1.1指令电流运算电路为了有效补偿和抑制负载产生的谐波电流,首先必须实时检测负载电流中的 谐波分量

44、。现有的谐波电流检测和分析方法主要基于以下几种原理:(1带阻滤波器法:这种方法简单,它用带阻滤波器将基波电流从检测的电流中减去,从而得到 高次谐波电流作为补偿对象。但带阻滤波器是理想的模型,工程上不易实现,而 且使用窄带滤波器,会给检测结果带来附加相移,导致波形失真,同时无法检测 无功电流的基波分量及负序分量。所以这种方法多用于要求不高的场合。(2带通选频法和FFT变换法(快速傅立叶变换法带通选频方法采用多个窄带滤波器,逐次选出各次谐波分量:利用FFT变换 来检测电力谐波,是一种以数字信号处理为基础的测量方法,其基本过程是对待 测信号(电压或电流进行采样,经A/D转换,再用计算机进行傅里叶变换

45、,得到 各次谐波的幅值和相位系数。这两种方法都可以检测到各次谐波的含量,但以模 拟滤波器为基础的带通选频法装置,结构复杂,元件多,测量精度受元件参数、 环境温度和湿度变化的影响大,且没有自适应能力:后一种检测方法的优点是可10工程硕士学位论文 第二章有源电力滤波器理论分析同时测量多个回路,能自动定时测量。缺点是采样点的个数限制谐波测量的最高 次数,具有较长的时间延迟,实时性较差【l引。(3同步测定法该方法计算系统平均功率,并按一定的规则在三相内平均分配。它又可分为 等功率法、等电流法和等电阻法,即把补偿分量分配到三相去,分别使补偿后的 每相功率、电流或电阻相等。补偿后的电流均为与相电压同相位的

46、正弦波,基本 消除了无功和谐波成分,并且采用同步测定法的三种途径,还可以校正功率因数, 减少线路损耗,平衡线路电流。但应该注意到,三相电压的不平衡势必造成补偿 后的电流不平衡,含有无功和负序分量。并且由于该方法需要进行较多的计算, 时间延时较大,这些都大大地限制了它的应用范围。(4小波分析和神经网络是两种新兴的谐波电流检测方法,但这两种方法目前尚处于理论研究阶段. (5基于瞬时无功功率理论谐波电流检测方法基于瞬时无功功率理论谐波电流检测方法:包括pg法和f,法。这两种方 法已经比较成熟,在实际应用中用得较多。该理论的核心在于,突破了传统功率 理论中用平均值为基础的功率定义,系统地定义了瞬时无功

47、功率、瞬时有功功率 等瞬时功率量。将其分解为交流和直流,其交流部分对应于谐波电流,由此可以 计算谐波分量。基于此理论的P.q法和f。.毛法能够准确测量对称的三相三线制电 路谐波值,是目前应用的比较广泛的谐波检测方法之一.下一章我将详细分析此 算法,并提出基于传统f。.之法的新算法。2.1.2电流跟踪控制电路有源滤波器的电流跟踪控制电路与并联混合有源滤波器的电压跟踪控制电 路原理是相同的,但是要将有源滤波器控制为电压源,输出补偿电压为“,并通 过无源滤波器网络形成所需的补偿电流io,示意图见图2.2。图2.2并联混合有源滤波器控制框图为了方便后面的分析,此处分析电压跟踪控制电路。电压跟踪型PWM

48、控制 的方法主要有三种,即瞬时值比较方式,三角波比较方式和无差拍控制方式。 (1瞬时值比较方式图2.3所示为以一相的控制为例,采用滞环比较器的瞬时值比较方式原理图。工程硕士学位论文 第二章有源电力滤波器理论分析图2.3采用滞环比较的瞬时值比较方式在该方式中,把补偿电压的指令信号“,与实际的补偿电压信号“,进行比较, 两者的偏差“,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 通断的PWM信号,该PWM信号经驱动电路来控制开关的通断,从而控制补偿 电压的变化。这种控制方式特点是1硬件电路简单,响应速度快;2属于实时控制方式,电流响应很快;3不需要载波,输出电压中不含特定频率的谐波分量

