模块化有源电力滤波器并联技术研究电气工程专业

1、第一章 绪论1.1 研究背景与意义电力技术的发展使人们的生活方式发生了巨大改变，电能也成为了人们日常生活中不可或缺的重要能源。电能质量即为电力系统中电能的质量，良好的电能质量适合用电设备正常工作。理想的电能应该是完美对称的正弦波，一些因素包括频率偏差、电压波动、波形畸变偏离对称正弦都会导致电能质量出现问题。电能质量的下降会对用电设备的安全运行造成重要影响，随着用电设备的不断普及，电能质量问题也成为了人们日益关注的问题，如何改善、提高电能质量的任务也日益紧迫 1。无源电力滤波器、有源电力滤波器和混合有源电力滤波器等成为了治理谐波问题、提高电能质量的主要手段。无源电力滤波器(Passive Pow

2、er Filter，PPF)由各种无源器件组合构成，包括电抗器、电阻器和电容器等。PPF因具有结构简单、维护方便、投资较少、技术相对成熟、成本低廉等优势在工业中应用比较广泛，当然PPF也存在着许多的不足，如存在占地面积大、损耗大、只能对特定次谐波进行补偿、电感电容元件容易形成谐振问题、容量不可调节等缺陷，这些问题限制了无源电力滤波器的发展。有源电力滤波器 (Active Power Filter， APF)相比于无源滤波器具有运行更加稳定、谐波补偿效果更好、不易于电网阻抗发生谐振、体积小损耗小等优势，近些年来发展迅速并在工业中得到了广泛的应用。当然，相比于无源电力滤波器，有源电力滤波器中的元器

3、件种类更多、对元器件的稳定可靠性要求更高、控制算法的实现也更为复杂。电力技术的不断发展导致用电设备的不断增加，因此大功率用电场合也不断增多，有源电力滤波器的容量也要增加以实现大功率的谐波补偿与谐波治理。单台APF应用于中低压小功率场合有效解决了电力系统中的电能质量问题并提升了电能质量。然而当APF应用于大功率且可靠性要求的工业场合时，由于单台APF存在器件容量、散热、体积、可靠性等限制因素，这些缺陷将导致单台在功率大且可靠性要求的场合难以满足要求。多模块APF并联具有体积小、可靠性好、扩展性强等优势成为了扩大APF容量的有效手段，可广泛应用于大功率且可靠性要求的工业场合并具有广阔的发展前景。因

4、此本文对模块化有源电力滤波器其中的关键技术进行研究，为模块化有源电力滤波器扩充容量且稳定可靠运行提供了有力的技术支持。1.2 多模块化有源电力滤波器国内外研究现状有源电力滤波器的基本原理提出与上世纪的70年代，可由于当时电力行业并未得到充分发展，且考虑到当时的生产能力和成本等问题，因而在工业场合难以得到广泛应用。有源电力滤波器的原理及概念于1971年由H.Sasaki等人首次提出。80年代以来，电力电子技术得到了飞速发展，全控型电力电子元器件的出现、PWM技术的进步为有源电力滤波器的发展奠定了坚实的基础。1983年，由日本H.Akagi等人提出的“瞬时无功功率理论”为谐波电流检测提供了重要的理

5、论依据，使有源电力滤波器得到了飞速的发展。之后， IGBT、MOSFET等半导体器件由于高频率且能够应用于大功率场合得到了广泛的研制，进一步加快了有源电力滤波器的发展。目前，国际上许多的知名电气公司都有相应的有源电力滤波器产品，如瑞士的ABB公司、德国的西口子公司、日本三菱电机公司等。我国在有源电力滤波器理论研究方面相对于国外较晚，直到1998年王兆安等人出版的谐波抑制和无功功率补偿才为我国谐波治理与电能质量问题奠定基础。哈尔滨工业大学、清华大学、浙江大学等于90年代开始对有源电力滤波器进行理论研究。2000年以后，我国一些公司如深圳盛弘、上海思源电气等才开始对有源电力滤波器产品进行开发与研制

6、。近些年来由于大功率用电场合的日益增多，传统的有源电力滤波器由于容量、可靠性等因素限制了其在大功率场合的应用，因此如何提升有源电力滤波器的容量和可靠性成为了有源电力滤波器的研究热点，提升有源电力滤波器容量常用的方法包括:混合型滤波器、多模块化并联、多重化等方法。混合型有源滤波器可以应用于高压大功率的谐波治理场合，当然它的主要缺点在于有源与无源的谐振问题难以解决且无源部分的参数难以设计。多重化技术由于共用一个直流侧可以减小体积，但电路稳定性可靠性较低，当其中一台APF出现故障时整个系统便难以运行，且控制电路的设计也较为复杂。多模块化有源电力滤波器因其可以提升系统的功率与可靠性，并且扩展性好、可实

