畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）高壓混合有源電力濾波器控制算法的研究

1、哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文高壓混合有源濾電力波器控制算法研究摘要電力系統(tǒng)的諧波問(wèn)題隨著電力電子裝置的廣泛應(yīng)用變的越來(lái)越嚴(yán)重。諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題己成為電力系統(tǒng)迫切需要解決的問(wèn)題。將無(wú)源濾波器和有源濾波器相結(jié)合構(gòu)成的混合型有源電力濾波器，有助于減少諧波補(bǔ)償系統(tǒng)的初期投資，提高性能價(jià)格比，達(dá)到較好的諧波抑制的效果。本文主要研究并聯(lián)混合型有源電力濾波系統(tǒng)。首先對(duì)并聯(lián)混合型有源電力濾波系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理進(jìn)行了分析。hshiapf的有源部分與基波串聯(lián)諧振支路并聯(lián)，再與注入支路串聯(lián)形成一個(gè)整體，最后與單調(diào)諧無(wú)源濾波支路并聯(lián)接入電網(wǎng)。由于基波串聯(lián)諧振支路和注入支路的作用，有源部分承受的基波電壓非常

2、小，也幾乎沒(méi)有基波電流流入，其容量可以大大降低，適合于高壓大容量系統(tǒng)的應(yīng)用，初期投資也較小，其無(wú)源部分還可以承擔(dān)一定的無(wú)功補(bǔ)償任務(wù)。然后確定了基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)方法。接著著重分析svpwm空間電壓矢量控制的原理，推導(dǎo)其開(kāi)關(guān)時(shí)間的計(jì)算公式。最后對(duì)系統(tǒng)有源部分電壓型逆變器輸出波形進(jìn)行仿真，給出逆變器開(kāi)關(guān)作用時(shí)間的計(jì)算公式，并在matlab/simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真，測(cè)試結(jié)果表明混合型有源電力濾波系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)的諧波補(bǔ)償具有較好的補(bǔ)償效果。關(guān)鍵詞：并聯(lián)混合注入式；諧波檢測(cè)；瞬時(shí)無(wú)功；svpwmstudy on control algorithm of high-voltage hy

3、brid active power filterabstractthe power system harmonics problems with power electronic devices changed the broad application of increasingly prominent. harmonic suppression and reactive power compensation issue has become an urgent need to address the power system problems. passive filter and wil

4、l combine active filter consisting of hybrid active power filter, harmonic compensation system helps to reduce the initial investment and improve cost performance, to better the purpose of harmonic suppression.this paper studies parallel hybrid active power filter system. first parallel hybrid activ

5、e power filter system structure, operate principle of a detailed analysis. the active part of the hshiapf and the basic harmonic in series branch in parallel, then in series with the injection branch become a entirety, and finally in parallel with the single reactive passive filter branch connect wi

6、th the power grid. due to action of the wave series branch and the injection branch, the active part can undertake a low level of basic harmonic voltage, and almost no basic harmonic flow into this part, the capacity can be greatly reduced, so it apply to high voltage and large capacity of the syste

7、m, and initial investment was also small. moreover the passive part of hshiapf could also provide much reactive power. we determine based on the instantaneous reactive power theory of harmonic detection method. then focus on analyze the voltage control method of svpwm. then derive the equation of th

8、e switching times. in the end we emulate the current which was out of the voltage source inverter, we proposed the calculate equation of switching time. and we use matlab realize a simulation, the test result shows that the hybrid active power filter system harmonics compensation has good compensati

9、on effect.keywords：apf; harmonic detection; instantaneous reactive power; svpwm不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印- iii -目錄摘要iabstractii第1章 緒論11.1 電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因11.2 電力系統(tǒng)諧波的危害及治理意義21.3 電力系統(tǒng)諧波治理措施31.4 有源電力濾波器國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀51.5 apf的檢測(cè)與控制算法71.6 本文主要內(nèi)容與章節(jié)安排8第2章 注入式混合有源電力濾波器92.1 濾波器的基礎(chǔ)理論92.2 注入式有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)及原理112.2.1 主電路結(jié)構(gòu)112.2.2 hs

10、hiapf工作原理分析122.2.3 hshiapf有源部分的容量及諧波補(bǔ)償142.3 本章小結(jié)15第3章 基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的電流檢測(cè)173.1 諧波及無(wú)功電流檢測(cè)基礎(chǔ)理論173.2 基于瞬時(shí)無(wú)功理論的諧波檢測(cè)方法173.3 本章小結(jié)19第4章 基于空間電壓矢量svpwm控制204.1 空間矢量svpwm原理204.2 空間矢量svpwm的算法的實(shí)現(xiàn)224.3 空間矢量svpwm仿真244.4 本章小結(jié)26結(jié)論27致謝28參考文獻(xiàn)29附錄一32附錄二38千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”。打印前，不要忘記把上面“abstract”這一行

