（電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)論文）有源電力濾波器電流檢測和控制方法的研究與仿真.pdf

西南交通大學碩士研究生學位論文 第l l 頁 a b s t r a c t f o rt h ew i d ea p p l i c a t i o no ft h en o n l i n e a rl o a d sa n da l lk i n d so f c o n v e r t e r e q u i p m e n t sm a k i n g t h ep o w e rs y s t e mp o l l u t e dw i t ham a s so f h a r m o n i cc u r r e n t ， i ti su r g e n tt oe l i m i n a t eh a r m o n i ca n di m p r o v ep o w e r q u a l i t y t h ea p p l i c a t i o no f 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 yp r o v i d e st h ee f f e c t i v em e t h o do fd e t e c t i n g h a r m o n i cc u r r e n t ；a n df o rt h ei n h e r e n t s h o r t c o m i n g so fl cf i l t e r s a n dt h e d e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , i ti sb e i n ga ni m p o r t a n tw a y t o e l i m i n a t eh a r m o n i cd y n a m i c a l l yb ya c t i v ep o w e rf i l t e r s i nc h i n a , t h es t u d i e s a n de x p l o i t a t i o n si na c t i v ep o w e rf i l t e ri sa ti t s b e g i n n i n gs t a g e ，a n dl a r g e c a p a c i t ym a t u r ep r o d u c t sh a v e n o tb e e nc o m i n go u ty e t ，s ot h es t u d i e si na c t i v e p o w e r f l i e r sh a v e i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t h et w o k e y so f h a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i n ga n dc u r r e n tt r a c k i n gc o n t r o l l i n g h a v eag r e a ti m p a c to nt h ep e r f o r m a n c eo fa c t i v ep o w e rf i l t e r s t h e r e f o r e ，t h i s p a p e r d i s c u s s e st h eh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n t d e t e c t i n gm e t h o db a s e d o nt h e 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 ya n dp r e s e n t st h eh a r m o n i ca n dr e a c t i v e c u r r e n t d e t e c t i n g m e t h o db a s e dt h e i p i qa l g o r i t h m u s e di n t h r e e 。p h a s e t h r e e - w i r ec i r c u i t sa n dt h r e e 。p h a s ef o u r - w i r ec i r c u i t s t h em a t h e m a t i c sa n a l y s i s a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t se x a m i n et h e f e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h ec u r r e n t d e t e c t i n gm e t h o d m o r e o v e r , t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h ei m p r o v e ds c h e m e so f t h et w om a i nc u r r e n tc o n t r o l l i n gm e t h o d s ：t h ei m p r o v e dt r i a n g l e w a v el i n e a r c u r r e n t c o n t r o l l i n g m e t h o da n dt h e h y s t e r e s i s c u r r e n tv e c t o r c o n t r o l l i n g m e t h o d t h e f e a s i b i l i t y a