7、现冗余控制，近些年来得到了广泛的研究，成为了有源电力滤波器应用于大功率工业场合的发展方向3-5。模块化有源电力滤波器实在模块化电源系统概念的基础上推广和引申出来的。早期的集中式供电系统由于采用单台大功率电源供电，因此供电可靠性较低。在八十年代，以分布式电源为基础的模块化电源系统由于可实现热插拔，系统的安全性和可靠性得到了提升，于是替代了早期的集中式供电系统。模块化有源电力滤波器、模块化光伏逆变器组件等也由于模块化电源系统的生产与应用而得到了广泛发展，多模块化有源电力滤波器在大功率、可靠性要求高的工业场合也拥有很好的发展前景6。多模块化有源电力滤波器的优势主要为以下几点:(1)可进行容量扩展，可

8、进行冗余控制，可以根据功率等级调整有源电力滤波器的模块控制，以满足不同场合不同功率等级谐波治理，方便维修，系统拓展性强;(2)单个模块所占体积较小，使用方便，功率密度大。系统的开关频率降低，由此带来的开关损耗也相应减小;(3)可制造为统一尺寸，易于大规模、批量化生产，可以提高生产效率并节约成本; 图1.1为模块化并联有源电力滤波器的结构示意图，图中所示的模块化并联有源电力滤波器是由N个相同的APF模块并联组成，模块与模块之间相互独立，每个模块的输出电流可以相同也可完全不相同，一个模块出现故障从而停止工作时其它模块仍然可以正常运行，不会影响整个系统的稳定运行，从而保证了系统的高度可靠性与稳定性。

9、采用小功率有源电力滤波器并联形成模块化有源电力滤波器实现大功率谐波补偿已成为电能质量问题的重要解决方法。图 1.1模块化并联有源电力滤波器结构图Fig 1.1 Structure diagram of modular shunt active power filter1.3 多模块并联型有源电力滤波器关键技术1.3.1 多模块并联APF谐波检测技术模块化APF负载谐波电流检测算法的准确性是APF能否准确发出补偿电流的关键。APF常用的谐波检测方法主要可分为时域内和频域内的检测方法，基于时域内和频域内的具体谐波检测方法如图1.2所示。频域检测算法主要是基于傅里叶分析以实现数字信号处理，该方法在单

10、相系统和三相系统都适用，主要包括:传统的傅里叶和FFT算法、离散傅里叶算法(DFT)等。频域检测算法在稳态时谐波检测效果较好，可当系统处于动态时实时性较弱，故实际中应用较少。时域检测算法主要有:以瞬时无功功率理论为基础的p-q法、ip-iq法，以同步旋转坐标理论为基础的d-q法和其它算法等。这一类方法一般通过坐标变换得到瞬时有功功率和瞬时无功功率，通过低通滤波器得到直流分量，经过反变换得到三相电流的基波分量，用三相负载电流与得到的基波分量作差得到谐波分量。无论采用何种方法，准确、实时地提取出负载中的谐波电流是重中之重8。图 2.2有源电力滤波器主要谐波检测方法Fig 1.2 Main harm

11、onic detection method for active power filter1.3.2模块化并联APF谐波指令电流的分流与限流策略对于模块化APF并联系统来说，依据指令电流的分配方式不同谐波指令电流的分配主要有三种分配方式：多级补偿、分频补偿和谐波指令电流统一分配。有源滤波器多机并联运行系统采用多级分配方式时，该种方法存在各模块输出电流大小不等这一缺点，导致资源分配不均及资源利用不足，导致部分模块长期工作，减小了部分模块的使用寿命。分频补偿相比于谐波指令多级分配，可依据现场谐波电流的大小调整模块化APF运行的台数以实现优化配置并提高补偿资源利用率，但由于每台APF实现特定次频率谐

12、波补偿，若其中一台发生故障时则会造成特定频次谐波电流无法实现补偿，导致整体补偿效果的急剧下滑，因此分频补偿分配方式可靠性不高。谐波指令统一分配方式结合上述两者的优点，可以保证多机并联系统中所有模块所得负载电流信号同步。对于模块化APF并联系统来说，不仅需要较高的补偿精度及动态响应特性，当系统出现非致命故障时，还需要具备相应故障容错能力。指令电流超额是出现频率最高的非致命故障，该故障若不能够及时处理，整个模块化APF并联系统会处于过载状态，超过了元器件的额定值从而造成元器件的过热及损坏。常见的指令电流限幅值保护方式为：截断限幅和比例限幅。截断限幅是指当谐波指令电流某一时刻的瞬时值超过补偿阈值Im

13、ax时，需要将超出部分的指令电流限制于规定的补偿阈值Imax。比例限幅方法是指当前的谐波指令电流乘以一个比例系数，该系数可以是额定电流的有效值与当前输出电流有效值的比值，该方法可以有效地将谐波指令电流限制在有效值范围之内，从而达到限流补偿的效果。1.3.3 补偿电流控制技术补偿电流控制技术是APF实时、准确地跟踪指令补偿电流的关键技术，控制器的性能对APF谐波补偿效果有重要影响。由于APF所设计的控制器要跟随指令信号的变化而变化，因此控制器的设计不仅要考虑稳态性能，还要考虑动态性能。滞环控制、PI控制、重复控制、无差拍控制是APF补偿电流常用的控制策略。滞环控制将测得的补偿电流与指令电流作差后