11、后加一空行- iv -第1章 緒論電壓、頻率和波形是衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)。隨著我國(guó)工業(yè)和民用電負(fù)荷的迅速增加以及各種電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，諧波污染隨著非線性負(fù)載的數(shù)量和容量日益增加而日益嚴(yán)重，與此同時(shí)，供電部門(mén)及其電力系統(tǒng)設(shè)備、用戶及其用電器對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，因此治理諧波問(wèn)題不容忽視。傳統(tǒng)的方法是基于諧振的無(wú)源濾波，但存在一定局限性。有源濾波能動(dòng)態(tài)治理各次諧波，因而成為諧波濾除技術(shù)的發(fā)展方向。本章首先闡述了電力系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生原因、危害及治理的意義，同時(shí)也介紹了諧波治理措施；然后分析了有源濾波器在國(guó)內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀提出有源濾波器的檢測(cè)與控制算法；最后介紹本論文的研究?jī)?nèi)容及各章節(jié)的安排。

12、1.1 電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因多種諧波源可引起波形畸變，電力生產(chǎn)傳輸、轉(zhuǎn)換和使用各個(gè)環(huán)節(jié)都可能產(chǎn)生諧波。一般情況下電網(wǎng)中諧波主要來(lái)自：一是供電電源本身；二是輸配電系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)備產(chǎn)生；三是用電設(shè)備產(chǎn)生，尤其是非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波所占比重最大。當(dāng)電力系統(tǒng)向非線性設(shè)備及負(fù)荷供電時(shí),這些設(shè)備或負(fù)荷在傳遞(如變壓器) 、變換(如交直流換流器) 、吸收(如電弧爐)系統(tǒng)發(fā)電機(jī)所供給的基波能量的同時(shí),又把部分基波能量轉(zhuǎn)換為諧波能量,向系統(tǒng)注入大量的諧波,使電力系統(tǒng)的正弦波形發(fā)生畸變,電能質(zhì)量降低1 。發(fā)電機(jī)是公共電網(wǎng)中的電源。其輸出電壓的諧波含量很小，實(shí)際的發(fā)電機(jī)中，由于三相繞組在制作上很難做到絕對(duì)對(duì)稱、

13、鐵心也很難做到絕對(duì)均勻一致以及其它一些原因，定子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不可能是理想的正弦波，因此在電源側(cè)輸出電壓中就會(huì)包含一定含量的諧波，這種諧波電動(dòng)勢(shì)的頻率和幅值只取決于發(fā)電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)和工作情況，基本與外接負(fù)載無(wú)關(guān)，可以看作恒定的諧波電壓源。由于在設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)時(shí)，通常會(huì)采取許多措施削弱諧波電動(dòng)勢(shì)的影響，所以其輸出電壓的諧波含量是很小的。電力變壓器是輸配電系統(tǒng)中最主要的諧波源。由于變壓器鐵心存在不同程度的飽和以及磁化曲線的非線性，再加上設(shè)計(jì)變壓器時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)性，其工作磁密通常選擇在磁化曲線的近飽和段上，就會(huì)使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有分布較廣的奇次諧波。各次諧波的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有

14、關(guān)。另外，高壓直流換流站的整流/逆變裝置等，由于器件開(kāi)關(guān)特性的影響，也會(huì)造成波形的不連續(xù)或形變，從而在輸配電線路中形成諧波。用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波是由與電力系統(tǒng)相連的各種非線性負(fù)載產(chǎn)生的2-3。隨著現(xiàn)代工業(yè)、電氣化鐵路和人民生活的高速發(fā)展，大量非線性用電設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生大量諧波注入電網(wǎng)，使電能質(zhì)量下降。1.2 電力系統(tǒng)諧波的危害及治理意義隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，供電系統(tǒng)中增加了大量的非線性負(fù)載，特別是以開(kāi)關(guān)方式工作的靜止變流器，從低壓小容量家用電器到高壓大容量的工業(yè)交、直流變換裝置都有著廣泛的應(yīng)用，它是一種非線性時(shí)變拓?fù)湄?fù)荷，不可避免地會(huì)產(chǎn)生非正弦波形，向電網(wǎng)注入諧波，已成為電網(wǎng)中的公害。供