n d s u p e r i o r i t y o ft h et w o i m p r o v e d c u r r e n t c o n t r o l l i n gm e t h o d s i se x a m i n e db yd y n a m i cs i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i s t oe x a m i n et h e v a l i d i t yo f t h ec o n t r o l l i n gs y s t e mo ft h es h u n ta c t i v ep o w e r f i l t e ra n du n d e r s t a n dt h ec o n t r o l l i n gr u l e sf u r m e r m o r e ，t h i sp a p e rs i m u l a t e st h e s h u n ta c t i v e p o w e r f i l t e r s y s t e m w i t h s i m p o w e r s y s t e m s b l o c k s e ti n m a t l a b s i m u l i n k t h es i m u l a t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h e t w o 。i m p r o v e d 西南交通大學碩士研究生學位論文第l il 頁 c u r r e n tc o n t r o l l i n gm e t h o d sc a l lf i l t e ram a j o r i t yo ft h el o a dh a r m o n i cc u r r e n t ， a n d t h e yh a v es u p e r i o r i t i e st 6t h et r a d i t i o n a lm e t h o d s ：r e d u c i n g t h ec a p a c i t ya n d t h ep o w e rl o s so ft h ea c t i v ep o w e rf i l t e re a s i l y ；a n dd e c r e a s i n gt h es w i t c h i n g f r e q u e n c yw i t h i nt h ec o n t r o l l i n gp r e c i s i o nt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h e a c t i v ef i l t e r t h es t u d i e si nt h i sp a p e rh a v es o m eg u i d a n c eo nt h ee x p l o i t a t i o no ft h e a c t i v ep o w e rf i l t e re x p e r i m e n t a ls y s t e m k e yw o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r ；h a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i n g ；c u r r e n tt r a c k i n g c o n t r o l l i n g ；i n s t a n t a n e o u s r e a c t i v e p o w e rt h e o r y ；d y n a m i c s i m u l a t i o i l 西南交通大學碩士研究生學位論文 第1 頁 1 1 引言 第1 章緒論 電力系統(tǒng)也是一種“環(huán)境”，同樣面臨著污染，電網(wǎng)中的諧波電流和諧 波電壓就是對電網(wǎng)環(huán)境的一種嚴重污染。電力電子裝置是電網(wǎng)中主要的諧波 源。隨著電力電子裝置應(yīng)用的日益廣泛，電網(wǎng)中的諧波污染也日趨嚴重。另 外，大多數(shù)電力電子裝置功率因數(shù)很低，給電網(wǎng)帶來額外負擔，并嚴重影響 供電質(zhì)量。因此，抑制諧波和提高功率因數(shù)已成為電力電子技術(shù)、電氣自動 化及電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域所面臨的一個重大課題【l 】。 有源電力濾波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r a p f ) 是一種用來動態(tài)抑制諧 波和補償無功的電力電子裝置，它能對頻率和幅值都發(fā)生變化的諧波和 無功電流進行補償，克服了無源電力濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功功 率補償方法的缺陷。有源電力濾波器補償電流的檢測和控制是決定其工 作特性的兩個關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，直接影響到它的補償精度和補償速度。因此， 研究諧波和無功電流的實時檢測和跟蹤控制具有非常重要的意義。 1 2 諧波的危害 從二十世紀六七十年代以來，由于大功率電力電子裝置的廣泛應(yīng)用、大 量家用電器的使用以及其它各種非線性負載的增加，導致電力系統(tǒng)波形畸變 日益嚴重，加上為了充分利用電工材料，對電工設(shè)備日益傾向于采用在其磁 化曲線臨界情況甚至飽和區(qū)段下工作，導致這些設(shè)備的勵磁電流波形嚴重偏 離正弦波而發(fā)生畸變，這些畸變成分是電力系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的根源。