14、将得到的误差信号输入滞环比较器，通过误差信号来产生PWM信号。滞环控制具有补偿精度高、设计简单、易于实现、鲁棒性较强、动态性能较好等优点。其主要的缺点是最终的补偿性能受滞环环宽的影响，减小滞环环宽能够提升补偿性能，可相应的需要增大器件开关频率，对器件的要求较高，并且滞环控制易引起谐振。PI控制是最通用的一种控制方法，由比例环节和积分环节构成，PI控制具有结构简单、鲁棒性高等优点。PI控制的比例项决定系统的动态响应速度，Kp越大，系统的动态响应越快，PI控制的积分项主要用来消除稳态误差，其速度由积分时间常数Ki来决定。PI控制器对直流指令信号以实现无静差控制，而APF的指令电流通常为各次谐波信号

15、，因此采用PI控制难以无法无静差控制。增加采样频率、开关频率等方法可以使PI控制精度提高，但这些方法的实现都较为困难。重复控制是一种高精度控制方法，该方法基于内膜原理，通常用于问题高精度场合。内膜原理是将外部动态模型植入内膜控制器并构成闭环系统以实现高精度低误差跟踪控制，APF的指令信号为谐波信号，在稳态时可以实现高精度无静差跟踪控制。重复控制的缺点也较为明显，动态时至少要一个周期响应时间，故重复控制存在动态响应慢，暂态过程存在延迟的缺陷。无差拍控制是根据已经建立APF数学模型预测下一个时刻的输出量，消除输出值与指令值之间存在的延时误差，时输出值与指令值完全一致。无差拍控制具有动态响应速度快、

16、易于数字化实现、控制精度高无误差等优点，但其精度依赖于所建立的数学模型的精度，当数学模型建立存在误差时控制精度不高，且当系统发生变化时数学模型也需要发生变化，动态特性较弱。1.3.4 直流侧电压控制技术为了保证系统的谐波电流跟踪能力、无功电流输出能力，APF直流侧电压必须稳定在一个高于电网线电压峰值的电压值，即控制直流侧电压值使其保持稳定。目前最常用的方法是将有功分量叠加在指令电流上以实现直流侧电容与电网之间有功分量的交换，以此来保持直流侧电压的稳定。PI控制器、模糊控制器、下垂控制器是已有的直流侧稳压控制方法。PI控制器是直流侧稳压最常用的控制方法，由于PI控制器稳态跟踪性能好，直流侧稳压效

17、果好，保证了APF谐波电流跟踪能力，故该方法已得到了广泛的应用。1.3.5 多模块并联APF谐振抑制技术APF模块在实现谐波指令电流跟踪控制时需要降低开关纹波的含量。三阶的LCL滤波器与单电感滤波器相比在高频段有更高的衰减率，在保证带宽的同时有效地减小了开关纹波电流，故近些年来得到了广泛研究。虽然LCL滤波器能够抑制谐波电流，但LCL滤波器存在电感、电容元件，易产生谐振，且采用LCL滤波器增加了控制器的设计难度，而且模块之间的LCL滤波器也会与网侧发生耦合，故并联模块的数量与并联系统的性能有着密切的关系，这些因素都需要考虑。无源阻尼法和有源阻尼法为目前最常用的谐振抑制方法11-13。无源阻尼法

18、是一种较为简单的谐振抑制方法，该方法在LCL电容支路串联一个阻尼电阻来抑制电感电容元件产生的谐振，无源阻尼法的控制框图如图1.3(a)所示，其中LCL滤波器谐振频率的关系式如式(1.1)所示。(1.1)无源阻尼法具有控制简单、易于实现、谐振抑制效果好的优势。缺点是电容支路电流流过电阻会使阻尼电阻存在损耗和发热现象。有源阻尼是通过对控制算法来抑制系统谐振，具有控制系统稳定、与无源阻尼相比不存在损耗和发热等优势。比较典型的有源阻尼法其等效控制框图如1.3(b)所示，该方法是将系统电容电流反馈来增加系统阻尼以达到谐振抑制的效果，其中Kc表示反馈系数。该方法有效克服了无源阻尼存在的缺陷，可由于反馈量的

19、增多使得控制系统的设计相较于无源阻尼较为复杂，且该方法会受到系统参数变化的影响，故鲁棒性较弱。 (a)无源阻尼控制框图 (b)电容电流反馈有源阻尼控制框图图 3.3 LCL滤波器阻尼控制框图Fig 1.3 Control block diagram of LCL filter damping 多模块APF并联系统由于模块数量的增加，相比于单个APF模块的谐振问题，多模块APF并联系统更加复杂。由于各模块的LCL参数与线路阻抗相关联，使得多模块输出回路相较于单模块APF构成了一个更大更复杂的高阶网络。这一高阶网络的存在可能会使得谐波电流放大，甚至存在APF并联系统谐振的可能 14-15。故研究多模块化APF谐振问题时必须考虑各LCL模块网侧阻抗耦合。1.4 本文主要内容本文以模块化有源电力滤波器并联技术研究核心出发点，重点研究了三相四线制模块化有源电力滤波器的具体实现，主要包括谐波指令电流检