15、電系統(tǒng)中還有電弧爐、電焊機(jī)、變壓器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)等其它非線性負(fù)載，都會(huì)在電網(wǎng)中產(chǎn)生不同頻率和幅值的諧波，甚至像電視機(jī)、熒光燈、電池充電器等裝置也會(huì)產(chǎn)生諧波，雖然單個(gè)裝置的容量不大，但由于數(shù)量很多，因此它們給供電系統(tǒng)注入的諧波分量也不容忽視。諧波不僅會(huì)消耗系統(tǒng)的無(wú)功功率儲(chǔ)備，其危害還主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面3-5:(1)造成繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置工作紊亂。諧波能夠改變保護(hù)繼電器的動(dòng)作特性，這與繼電器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和原理有關(guān)。當(dāng)有諧波畸變時(shí)，依靠采樣數(shù)據(jù)或過(guò)零工作的數(shù)字繼電器容易產(chǎn)生誤差。諧波對(duì)過(guò)電流、欠電壓、距離、周波等繼電器均會(huì)起拒動(dòng)和誤動(dòng)的影響，保護(hù)裝置失靈和動(dòng)作不穩(wěn)定。零序三次諧波電流過(guò)大，可能引起接地

16、保護(hù)誤動(dòng)作。(2)增加旋轉(zhuǎn)電機(jī)的損耗。諧波電壓或電流會(huì)在電機(jī)的定子繞組、轉(zhuǎn)子回路以及定子和轉(zhuǎn)子鐵芯中引起附加損耗。由于渦流和集膚效應(yīng)的關(guān)系，定子和轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)的這些附加損耗要比直流電阻引起的損耗大。另外，諧波電流還會(huì)增大電機(jī)的噪音和產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。(3)增加輸電線的損耗，縮短輸電線壽命。諧波電流一方面在輸電線路上產(chǎn)生諧波壓降，另一方面增加了輸電線路上的電流有效值，從而引起附加輸電損耗。在電纜輸電的情況下，諧波電壓以正比于其幅值電壓的形式增強(qiáng)了介質(zhì)的電場(chǎng)強(qiáng)度，這影響了電纜的使用壽命，據(jù)有關(guān)資料介紹，諧波的影響將使電纜的使用壽命平均下降約60%。(4)增加變壓器的損耗。變壓器在高次諧波電壓的作用下，將

17、產(chǎn)生集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，在繞組中引起附加銅耗，同時(shí)也使鐵耗相應(yīng)增加。另外，3的倍數(shù)次零序電流會(huì)在三角形接法的繞組內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，這一額外的環(huán)流可能會(huì)使繞組電流超過(guò)額定值。對(duì)于帶不對(duì)稱負(fù)載的變壓器來(lái)說(shuō)，如果負(fù)載電流中含有直流分量，會(huì)引起變壓器的磁路飽和，從而會(huì)大大增加交流激磁電流的諧波分量。(5)電力電容器引起的諧波放大。由于電容器的容抗與頻率成反比，因此在諧波電壓作用下的容抗要比在基波電壓作用下的容抗小得多，從而使諧波電流的波形畸變更比諧波電壓的波形畸變大得多，即便電壓中諧波所占的比例不大，也會(huì)產(chǎn)生顯著的諧波電流。特別是在發(fā)生諧振的情況下，很小的諧波電壓就可引起很大的諧波電流，導(dǎo)致電容器因過(guò)流而損

18、壞。(6)引起電力測(cè)量的誤差。測(cè)量?jī)x表是在純正弦波情況下進(jìn)行校驗(yàn)的，如果供電的波形發(fā)生畸變，儀表則容易產(chǎn)生誤差。比如，感應(yīng)式電能表對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)以外的頻率的響應(yīng)不靈敏，頻率越高，誤差越大，而且為負(fù)誤差，當(dāng)頻率約為1000hz時(shí)，電度表將會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。(7)干擾通訊系統(tǒng)。供電系統(tǒng)中的靜止變流器在換相期間電流波形發(fā)生急劇變化，該換相電流會(huì)在正常供電電壓中注入一個(gè)脈沖電壓，該脈沖電壓所包含的諧波頻率較高,甚至達(dá)到1mhz，因而會(huì)引起電磁干擾，對(duì)通信線路、通信設(shè)備會(huì)產(chǎn)生很大的影響。比如電力載波通信、遠(yuǎn)動(dòng)裝置信號(hào)以及與架空線平行的通訊線路，諧波的影響都很大。(8)對(duì)其它設(shè)備的影響，包括會(huì)導(dǎo)致功率開(kāi)關(guān)器件控制裝