諧波對 電力系統(tǒng)電磁環(huán)境的污染日趨嚴重并且會危及系統(tǒng)本身和廣大電力用戶，由 諧波引起的各種故障和事故不斷發(fā)生，對國民經(jīng)濟和生產(chǎn)、生活造成了不必 要的損失，因此諧波污染的嚴重性受到專家和學者越來越多的關(guān)注，其危害 主要表現(xiàn)在以下幾個方面【5 2 】： 1 產(chǎn)生附加損耗，增加設(shè)備的溫升。與基波電流相比，盡管諧波電流 西南交通大學碩士研究生學位論文 第2 頁 所占的比例不太大，但設(shè)備的有效電阻會因集膚效應(yīng)而增大，在有鐵芯的電 器設(shè)備中，鐵芯的磁滯損耗和渦流損耗也將增大。這些附加損耗除增加電力 系統(tǒng)的損耗外，還使設(shè)備溫升增加，尤其是局部發(fā)熱點的溫升可能增加更多， 使設(shè)備絕緣老化加速。 2 惡化絕緣條件，縮短設(shè)備壽命。除附加發(fā)熱影響絕緣壽命外，還因 為在較高頻率的電場作用下，絕緣的局部放電加劇，介質(zhì)損耗顯著增加，致 使溫升提高。 3 引起電機的機械振動。由諧波電流和電機旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生的 脈動轉(zhuǎn)矩使電機發(fā)生機械振動，當電機機械系統(tǒng)的自然頻率在受到上述轉(zhuǎn)矩 激發(fā)而引起共振時，會損壞電機設(shè)備，甚至危及人身的安全。 4 無功補償電容器組會引起諧波電流的放大，甚至造成諧振。無功補 償電容器與電力系統(tǒng)中的電感構(gòu)成了局部電感、電容回路，它們的一些組合 有時會對某次的諧波電流起到放大的作用，加劇了諧波的危害。當其局部回 路的諧振頻率與系統(tǒng)中存在的某次諧波頻率相同或相近時，就會造成危險的 過電流和過電壓。 5 對繼電保護、自動控制裝置和計算機產(chǎn)生干擾和造成誤動作。這些 保護和控制設(shè)備通常都是按照工作于所加電壓或電流為工頻正弦波而設(shè)計 的，諧波的存在使它們的正常工作條件受到干擾，工作特性改變，嚴重時會 造成誤動作或拒動作。對計算機的干擾嚴重時使其無法正常工作。 6 影響測量儀器的精度，造成電能計量誤差。電力測量儀表一般是按 照工頻正弦波形而設(shè)計的，當存在諧波時將產(chǎn)生誤差。 7 干擾相鄰通信線路和鐵道信號線路的正常工作。諧波的干擾會引起 通信系統(tǒng)的噪聲，降低通話的清晰度。干擾嚴重時會引起信號的丟失，在諧 波和基波共同作用下引起電話響鈴，甚至發(fā)生危及設(shè)備和人身安全的事故。 1 3 諧波的抑制方法 當前，解決諧波污染的途徑主要有兩條：一是裝設(shè)諧波補償裝置，= 是 對電力電子裝置本身進行改造【。前者用來補償諧波時適用于各種諧波源， 其裝設(shè)原則是：在諧波源處就近安裝。這是因為待諧波電流進入高壓電網(wǎng)后 再采取措施，無論在技術(shù)上還是經(jīng)濟上都是不合理的。后者僅適用于對電力 電子裝置的諧波抑制。本節(jié)主要討論裝設(shè)諧波補償裝置來解決諧波污染方 西南交通大學碩士研究生學位論文 第3 頁 法。 傳統(tǒng)的方法是采用無源電力濾波器( 多為l c 調(diào)諧濾波器) ，這種方法 既可補償諧波又可補償無功功率，而且結(jié)構(gòu)簡單，一直被廣泛使用，但它的 補償特性受到電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)的影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導致諧 波放大，l c 濾波器過載甚至燒毀。而且，它只能補償固定頻率的諧波，補 償效果也不理想。盡管如此，l c 濾波器仍是目前補償諧波的主要手段。 采用有源電力濾波器抑制諧波是一個重要的發(fā)展趨勢。該方法的基本原 理是檢測出補償對象中諧波電流的大小，再由有源電力濾波器產(chǎn)生一個與諧 波電流大小相等、極性相反的補償電流抵消電網(wǎng)電流中的諧波成分，使其僅 含有基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，補 償特性也不受電網(wǎng)阻抗的影響，因而受到廣泛的重視。 隨著諧波問題的日益嚴重，國際電工委員會、國際大電網(wǎng)會議、國際供 電會議和國際電氣電子工程師協(xié)會相繼提出各自建議的諧波標準，我國也頒 布了治理諧波的國家標準電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定和電能質(zhì)量公 用電網(wǎng)諧波。 有源電力濾波器的工業(yè)應(yīng)用尚處于初期階段，日本和美國已有相應(yīng)的濾 波裝置投入實際的運行，我國目前正處于研制階段，進行有源電力濾波器的 研究和開發(fā)具有極其重要的意義。目前，由于大容量有源電力濾波器的成本 較高，其推廣受到一定的限制。但隨著大功率電子器件技術(shù)的發(fā)展及成本的 降低，有源電力濾波器將得到越來越多的應(yīng)用。 1 4 有源電力濾波器的電流檢測和控制方法 1 4 1 諧波電流的檢測方法“ 有源電力濾波器諧波電流的檢測不同于一般的諧波測量儀，它一般不需 要分解出各次諧波分量，只需檢測出除基波電流或基波有功電流之外總的畸 變電流即可。 目前電流的檢測方法可分為頻域和時域兩大類?；陬l域的電流檢測主 要有帶通( 帶阻) 濾波器檢測法、快速傅里葉變換法和小波變換法等，但由 于它們固有的缺陷，檢測效果差，不能滿足準確、實時性的要求。時域電流 檢測法在有源電力濾波器中應(yīng)用較廣，主要有同步檢測法、自適應(yīng)電流檢測 西南交通大學碩士研究生學位論文 第4 頁 法和基于瞬時無功功率理論電流檢測法等。以下對各種檢測方法作一簡單分 析。 1 帶通( 帶阻) 濾波器檢測法。