49、;4属于闭环控制方式,这是跟踪型PWM控制方式的共同特点;5若滞环的宽度固定,则电压跟随误差范围是固定的,但是电力半导体器 件的开关频率是变化的.针对采用滞环比较器的瞬时值比较方式在环宽固定时的这一缺点.一种解决 的方法是将滞环比较器的宽度H设计成可随”,的大小而自动调节;另一种方法是 采用定时控制的瞬时值比较方式。(2三角波比较方式图2.4为三角波比较方式的原理图。图2.4三角波比较方式的原理图这种方式与其他用三角波作为载波的PWM控制方式不同,它不直接将指令 信号”。与三角波比较,而是将心与%的偏差“。经放大器K之后再与三角波比 较。放大器一般采用PID放大器。这样组成的一个控制系统是基于

50、把“。控制为 最小来进行设计的。与滞环比较方式相比,该方式有如下特点(1硬件较为复杂;12工程硕士学位论文 第二章有源电力滤波器理论分析(2跟随误差较大,o(3输出电压中所含谐波较少,但是含有与三角载波相同频率的谐波;(4放大器件的开关频率固定,且等于三角载波相同频率的谐波;(5放大器的增益有限;(6电流响应比瞬时值比较方式的慢。(3无差拍控制方式无差拍控制是在预测控制基础上发展起来的全数字化PWM技术,【15】文提 出的APF无差拍控制思想是:检测当前时刻的谐波电流和APF输出电流,利用 灰色理论预报未来时刻的谐波电流,由APF的数学模型求得未来时刻所有可能 的输出电流;然后构造目标函数,选

51、取与未来时刻谐波电流差值最小的输出电流 作为未来时刻的控制目标。16文在15文的基础上用当前时刻的谐波电流代替 下一时刻的谐波电流实现APF差拍控制。该方法的优点是能够响应电流的突然变 化,可预测谐波电流的变化趋势、易于计算机执行;缺点是计算量大,而且对预 测模型的依赖性较大,这些缺点阻碍了无差拍控制的工程化和实用化。文【17】提 出了一种改进差拍控制算法,克服了传统差拍控制算法复杂的缺点,有利于工程 实现。其它控制方法还有单周控制、组合变流器载波相移SPWM控制、无源性控 制、人工神经网络控制、递推积分PI控制等。2.1.3主电路形式有源滤波器的主电路通常采用PWM变流器,根据直流侧储能元件

52、的不同, 可分为电压型和电流型两种。图2.5a,2.5b分别示出可用于三相三线制系统的电压型和电流型PWM变流 器,图2.6a,2.6b分别示出可用于单相系统的电压型和电流型PWM变流器。 电压型PWM变流器的直流侧接有大电容,在正常工作时,其电压基本保持 不变,可看作电压源,为保持直流侧电压不变,需要对直流侧电压进行控制,在 交流侧的输出电压为PWM波;电流型PWM变流器的直流侧接有大电感,在正常 工作时,其电流基本保持不变,可看作电流源,为保持直流侧电流不变,需要对 直流侧电流进行控制,在交流侧的输出电流为PWM波。工程硕士学位论文 第二章有源电力滤波器理论分析abC8 b图2.5三相系统

53、有源电力滤波器主电路a电压型 b电流型图2.6单相系统有源电力滤波器主电路a电压型 b电流型电流型PWM变流器的一个优点是,不会由于主电路开关器件的直通而发生 短路故障。但是,电流型PWM变流器直流侧大电感上始终有电流流过,该电流 将在大电感的内阻上产生较大的损耗,因此目前较少使用。电压型PWM变流器的优势在于引起的损耗小,效率高于前者。由于直流侧 为大电压,因而绝对不允许上下桥臂的贯通,这样对主电路的保护要求高,运行 可靠性不如前者。另外,大容量时,电容的体积和成本随补偿器视在功率的增大 而显著增加。因此,电压型有源滤波器适用于低压配电系统中进行无功和谐波补 偿,用于高压配电系统补偿谐波时必