19、置誤動(dòng)作、影響互感器的測(cè)量精度和使熔斷器在沒(méi)有超過(guò)額定值時(shí)就熔斷等方面的影響。綜上所述，對(duì)電能質(zhì)量已經(jīng)不能僅用頻率和電壓這兩個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)了，諧波已成為衡量電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。因此，諧波治理問(wèn)題的研究具有十分重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義。1.3 電力系統(tǒng)諧波治理措施電力系統(tǒng)諧波治理的措施主要有三種:一是受端治理，即從受到諧波影響的設(shè)備或系統(tǒng)出發(fā)，提高它們的抗諧波干擾能力；二是主動(dòng)治理，即從諧波源本身出發(fā)，使諧波源不產(chǎn)生諧波或降低諧波源產(chǎn)生的諧波；三是被動(dòng)治理，即通過(guò)外加濾波器，阻礙諧波源產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng)，或者阻礙電力系統(tǒng)的諧波流入負(fù)載端。受端治理可以通過(guò)在電網(wǎng)規(guī)劃時(shí)選擇合理的供電方式；對(duì)電力電容器

20、組進(jìn)行改造避免電容器對(duì)諧波的放大；提高設(shè)備抗諧波干擾能力，改善諧波保護(hù)性能等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用受端治理方式能夠改進(jìn)設(shè)備性能，使其在諧波環(huán)境中能夠正常工作。當(dāng)然這是有一定限度的，諧波較大時(shí)設(shè)備仍將受到嚴(yán)重影響。主動(dòng)治理可以通過(guò)增加變流裝置的相數(shù)或脈沖數(shù)；改變諧波源的配置或工作方式；采用多重化技術(shù)和脈寬調(diào)制pwm技術(shù)；設(shè)計(jì)或采用高功率因數(shù)變流器，注入式有源電力濾波器的關(guān)鍵技術(shù)研究與工程應(yīng)用進(jìn)行諧波疊加注入等方式實(shí)現(xiàn)。但主動(dòng)治理的成本較高，也會(huì)增加裝置的復(fù)雜度，甚至還會(huì)增加設(shè)備的功率消耗。被動(dòng)治理可以通過(guò)采用無(wú)源電力濾波器 ppf(passive power filter):采用有源電力濾波器apf；

21、以及采用ppf和apf的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。被動(dòng)治理方式在吸收諧波的同時(shí)還可以進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，運(yùn)行維護(hù)也比較方便，具有較大的靈活性。在三種諧波治理方式中，主動(dòng)治理和受端治理屬于諧波治理的預(yù)防性措施，它們更加強(qiáng)調(diào)的是對(duì)自身性能的改進(jìn)，無(wú)益于已有電網(wǎng)性能的改善。對(duì)于一個(gè)己經(jīng)存在諧波污染的應(yīng)用場(chǎng)合而言，綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本和控制的復(fù)雜程度，更多的是采取補(bǔ)救性措施，即被動(dòng)治理措施采用主動(dòng)治理方式，可有效限制諧波的產(chǎn)生，但由于諧波源的多樣性，要完全消除諧波是不可能的。因此，安裝濾波器對(duì)電網(wǎng)諧波進(jìn)行有效地濾波和補(bǔ)償也是諧波治理的一個(gè)重要研究方向。被動(dòng)治理措施主要有以下幾種:一、采用無(wú)源濾波器pf(passive fil

22、ter)。pf利用電感、電容元件的諧振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，從而減小流向電網(wǎng)的諧波電流，同時(shí)還可以補(bǔ)償無(wú)功功率。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低和維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。但由于其結(jié)構(gòu)原理上的缺點(diǎn)，在應(yīng)用中存在以下難以克服的缺點(diǎn):1) 只能對(duì)特定諧波進(jìn)行濾波。諧振頻率依賴于元件參數(shù)，因此單調(diào)諧濾波器只能消除特定次數(shù)的諧波，高通濾波器只能消除截止頻率以上的諧波。2) 濾波器參數(shù)影響濾波性能。由于調(diào)諧偏移和殘余電阻的存在，調(diào)諧濾波器的阻抗等于零的理想條件是不可能出現(xiàn)的，阻抗的變化大大妨礙了濾波效果。lc參數(shù)的漂移將導(dǎo)致濾波特性改變，使濾波性能不穩(wěn)定。3) 對(duì)于諧波次數(shù)經(jīng)常變化的負(fù)載濾波效果不好。當(dāng)濾波

23、器投入運(yùn)行之后，如果諧波的次數(shù)和大小發(fā)生了變化，便會(huì)影響濾波效果。并且需要根據(jù)高次諧波次數(shù)的多少，需設(shè)置多個(gè)lc濾波電路。4) 濾波特性依賴于電網(wǎng)參數(shù)。電網(wǎng)的阻抗和諧波頻率隨著電力系統(tǒng)的運(yùn)行工況隨時(shí)改變，對(duì)諧波電流的濾除效果受電力系統(tǒng)阻抗的影響較大。5) 可能與系統(tǒng)阻抗發(fā)生串并聯(lián)諧振。pf可能與系統(tǒng)阻抗發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振，從而使裝置無(wú)法運(yùn)行，使該次諧波分量放大，使電網(wǎng)供電質(zhì)量下降。6) 隨著電源側(cè)諧波源的增加，可能會(huì)引起濾波器的過(guò)載，電網(wǎng)中的某次諧波電壓可能在lc網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生很大的諧波電流。二、采用有源濾波器apf(active power filter)。apf的基本工作原理是將系統(tǒng)中所含有害