模擬的帶通( 帶阻) 濾波器用于分離出 被測信號中的基波分量，一般采用5 0 h z 的帶通或帶阻濾波器把被測電流中 的5 0 h z 基波分量分離出來而得到諧波電流。該方法的優(yōu)點在于：電路結(jié)構(gòu) 簡單、造價低、輸出阻抗低、品質(zhì)因數(shù)易于控制。但也有許多缺點：濾波器 ，中心頻率對元件參數(shù)十分敏感，受外界環(huán)境影響較大，難以獲得理想的幅頻 特性和相頻特性：當電網(wǎng)頻率發(fā)生波動時，不僅影響檢測精度而且檢測出的 諧波電流含有較多的基波分量，大大增加了有源濾波器的容量和運行損耗： 此外，這種方法不能同時分離出無功電流。 2 快速傅里葉變換法( f f t ) 。該方法需要進行兩次f f t 變換，因而有一 定的時間延時：并且當電壓波形發(fā)生畸變時，將帶來較大的非同步采樣誤差， 對高次諧波的檢測精度影響較大。 3 小波變換法。小波變換作為一種新興的理論，時頻特性具有良好的 局部性，而且由于其高頻段采取逐漸精細的時頻步長，可以聚焦到分析對象 的任意細節(jié)。但由于小波函數(shù)的窗口能量不集中，從而造成混疊現(xiàn)象，并且 其頻率中心和半徑并不滿足二進條件，致使隨著尺度的伸縮出現(xiàn)分頻不到位 的闖題，加重了混疊現(xiàn)象。所以在有源電力濾波器中采用小波變換來實現(xiàn)諧 波電流精確實時檢測尚存在一定困難。 4 同步檢測法。針對三相不平衡系統(tǒng)的同步檢測法的基本思想是：分 別考慮各相的情況，并把補償分量分配到三相中，然后統(tǒng)一確定各相的補償 電流。該方法不是從電流的分解出發(fā)，而是從功率的平衡焦度來確定補償電 流，因此從嚴格意義上來講，該方法不是諧波和無功電流檢測法，但傳統(tǒng)上 把它歸結(jié)為電流檢測法。同步檢測法可分為等功率法、等電流法和等電阻法， 即把補償分量分配到三相中，分別使補償后的每相功率、電流或電阻相等， 其中等電流法在三種方法中是最優(yōu)的。 5 自適應(yīng)電流檢測法?；谧赃m應(yīng)干擾抵消原理的自適應(yīng)閉環(huán)檢測法， 把電壓作為參考輸入，負載電流作為原始輸入，電壓經(jīng)自適應(yīng)濾波器處理后， 輸出一個與負載基波有功分量的幅值、相位都相等的信號，將此信號從負載 電流中扣除，得到高次諧波和無功電流之和。由于該方法把基波電路作為噪 聲源，諧波電流作為信號源，構(gòu)成一閉環(huán)連續(xù)調(diào)整的諧波及無功電流的自適 應(yīng)檢測系統(tǒng)，因此該方法具有良好的自適應(yīng)能力。文獻 2 采用模擬電路制 西南交通大學碩士研究生學位論文 第5 頁 成的電流白適應(yīng)檢測單元，實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)的工作特性幾乎不受元件參 數(shù)變化的影響，當電壓發(fā)生畸變或頻率發(fā)生漂移時，檢測系統(tǒng)仍能正常工作。 文獻 3 采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的自適應(yīng)濾波器，仿真結(jié)果表明其效果是良 好的，所以，自適應(yīng)電路檢測法是一種有前途的新方法。但是，自適應(yīng)檢測 法的硬件實現(xiàn)電路復雜，軟件實現(xiàn)耗時較大，因此是否能用于工業(yè)實際還有 待于實際工程的驗證。 6 基于瞬時無功功率理論的電流檢測法。該電流檢測法又分為基于 p q 運算方式和基于i 。一屯運算方式兩種。其中，基于p q 運算方式的諧 波電流檢測法是由日本學者赤木泰文在二十世紀八十年代提出的，該方法具 有較好的實時性，并在三相系統(tǒng)中獲得了成功的應(yīng)用。理論上該方法具有較 好的響應(yīng)特性，時間延遲僅取決于低通濾波器的性能，若只檢測無功電流則 基本無延遲。但這種方法僅適用于三相平衡系統(tǒng)，而且僅限于電壓波形無畸 變的情況，當電壓波形有畸變時，諧波電流將會被淹沒一部分，影響了檢測 精度。基于f 。一i q 運算方式的諧波電流檢測法是由西安交通大學王兆安教授 在二十世紀九十年代提出的，該方法與基于p q 運算方式相比更適合電流 的快速檢測，即使當電壓波形有畸變，也能準確地檢測出全部諧波和無功電 流。 有源電力濾波器的諧波和無功電流檢測法對其整體性能至關(guān)重要，而基 于瞬時無功功率理論的電流檢測法具有較高的準確性和實時性，所以是目前 有源電力濾波器中使用最多的諧波和無功電流檢測法。本文也主要對基于瞬 時無功功率理論的電流檢測法作深入討論。 1 4 2 補償電流的控制方法。 有源電力濾波器要動態(tài)補償負載中的諧波和無功電流，其電流波形可能 復雜、變化速度快且有很大的隨機性。因此當有源電力濾波器的主電路及控 制對象確定后，其補償電流的控制方法將成為決定其性能和效率的關(guān)鍵性環(huán) 節(jié)。以下對目前采用的各種控制方法作一簡單介紹。 1 三角波脈寬調(diào)制電流控制方法是最簡單的一種控制方法。通過將檢 測環(huán)節(jié)得到的電流實際值與參考值之間的偏差與高頻三角載波相比較，所得 西南交通大學碩士研究生學位論文 第6 頁 到的矩形脈沖作為變流器各開關(guān)元件的控制信號，從而在變流器輸出端獲得 所需的電壓和電流波形。這種控制方式的優(yōu)點是動態(tài)響應(yīng)好，開關(guān)頻率固定， 實現(xiàn)電路簡單，輸出電壓的諧波脈動小。其缺點是：開關(guān)損耗較大，輸出電壓 中所含的特定頻率諧波成分較多，但用高通濾波器可以很容易地將其濾除。 2 滯環(huán)比較電流控制方法是將補償電流參考值與變流器實際電流輸出 值之差輸入到具有滯環(huán)特性的比較器，通過比較器的輸出來控制開關(guān)的開合， 從而使變流器輸出值實時跟蹤補償電流參考值。其特點是：開關(guān)損耗小、動 態(tài)響應(yīng)快，不用載波，輸出電流波形中不含特定頻率的諧波分量。