54、须采取一定的措施方能使用。就目前电力元器件和电力电子技术的现状来说,直流侧储能元件用大电容比 用大电感更具现实意义。但当超导技术达到实用程度时,电感储能比电容储能更14工程硕士学位论文 第二章有源电力滤波器理论分析具优势。综合考虑各种因素,本课题选择使用电压源型有源电力滤波器主电路结构, 本论文以下所有章节讨论的均是电压源型有源电力滤波器,以后不再赘述。2.2有源电力滤波器的拓扑结构有源电力滤波器(APF技术发展到今天,已出现了多种拓扑结构,根据APF 与系统的连接方式可将APF分为并联型APF、串联型APF、串一并联型APF三 大类。并联型APF包括单独使用方式、与LC滤波器混合使用方式(包

55、括与LC 滤波器并联和与LC滤波器串联两种,串联型APF包括单独使用方式和与LC 滤波器混合使用方式【l引。2.2.1并联型APF图2.7是单独使用的并联型有源电力滤波器的原理图,图中,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(15中为电容共同组成 APF的主电路。与APF并联的是小容量一阶高通滤波器,用于滤除APF所产生 的补偿电流中开关频率附近的谐波。由于APF的主电路与负载并联接入电网, 故称这种结构为并联型。又因为其补偿电流基本上由APF提供的,故称之为单 独使用的方式。Us图2.7单独使用的并联型APF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

56、偿电流基 本由变流器提供,故要求变流器具有较大的容量,这是这种方式的缺点。在多数情况下,并联型有源电力滤波器主要用于补偿可以看作电流源的谐波 源,此时,并联型有源电力滤波器本身表现出电流源的特性。工程硕士学位论文 第二章有源电力滤波器理论分析2.2.2串联型APF图2.8是串联型APF的原理图。这种方式的特点是APF作为电压源串联在 电源和谐波源(负载之间。APF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。图2.8单独使用的串联型APF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。串联型与并联型可看作对偶关系。2.2.3串并联型A

57、PFUS一图2.9串并联型APF 冈 I载f J._J图2.9是串并联型有源电力滤波器拓扑结构图,它是将并联型有源电力滤波 器与串联型有源电力滤波器结合起来,组合了串联型APF和并联型APF的优点, 既能补偿电流谐波,也能补偿电压谐波以及各种电压质量问题。但这种混合型 APF控制复杂,造价较高。162.2.4混合型有源电力滤波器(Hybrid Active Power Filter,HAPF由于单独使用有源电力滤波器要求其装置具有较大的容量,因此,单独使用 的有源电力滤波器在小容量非线性负载的场合可提供有效的解决方案,而在大容 量场合采用有源电力滤波器r(APF与无源滤波器(PF结合起来混合使

58、用,可以很好 地解决上述问题。基本思想是利用LC滤波器来分担APF的部分补偿任务。由于LC滤波器与 APF相比,其优点在于结构简单、易实现且成本低,而APF的优点是补偿性能 好。两者结合同时使用,既可克服APF容量大、成本高的缺点,又可使整个系 统获得良好的性能。APF与LC滤波器(PF混合构成混合型APF,其使用方式又可分为两种:一 种是APF与LC滤波器并联:另一种是APF与LC滤波器串联。(1并联APF+并联PF的HAPF1987年TakedaM.等人提出用并联型APF和并联PF相结合的混合型有源电力滤 波器(如图2.10所示。LC滤波器可以包括多组单调谐滤波器及高通滤波器,也 可以只包括高通滤波器(此时,PF补偿、吸收比较固定变化较慢的无功部分和频