24、電流(電壓)檢出，并產(chǎn)生與其相反的補(bǔ)償電流(電壓)，以抵消輸電線路中的有害電流(電壓)。與pf相比，apf具有以下一些優(yōu)點(diǎn):1) 濾波性能不受系統(tǒng)阻抗的影響。2) 不會(huì)與系統(tǒng)阻抗發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化不會(huì)影響治理效果。3) 原理上比pf更為優(yōu)越，用一臺(tái)裝置就能完成各次諧波的治理。4) 實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)治理，能夠迅速響應(yīng)諧波的頻率和大小發(fā)生的變化。5) 由于裝置本身能完成輸出限制，因此即使諧波含量增大也不會(huì)過(guò)載。6) 具備多種補(bǔ)償功能，可以對(duì)無(wú)功功率和負(fù)序進(jìn)行補(bǔ)償。7) 諧波補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)頻率變化的影響。8) 可以對(duì)多個(gè)諧波源進(jìn)行集中治理。隨著大功率快速自關(guān)斷器件的不斷發(fā)展，基于瞬時(shí)無(wú)功

25、功率理論的諧波檢測(cè)方法的不斷完善，以及微機(jī)控制技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，有源濾波技術(shù)己得到極大的發(fā)展，成為提高電能質(zhì)量的有效工具6-7。1.4 有源電力濾波器國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀有源電力濾波器的發(fā)展最早可以追溯到二十世紀(jì)六十年代末。1969年b.m.bird和j.f.marsh發(fā)表的論文中8，描述了通過(guò)向交流電網(wǎng)注入三次諧波電流來(lái)減少電源電流中的諧波成分，從而改善電源電流波形的新方法。在該文中雖然沒(méi)有出現(xiàn)“有源電力濾波器”一詞，但其描述的方法是有源電力濾波器基本思想的萌芽。1971年，h.sasaki和t.machida發(fā)表的論文中9，首次完整地描述了有源電力濾波器的基本原理。但由于當(dāng)時(shí)是采

26、用線性放大的方法產(chǎn)生補(bǔ)償電流，其損耗大，成本高，因而僅在實(shí)驗(yàn)室中研究，未能在工業(yè)中實(shí)用起來(lái)。1976年，l.gyugyi等人提出了采用大功率晶體管pwm控制變換器構(gòu)成的有源電力濾波器10，并正式確立了有源電力濾波器的概念，確立了有源電力濾波器主電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法。從原理上看，pwm變流器是一種理想的補(bǔ)償電流發(fā)生電路，但是由于當(dāng)時(shí)電力電子技術(shù)的發(fā)展水平還不高，全控型器件功率小、頻率低，有源電力濾波器仍然局限于實(shí)驗(yàn)研究。進(jìn)入80年代，隨著電力電子技術(shù)以及pwm控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì)有源電力濾波器的研究逐漸活躍起來(lái)，成為電力電子技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。國(guó)外有源電力濾波器的研究以日本為代表，已進(jìn)

27、入大量實(shí)用化階段。由于日本社會(huì)的電氣化進(jìn)程早，一直受電網(wǎng)諧波問(wèn)題的困擾，有源電力濾波器的研究在日本受到了相當(dāng)?shù)闹匾?，因此從七十年代有源電力濾波器的思想產(chǎn)生以來(lái)，日本就投入了相當(dāng)多的人力物力進(jìn)行了深入的研究，現(xiàn)在有源電力濾波系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用在日本及歐美國(guó)家越來(lái)越多。1983年，日本學(xué)者akagi.h提出“三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論11”，以該理論為基礎(chǔ)的諧波和無(wú)功電流檢測(cè)方法12在有源電力濾波器中得到了成功的應(yīng)用，極大地促進(jìn)了有源電力濾波器的發(fā)展，使得七十年代提出的有源電力濾波器走出了實(shí)驗(yàn)室。此后這一理論不斷完善，在此基礎(chǔ)上有源電力濾波器的研究十年間有了長(zhǎng)足的進(jìn)展。akagi.h在1986年提出用并聯(lián)