其缺點是 系統(tǒng)的開關(guān)頻率、響應(yīng)速度及電流的跟蹤精度會受滯環(huán)帶寬影響。帶寬固定 時，開關(guān)頻率會隨補償電流變化而變化，從而引起較大的脈動電流和開關(guān)噪 聲，而且問其它方法相比同一開關(guān)頻率下輸出電壓中所含的諧波較多。 3 無差拍電流控制方法是一種在電流滯環(huán)比較控制技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來 的全數(shù)字化控制技術(shù)。該方法利用前一時刻的補償電流參考值和實際值，計算 出下一時刻的電流參考值及各種開關(guān)狀態(tài)下變流器電流輸出值，選擇某種開 關(guān)模式作為下一時刻的開關(guān)狀態(tài)，從而達到電流誤差等于零的目標。該方法的 優(yōu)點是能夠快速響應(yīng)電流的突然變化。缺點是計算量大，而且對系統(tǒng)參數(shù)依賴 性較大。 日本電氣學會的調(diào)查結(jié)果表明【4 】，三角波脈寬調(diào)制方法和滯環(huán)比較電流 控制方法在實際應(yīng)用中大體各占了一半。這兩種方法各有優(yōu)缺點，在實際應(yīng) 用中可以根據(jù)系統(tǒng)要求進行選擇。本文針對傳統(tǒng)的三角波脈寬調(diào)制方法提出 了改進方案；并提出了滯環(huán)電流控制的矢量模型，提高了有源電力濾波器系 統(tǒng)的性能和效率。 1 5 本文的主要工作 本文的主要工作如下： 1 介紹了常用的諧波抑制方法，分析了采用有源電力濾波器進行諧波 抑制的優(yōu)越性，討論了有源電力濾波器的諧波抑制原理、電流檢測和控制方 法，以及其主電路參數(shù)的設(shè)計原則。 2 介紹了基于瞬時無功功率理論的電流檢測方法，根據(jù)基于、運 西南交通大學碩士研究生學位論文第7 頁 算方式的諧波電流檢測方法在三相三線制電路中的應(yīng)用，本文提出了它在三 相四線制電路中的具體應(yīng)用方案。 3 分析了有源電力濾波器的電流控制方法，重點討論了廣泛使用的兩 種電流控制方法三角波脈寬調(diào)制電流控制方法和滯環(huán)比較電流控制方 法。在此基礎(chǔ)上，本文提出了改進的三角波調(diào)制電流控制方法和滯環(huán)電流矢 量控制方法。 4 在理論分析的基礎(chǔ)上，通過仿真驗證了改進的三角波脈寬調(diào)制電流 控制方法和滯環(huán)電流矢量控制方法的正確性和優(yōu)越性。 5 通過仿真分析有源電力濾波器的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性，并給出影響其穩(wěn) 態(tài)和動態(tài)特性的因素。 6 本文提出了具有抑制諧波、補償無功功率和負序電流、穩(wěn)定系統(tǒng)電 壓和抑制閃變等復合功能的有源電力濾波器的實現(xiàn)方案，仿真結(jié)桌驗證了通 過適當控制的有源電力濾波器可以同時實現(xiàn)諧波電流抑制、補償無功和負序 電流等復合功能。 西南交通大學碩士研究生學位論文 第8 頁 第2 章諧波理論與有源電力濾波器原理 2 1 引言 電力系統(tǒng)的諧波問題早在二十世紀二十年代就引起了人們的注意，我國 對諧波問題的研究起步較晚。目前有關(guān)諧波問題的研究可以劃分為以下四個 方面： 1 與諧波有關(guān)的功率定義和功率理論研究。 2 諧波分析以及諧波影響和危害的分析。 3 諧波的補償和抑制。 4 與諧波有關(guān)的測量問題和限制諧波標準的研究。 本章首先介紹諧波的定義及限制諧波的標準，然后詳細分析能夠動態(tài)抑 制諧波的有源電力濾波器的基本原理、分類以及系統(tǒng)構(gòu)成，為以后對其諧波 電流檢測方法和補償電流控制方法的研究奠定了基礎(chǔ)。 2 2 諧波定義和諧波電流限制 2 2 i 諧波的定義 1 在供電系統(tǒng)中，通?？偸窍Ｍ涣麟妷汉徒涣麟娏鞒收也ㄐ?。正弦電 壓可表示為： “( f ) = 互d s i n 0 f + d ) = 互u s i ( 2 礦+ 口) = 三d s i n ( 2 廚r + a ) ( 2 1 ) 式中u 為電壓有效值；口為初相角；為角頻率：廠為頻率；丁為周期。 正弦電壓施加在電阻、電感和電容這些線性無源元件上，其電流和電壓 分別為比例、積分和微分關(guān)系，仍為同頻率的正弦波。但當正弦電壓施加在 非線性電路上時，電流就變?yōu)榉钦也?，非正弦電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降， 會使電壓波形也變?yōu)榉钦也ā．斎?，非正弦電壓施加在線性電路上時，電 流也是非正弦波，對于周期為2 萬國的非正弦電壓“伍) ，一般滿足狄里赫利 西南交通大學碩士研究生學位論文 第9 頁 條件，可分解為如下形式的傅里葉級數(shù)： “缸) = 口0 + q 。c o s n c o f + 阮s i n n c o t ) ( 2 2 ) 式中 a o = 去卜p 。 = 三h 陋) c o s 0 耐乩 饑= 三一陋) s i n 0 耐k 或 “陋) = 口。+ c 。s i n ( n o x + q ，) ( 2 - 3 ) 式中，c 。、吼和口。、阮的關(guān)系為： 乞= 扣：+ 醒 純= a r c t g a 。b 】 d 。= c 。s m 9 。 以= c 。c o s 9 n 在式( 2 2 ) 或式( 2 - 3 ) 的傅里時級數(shù)中，頻率為o m 2 ，r 的分量稱為基波，頻 率為大于1 的整數(shù)倍基波頻率的分量稱為諧波，諧波次數(shù)為諧波頻率和基波 頻率的整數(shù)比。以上公式及定義均以非正弦電壓為例，對于非正弦電流的情 況也完全適用，把式中“( 耐) 換成f 向) 即可。 