28、有源電力濾波器消除諧波13。有源電力濾波器在這種裝置中相當(dāng)于一個(gè)諧波電流發(fā)生器，它跟蹤負(fù)載電流中的諧波分量，產(chǎn)生與之相反的諧波電流，從而抵消了線路中的諧波電流，使電源電流為正弦波，通過(guò)不同的控制，還可以對(duì)諧波、無(wú)功、不平衡等分量補(bǔ)償，因此功能多，聯(lián)結(jié)也方便，但該方法也存在諸多缺點(diǎn)。1987年，m.takeda等人提出了用并聯(lián)有源電力濾波器和并聯(lián)無(wú)源濾波器相結(jié)合的混合型有源電力濾波器方案。在這種電路中，有源電力濾波器仍起諧波補(bǔ)償?shù)淖饔?，無(wú)源濾波器分擔(dān)大部分諧波，因此有源電力濾波器容量很小，但這種有源電力濾波系統(tǒng)在使用時(shí)，電源與有源電力濾波器及無(wú)源濾波器之間存在諧波通道。f.z.peng等人在19

29、88年提出將串聯(lián)有源電力濾波器加并聯(lián)無(wú)源濾波器的結(jié)構(gòu)14，在這種方案中，有源電力濾波器對(duì)諧波呈現(xiàn)高阻抗，而對(duì)基波電流呈現(xiàn)低阻抗。因此有源電力濾波器相當(dāng)于一個(gè)電源和負(fù)載之間的諧波隔離裝置，電網(wǎng)的諧波電壓不會(huì)加在負(fù)載和無(wú)源濾波器上，而負(fù)載的諧波電流也不會(huì)流入電網(wǎng)。1994年，h.akagi等人提出了一種綜合了串聯(lián)有源電力濾波器和并聯(lián)有源電力濾波器的綜合有源濾波器15。其目的是在電網(wǎng)與公共連接點(diǎn)之間提供一個(gè)電壓和電流凈化裝置，消除用戶對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，同時(shí)保證用戶得到正弦供電電壓。串聯(lián)有源電力濾波器將電源和負(fù)載及無(wú)源濾波器隔離，使負(fù)載諧波電流流入無(wú)源濾波器，同時(shí)阻止電源諧波電壓流入負(fù)載端。并聯(lián)有源電

30、力濾波器提供一個(gè)零阻抗的諧波支路，使得負(fù)載中的諧波電流不會(huì)在無(wú)源濾波器上產(chǎn)生諧波電壓。該方案從拓?fù)渖蠈?shí)現(xiàn)了兩種方法的綜合。這種方式也稱為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(upqc)1617，目前還處于試驗(yàn)階段。這種有源電力濾波器兼有串、并聯(lián)有源電力濾波器的功能，可解決配電系統(tǒng)發(fā)生的絕大多數(shù)電能質(zhì)量問(wèn)題，具有較高的性價(jià)比，是今后值得推廣的一種裝置。近幾年來(lái)，國(guó)外學(xué)者己經(jīng)將有源電力濾波器實(shí)際應(yīng)用于從系統(tǒng)端與用戶端同時(shí)抑制和消除供電系統(tǒng)的諧波，從整體上改善電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量。我國(guó)對(duì)諧波問(wèn)題的研究起步較晚，吳竟昌等人1988年出版的電力系統(tǒng)諧波一書(shū)是我國(guó)有關(guān)諧波問(wèn)題較有影響的著作。此外，唐統(tǒng)一等人和容健綱等人分別獨(dú)

31、立翻譯了j.arrillaga等的電力系統(tǒng)諧波一書(shū)，也在國(guó)內(nèi)有較大的影響。在有源電力濾波器方面，我國(guó)的研究同樣起步較晚，直到1989年才見(jiàn)到這方面研究的文章18,1993，年才見(jiàn)到試驗(yàn)性的工業(yè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)19，國(guó)內(nèi)的研究基本處在理論及實(shí)驗(yàn)室階段。近幾年進(jìn)行這方面研究的單位在逐漸增加，主要集中在一些高等院校和少數(shù)研究機(jī)構(gòu)。從發(fā)表的文章看，以理論研究和實(shí)驗(yàn)為主，這些研究有的已達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平。西安交通大學(xué)的王兆安等人，對(duì)諧波及無(wú)功電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法進(jìn)行了一定的研究，以瞬時(shí)功率理論為基礎(chǔ)提出了諧波檢測(cè)算法20，對(duì)基于dsp芯片的單相綜合有源電力濾波系統(tǒng)的數(shù)字控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究21。浙江大學(xué)的

32、錢(qián)照明等都做了一些很有意義的研究22。華中科技大學(xué)的陳喬夫等人提出了基于基波磁通補(bǔ)償?shù)拇?lián)型有源電力濾波器，向串聯(lián)變壓器付方注入基波補(bǔ)償電流，使串聯(lián)變壓器對(duì)電網(wǎng)基波電流呈低阻抗，對(duì)諧波電流呈高阻抗，從而抑制諧波23。目前有源電力濾波器在我國(guó)的實(shí)際應(yīng)用并不多，與國(guó)外相比仍有很大差距，這與我國(guó)目前諧波污染日益嚴(yán)重的狀況很不適應(yīng)。相信隨著我國(guó)電能質(zhì)量治理工作的深入開(kāi)展和國(guó)內(nèi)對(duì)諧波問(wèn)題重視程度的提高，利用apf進(jìn)行諧波治理將會(huì)具有巨大的市場(chǎng)應(yīng)用潛力，有源濾波技術(shù)必將在我國(guó)逐漸得到廣泛的應(yīng)用。由近年來(lái)的國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用中可以看出有源電力濾波器的發(fā)展。從經(jīng)濟(jì)上考慮，可以采用apf與lc無(wú)源濾波器并聯(lián)使用的

33、混合型有源濾波系統(tǒng)，以減小apf的容量，達(dá)到降低成本、提高效率的目的。隨著半導(dǎo)體器件制造水平的迅速發(fā)展，尤其是igbt的廣泛應(yīng)用，混合型有源濾波系統(tǒng)低成本的優(yōu)勢(shì)將逐漸消失，而串并聯(lián)apf由于其功能強(qiáng)大、性價(jià)比高，將是一種很有發(fā)展前途的有源濾波裝置。在裝置技術(shù)上主要需要解決如下問(wèn)題：提高補(bǔ)償容量，降低成本和損耗，進(jìn)一步改善補(bǔ)償性能，多功能化，有源裝置小型化等。在有源電力濾波器的應(yīng)用方面主要應(yīng)解決：最優(yōu)配置，針對(duì)不同諧波源的相應(yīng)對(duì)策，有源電力濾波器的相互干擾，有源電力濾波器對(duì)電網(wǎng)上已裝設(shè)的lc濾波器的影響，有源和無(wú)源濾波器結(jié)合方式的研究。同時(shí)，通過(guò)采用pwm調(diào)制和可提高開(kāi)關(guān)器件等效開(kāi)關(guān)頻率的多重化

34、技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高次諧波的有效補(bǔ)償。1.5 apf的檢測(cè)與控制算法對(duì)三相apf已經(jīng)有了公認(rèn)的基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)和控制方法該方法最大優(yōu)點(diǎn)是無(wú)延時(shí)檢測(cè)瞬時(shí)性好在檢測(cè)三相電路諧波及無(wú)功電流中得到成功的應(yīng)用但該方法也存在使用乘法器多變換電路復(fù)雜計(jì)算量大調(diào)整困難等缺陷當(dāng)檢測(cè)精度要求較高時(shí)難于保證此外該方法不能直接用于單相系統(tǒng)的諧波檢測(cè)對(duì)單相apf盡管有許多諧波檢測(cè)和控制方法但都存在 一些問(wèn)題無(wú)法滿足實(shí)際要求迄今還沒(méi)有公認(rèn)成熟的諧波電流檢測(cè)方法鑒于此有必要找到性能更好的單相諧波電流檢測(cè)方法進(jìn)而構(gòu)造出新的apf。從apf的發(fā)展歷程中可以看到，諧波檢測(cè)方法的進(jìn)步在推動(dòng)apf一步步走出實(shí)驗(yàn)室的過(guò)程中發(fā)揮

35、了關(guān)鍵作用。最值得一提的是由日本學(xué)者赤木泰文(h.akagi)提出的三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論。該理論的提出以及隨后發(fā)展的諧波檢測(cè)技術(shù)最終使得apf真正意義上得到了工程推廣。諧波電流檢測(cè)算法中經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的指令信號(hào)，還不能直接控制逆變器，需要轉(zhuǎn)化為脈寬指令，這些指令作為逆變器中各開(kāi)關(guān)器件的通斷控制信號(hào)，控制的結(jié)果保證補(bǔ)償電流實(shí)時(shí)跟蹤其指令電流的變化，脈寬指令的產(chǎn)生過(guò)程稱為脈寬調(diào)制(pwm)。pwm可逆變流器以其優(yōu)越的性能廣泛地應(yīng)用于功率因數(shù)補(bǔ)償、電能回饋、有源濾波等電力電子領(lǐng)域，越來(lái)越受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注。德國(guó)學(xué)者h(yuǎn).w.vander brock等人提出的基于電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)，不僅使得電機(jī)轉(zhuǎn)