2 2 2 諧波的電流限制 由于電網(wǎng)中的諧波電壓和諧波電流對用電設(shè)備和電網(wǎng)本身都會造成很大 的危害，世界許多國家都發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國家標準，或由權(quán)威機構(gòu)制 定限制諧波的規(guī)定。制定這些標準和規(guī)定的基本原則是限制諧波源注入電網(wǎng) 的諧波電流，把電網(wǎng)諧波電壓控制在允許范圍內(nèi)，使接在電網(wǎng)中的電氣設(shè)各 免受諧波干擾而能正常工作。 世界各國所規(guī)定的諧波標準大都比較接近，通常都以電壓畸變率和電流 畸變率作為限制諧波含量的指標參數(shù)。以下首先介紹電壓畸變率和電流畸變 率的概念f 。 h 次諧波電壓含有率以h r u ( h a r m o n i cr a f i o u ) 表示： h r u = 1 0 0 ( 2 - 4 ) u l 式中u 。為第月次諧波電壓有效值：u 1 為基波電壓有效值。 西南交通大學碩士研究生學位論文 第l0 頁 n 次諧波電流含有率以h r , ( h a r m o r a cr a t i o i ) 表示： 刪。= 1 , 1 0 0 ( 2 - 5 ) 1 式中，。為第一次諧波電流有效值；，。為基波電流有效值。 諧波電壓含量u 。和諧波電流含量j 。分別定義為： 一 = 1 f u ： ( 2 - 6 ) i 。 ( 2 7 ) 電壓諧波總畸變率乃吼和電流諧波總畸變率t - d ；分別定義為： t d = 孚1 0 0 ( 2 - 8 ) u l t d i2 等加。 c ：母， 對于不同電壓等級的電網(wǎng)，允許的電壓諧波畸變率和電流諧波畸變率也 不相同。電壓等級越高，諧波限制越嚴。另外，對偶次諧波的限制也要嚴于 對奇次諧波的限制。 2 3 有源電力濾波器的分類 按照不同的劃分標準，有源電力濾波器有多種分類的方法，分別介 紹如下【2 3 】： 1 根據(jù)接入電網(wǎng)的方式不同，可以分為兩大類：并聯(lián)型有源電力濾 波器和串聯(lián)型有源電力濾波器。 并聯(lián)型有源電力濾波器與負載并聯(lián)接入電網(wǎng)，主要適用于電流型負 載的諧波、無功和負序電流的補償。串聯(lián)型有源電力濾波器與負載串聯(lián) 接入電網(wǎng)，主要消除電壓型諧波源對系統(tǒng)的影響。串聯(lián)型有源電力濾波 器中流過的是正常負載電流，損耗較大；并且串聯(lián)型有源電力濾波器的 投切、故障后的退出及各種保護也比并聯(lián)型有源電力濾波器復雜，因此 使用范圍受到很大的限制。 2 根據(jù)主電路的貯能元件不同，可以分為電壓型有源電力濾波器和 電流型有源電力濾波器兩種。 電壓型有源電力濾波器的主電路直流側(cè)接有大電容，正常工作時其 西南交通大學碩士研究生學位論文 第11 頁 電壓基本保持不變。電流型有源電力濾波器的主電路直流側(cè)接有大電感， 正常工作時其電流基本保持不變。但由于電流型主電路的直流側(cè)始終有 電流流過，該電流將在電感的內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的損耗，因此目前較少使 用。 3 根據(jù)主電路所使用的p w m 變流器數(shù)量，可以分為單個主電路有 源電力濾波器和多重化主電路的有源電力濾波器。后者可以提高有源電 力濾波器的容量，降低單個器件的工作頻率。 4 根據(jù)接入系統(tǒng)的不同，可以分為單相有源電力濾波器和三相有源 電力濾波器。后者又可以分為用于三相三線制電路的有源電力濾波器和 用于三相四線制電路的有源電力濾波器。 在各種有源電力濾波器中，單獨使用的并聯(lián)型有源電力濾波器是最 基本的一種，也是工業(yè)實際中應(yīng)用最多的一種，它集中地體現(xiàn)了有源電 力濾波器的特點。因此，本文主要以并聯(lián)的電壓型三相有源電力濾波器 為研究對象。 2 4 有源電力濾波器的基本原理 ：h p f： a p f ： l 一一一一一一j l 一一一一，一一一一一一一一一一一一一j 圖2 - l 并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)框圖 圖2 - 1 是并聯(lián)型有源電力濾波器的系統(tǒng)框圖，巳表示電源，負載為 諧波源( 即補償對象) ，a p f 為有源電力濾波器，h p f 為高通濾波器。 由圖可見a p f 由兩大部分組成，即指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電 乎蕁礎(chǔ)顙 西南交通大學碩士研究生學位論文 第12 頁 路。其中，補償電流發(fā)生電路又是由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和主 電路三部分構(gòu)成的。指令電路運算電路的核心是檢測出補償對象電流中 的諧波和無功等電流成分；補償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運 算電路得出的補償電流指令信號，產(chǎn)生實際的補償電流。主電路目前均 采用p w m 變流器。 有源電力濾波器的基本工作原理是：檢測補償對象的電壓和電流， 經(jīng)指令電流運算電路計算得出補償電流的指令信號，該信號經(jīng)補償電流 發(fā)生電路放大產(chǎn)生補償電流，補償電流與負載電流中要補償?shù)闹C波及無 功等電流抵消，最終得到期望的電源電流。在圖2 - 1 中，設(shè)負載的電流t ， 指令電流運算電路檢測出其中的諧波屯作為a p f 的指令電流f ，補償電 流發(fā)生電路輸出補償電流i 。跟隨指令電流的交化，與f 。抵消，于是電 網(wǎng)電流f ，= i l 一= f 。，即等于負載的基波電流，使電源電流成為正弦波。 若要同時補償負載的無功電流，指令電流運算電路需同時檢測出諧波電 流和無功電流作為a p f 的指令電流f ：，由此產(chǎn)生的補償電流i 。，可使 = i 。一t = f 。，即等于負載的基波有功電流，從而達到抑制諧波和補償 無功的功能。 2 5 有源電力濾波器的主電路 2 5 1 并聯(lián)型三相有源電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成 圖2 2 為一個典型并聯(lián)型三相有源電力濾波器系統(tǒng)的電路圖。有源電力 濾波器由控制電路和主電路兩部分組成：控制電路首先檢測出負載中的諧波 電流作為指令電流e ，然后將a p f 實際補償電流i c 與指令電流c 輸入電流跟 蹤控制電路產(chǎn)生變流器開關(guān)狀態(tài)信號配。，通過驅(qū)動電路控制交流器功率開 關(guān)器件的導通與關(guān)斷：主電路為三相電壓源變流器，直流側(cè)接有大電容， 正常工作時其電壓比基本保持不變。a - p f 經(jīng)濾波電感并聯(lián)在電網(wǎng)上， 輸出電流用以補償負載的諧波電流。 西南交通大學碩士研究生學位論文 第l3 頁 相 電 圖2 2 并聯(lián)型三相有源電力濾波器系統(tǒng)電路圖 2 5 2 有源電力濾波器主電路的參數(shù)設(shè)計”1 1 直流側(cè)電壓和輸出濾波電感三的確定 變流器的直流側(cè)電壓【，。和輸出濾波電感| 已可依據(jù)下式確定： u 女3 e 。 萬：z k l ：絲 9 開 ( 2 1 0 ) ( 2 一1 1 ) ( 2 - 1 2 ) 式中e 。是相電壓峰值：五取0 3 o 4 之間：。為補償電流指令信號最大 值：f 。為電流的控制周期。 u m 應(yīng)大于交流測相電壓峰值的3 倍，否則可能發(fā)生補償電流不能跟 隨指令電流i ：變化的情況。此外。u 。越大，l 。跟隨速度越快，但是這樣卻 提高了對器件耐壓的要求，同時增大了的紋波，所以要綜合考慮。輸出濾 j、 一 c 一 西南交通大學碩士研究生學位論文第14 頁 波電感l(wèi) 越小，t 跟隨速度越快；相反，l 越大，t 跟隨速度越慢。 2 主電路中功率開關(guān)器件的選擇 目前，有源電力濾波器中使用的全控型功率器件主要有b j t ( g t r ) 、i g b t 和g t o 等，它們的選擇首先應(yīng)滿足工作頻率和器件容量的要求，當單個器件 無法滿足容量要求時，可考慮采用器件的串并聯(lián)或主電路的多重化等方法。 其次，再考慮它們的價格。 器件的種類確定后，再確定其額定參數(shù)。其屯，額定電壓由直流側(cè)電壓 u 。決定，并考慮適當?shù)陌踩Ａ?；額定電流由補償電流t 決定，也應(yīng)當考 慮適當?shù)陌踩Ａ俊?3 主電路的容量計算 有源電力濾波器的容量e 可由下式確定： s 。= 3 e ，c( 2 - 1 3 ) 式中e 為交流側(cè)相電壓有效值。需要注意的問題是：第一，有源電力濾波器 的容量與補償電流的大小有關(guān)，因而與補償對象的容量及補償?shù)哪康挠嘘P(guān)： 第二，主電路中器件的耐壓由直流側(cè)電壓決定，而的確定與交流側(cè) 的相電壓峰值瓦密切相關(guān)但沒有唯一的對應(yīng)關(guān)系。 當有源電力濾波器只補償諧波時，有，。= l ，若補償對象為三相橋式 全控整流器，其要補償?shù)闹C波電流i 。z 2 5 1 。，所以，此時有源電力濾波 器的容量約為補償對象容量s 的2 5 。當有源電力濾波器在補償諧波時還補 償無功功率時，則有t = ，己+ f 磊。那么a p f 的容量s 。與補償對象的容量 s 之比為： 墅：生：焦互： sii = 再薩巧= 再a ( 2 - 1 4 ) 式中j 埔為要補償?shù)幕o功電流。可見，當有源電力濾波器同時補償諧波 和無功時，要求它的容量比只補償諧波時大。 西南交通大學碩士研究生學位論文 第15 頁 4 驅(qū)動電路及保護電路的設(shè)計 驅(qū)動電路及保護電路的設(shè)計要依據(jù)功率器件的種類來確定。由于各種器 件的導通和關(guān)斷機理差別很大，不同的器件有其對應(yīng)不同的驅(qū)動及保護電 路。 2 6 有源電力濾波器的特性 t , g 調(diào)諧濾波器抑制諧波，本質(zhì)上是頻域處理方法，即將非正弦周期電 流分解成傅里葉級數(shù)，對某些諧波進行吸收以達到治理的目的。有源電力濾 波器則是在時域內(nèi)對非正弦周期電流進行分解后，再進行適當?shù)碾娏餮a償， 從而改善電網(wǎng)的電流波形。有源電力濾波器與l c 調(diào)諧濾波器相比有如下特 性 1 】： 1 實現(xiàn)了動態(tài)諧波抑制和無功補償，并可對頻率和幅值都變化的諧波 及變化的無功功率進行補償，對補償對象的變化具有極快的響應(yīng)速度。 2 可同時對諧波和無功功率進行補償，且補償無功功率的大小可做到 連續(xù)可調(diào)。 3 補償無功功率時不需儲能元件，補償諧波時所需的儲能元件容量也 不大。 4 即使補償對象的電流過大，有源電力濾波器也不會發(fā)生過載，并能 正常發(fā)揮補償作用。 5 受電網(wǎng)阻抗的影響小，不易和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振。 6 能跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，故補償特性不受電網(wǎng)頻率變化的影響。 7 既可對一個諧波和無功源單獨補償，也可同時對多個諧波和無功源 集中補償。 2 7 小結(jié) 為了更好地理解有源電力濾波器對諧波的動態(tài)補償特性，本章首先介紹 了諧波的定義和限制諧波的標準：接著介紹了有源電力濾波器的分類并指 明本文的研究對象為并聯(lián)型三相有源電力濾波器；然后詳細分析了有源電力 濾波器主電路參數(shù)的設(shè)計原則；并總結(jié)了有源電力濾波器的濾波特性，它能 西南交通大學碩士研究生學位論文第l6 頁 克服l c 調(diào)諧濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法的固有缺點，具有良 好的調(diào)節(jié)性能，因而具有很廣闊的發(fā)展前途。 西南交通大學碩士研究生學位論文第17 頁 第3 章基于瞬時無功功率理論的電流檢測方法 3 1 引言 三相電路瞬時無功功率理論自八十年代提出來以來，在許多方面得到了 成功的應(yīng)用。該理論突破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎(chǔ)的功率定義，系統(tǒng)地定義 了瞬時無功功率和瞬時有功功率等瞬時功率量。以該理論為基礎(chǔ)的諧波和無 功電流實時檢測方法在有源電力濾波器中得到了成功和廣泛的應(yīng)用。本章首 先介紹瞬時無功功率的基本理論，然后介紹基于該理論的諧波和無功電流實 時檢測方法。 3 2 瞬時無功功率理論 3 2 1 三相瞬時無功功率理論“” 設(shè)三相電路各相電壓、電流的瞬時值分別為巳、氣和巳與、f 6 和t 把它們分別變換到兩相正交的a 一0 坐標系： 式中 鈾尉：勘- 1 2 曲- 1 2 2 ( 3 一1 ) ( 3 - 2 ) 1，j 巳巳 -。l 2g f i 1j ，。l 1j l = h h 心 2g l i 1j q 。l 西南交通大學碩士研究生學位論文第l8 頁 在圖3 - 1 所示的n 一1 3 平面上，矢量吃、昂和己、不分別合成( 旋轉(zhuǎn)) 電壓矢量；和電流矢量i ： ；= 屯+ 瓦= e z 9 。( 3 - 3 ) i = 0 + 0 = f 么純( 3 - 4 式中e 和i 為矢量孑和i 的模。 + 0 。 舀 ：確7 鰳 7 岱7 - 7 z g 圖3 - l 口一聲平面上各電壓、電流的矢量 三相電路瞬時有功電流f ，( 瞬時無功電流f 。) 為矢量i 在矢量；( 吾的 法線) 上的投影： ? ：i c o s 。( 3 - 5 ) h 2 l $ 1 n 伊 式中妒= 依一仍。 三相電路瞬時無功功率g ( 瞬時有功功率g ) 為電壓矢量i 的模與三相 電路瞬時無功電流( 瞬時有功電流f ，) 的乘積： 勺 西南交通大學碩士研究生學位論文第l9 頁 經(jīng)變換可得 i p = e l ， 【g = 出口 勺”1 一e aj b j ( 3 6 ) ( 3 7 ) 在上述f ，、i 。的定義基礎(chǔ)上，發(fā)展起來的基于f ，、運算方式的諧波電 流檢測法無論在電源電壓是否有畸變的情況下，都能準確地檢測出諧波和無 功電流【1 2 】。 3 2 2 瞬時無功功率理論與傳統(tǒng)理論的關(guān)系1 傳統(tǒng)理論中的有功功率、無功功率、有功電流和無功電流都是在平 均值或在相量意義上定義的，它們只適用于電壓、電流均為正弦波的情 況。而瞬時吞功功率理論中的概念都是在瞬時值的基礎(chǔ)上定義的，它們 不僅適用于正弦波，也適用于非正弦和任何過渡過程的情況。從定義可 以看出，瞬時無功功率理論中的概念在形式上和傳統(tǒng)理論非常相似，可 以看成是傳統(tǒng)理論的推廣和延伸。 下面分析三相電壓和電流均為正弦的情況。設(shè)三相電壓、電流分別 f 巳= e 。s i n 研 巳= 已s m 白一2 t r 3 ) 【巳= es i n 伍+ 2 ；口3 ) ( 3 8 ) f = ls i n ( 吐f 一妒) i b = l s i n ( c a - 2 r t 3 一) ( 3 9 ) 【= ls i n ( 耐+ 2 ，r 3 一痧) 利用式( 3 一1 ) 和式( 3 2 ) x c j 式( 3 8 ) 和式( 3 9 ) 進行變換，可得： 口 盧 p 已 ，l = 1；lll p g 、l 西南交通大學碩士研究生學位論文第20 頁 阱玩：i 糾 臥k i 筆) 式中e m ：= 廚。，l ：= 尻。 把式( 3 1 0 ) 和式( 3 1 1 ) 代入式( 3 7 ) 可得： j p 2 e zs i n 耐：s i n 向一) + e m ：c 。s 耐- l ：c 。s 陋一聲) = 要e l c 。s 礦 1上 卜2 一e ：c o s l ：s i n ( c a t 一) + 以：s i n c o t l ：c o s 向一廬) ：尋瓦ls i n # ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 【3 。1 2 ) 令e 2 巳2 ，= l 2 分別為相電壓和相電流的有效值，得： f p = 3 e i c o s , 1 9 ：3 e s 協(xié)廬 ( 3 - 1 3 ) 由式( 3 - 1 3 ) 可以看出，在三相電壓和電流均為正弦波時，p 、口均為常數(shù)， 且其值和按傳統(tǒng)理論算出的有功功率p 和無功功率口完全相同。 由上面的分析不難看出，瞬時無功功率理論包容了傳統(tǒng)的無功功率 理論，比傳統(tǒng)理論有更大的適用范圍。 3 3 基于瞬時無功功率理論的電流檢測方法- 設(shè)三相三線制電路中三相電壓對稱無畸變，則： i= 4 2 u s i n 似= - u s 近刪一，r ) ( 3 - 1 4 ) k = 廚s 誼+ 廳) 由式( 3 - 1 ) 、式( 3 5 ) 和式( 3 1 4 ) 可得： 西南交通大學碩士研究生學位論文 第21 頁 ( 3 一1 5 ) 因為三相三線制電路中不含基波和各次諧波零序電流分量，考慮三相電 流中含有基波和各次諧波正序和負序電流分量的一般情況，設(shè)三相電流分別 為： i 。= 托口。s i n ( n c o t ：壓量【，。i haltibs i n ( n a z + q ，擴 = 2 p 。 擴 f c ：壓至p ，。如g 矗+ + + 仍。) + j 2 。s i n ( n a z i + p 2 。 石) 和n 0 甜+ + 玎j + ( 3 - 1 6 ) 萬) + l ?？ 耐+ 仍。一石) 】 式中下標中的l 表示正序，2 表示負序，n 表示諧波次數(shù)( 當h =