36、矩脈動(dòng)降低、電流波形畸變減小，而且與spwm技術(shù)相比，直流電壓利用率有很大提高，并易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)2425。電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)在交流傳動(dòng)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。1.6 本文主要內(nèi)容與章節(jié)安排本文主要介紹了有源電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)及其運(yùn)行原理，同時(shí)在第三章中闡述了有源濾波器的一種諧波檢測(cè)方法基于瞬時(shí)無(wú)功理論的諧波電流檢測(cè)發(fā)，最后在第四章中提出了空間電壓矢量控制方法并且進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)給出仿真波形。第2章 注入式混合有源電力濾波器隨著電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)的諧波污染日益嚴(yán)重。傳統(tǒng)的濾波方法是采用基于諧振原理的無(wú)源濾波器，但這樣只能濾除設(shè)定次數(shù)的諧波，且易與電網(wǎng)產(chǎn)生串、并聯(lián)諧振。有源

37、濾波器能動(dòng)態(tài)治理諧波，故成為諧波治理的主要方向26。有源濾波器能克服無(wú)源濾波器的缺陷，是極具有發(fā)展?jié)摿Φ闹C波補(bǔ)償方法。本章簡(jiǎn)述了基于電路理論的簡(jiǎn)單濾波原理，并且提出了注入式混合有源并聯(lián)電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其原理 ，最后綜合和分析了有源電力濾波器的補(bǔ)償特性。2.1 濾波器的基礎(chǔ)理論濾波器的基本濾波原理實(shí)際上都是基于簡(jiǎn)單的電路原理，基本的濾波原理只有分壓原理和分流原理兩種。用于降低諧波電壓的濾波器采用的是分壓原理，用于減小諧波電流的濾波器采用的是分流原理。分壓原理采用的是串聯(lián)阻抗分壓方式。基本的分壓電路如圖2-1所示，期中z2為分壓電阻，z2的阻值越大z1所承受的電壓u1將會(huì)越小。若u為諧波電壓

38、，為了減小加在阻抗為zl的負(fù)載或者電網(wǎng)支路上的諧波電壓，可以在該負(fù)載或電網(wǎng)支路中串聯(lián)一個(gè)諧波阻抗，以起到分壓的作用。其中，當(dāng)開(kāi)關(guān)位于1處時(shí)u=u1，當(dāng)開(kāi)關(guān)位于2處時(shí)u1=u-z2i。圖2-1 串聯(lián)阻抗分壓電路串聯(lián)型apf采用了分壓原理，串聯(lián)型apf能很好地對(duì)諧波電壓源進(jìn)行治理。當(dāng)然，實(shí)際的諧波電壓源并不是理想的諧波電壓源，比如直流側(cè)電容濾波的整流橋，其直流電容不可能無(wú)窮大，因此其它形式的濾波器對(duì)諧波電壓源也或多或少有一定的治理能力，只不過(guò)其濾波特性受諧波源內(nèi)阻影響很大，效果不如串聯(lián)型apf好。分流原理可采用串聯(lián)分流方式和并聯(lián)分流方式兩種方法實(shí)現(xiàn)。圖2-2為基本分流電路，其中i1和i2分別為主支

39、路和分流之路電流，z1和z2分別為主支路和分流支路阻抗。由圖2-2（1）所示可知方程為：當(dāng)開(kāi)關(guān)s位于1時(shí) 當(dāng)開(kāi)關(guān)s位于2時(shí) ?？梢?jiàn)，可以通過(guò)增大主支路阻抗z1和減小分流支路阻抗z2來(lái)減小流入主支路的電流i1 。同理，并聯(lián)阻抗分流方式如圖2-2（2）所示，并聯(lián)阻抗分流通過(guò)并聯(lián)一個(gè)支路電阻來(lái)減小流入主電路的電流。在現(xiàn)有的濾波器中，單獨(dú)安裝的ppf、單獨(dú)使用的并聯(lián)型apf、并聯(lián)apf+并聯(lián)ppf的混合型apf、注入型apf以及多變流器形式的并聯(lián)型apf，都采用了基于并聯(lián)阻抗方式的分流原理。其中，并聯(lián)apf+并聯(lián)ppf的混合型apf有兩條起并聯(lián)阻抗作用的支路。圖2-2分流濾波原理 由于大多數(shù)的變電站和

40、工礦企業(yè)配電網(wǎng)都需要在濾除諧波的同時(shí)進(jìn)行大容量的無(wú)功補(bǔ)償,因此將ppf 和apf 相結(jié)合構(gòu)成的混合型有源電力濾波器(hybrid active power filter :hapf) 綜合了前兩種濾波器的優(yōu)點(diǎn),可使整個(gè)系統(tǒng)獲得良好的性能26-29。但許多的混合形式中,并聯(lián)apf + 并聯(lián)ppf 形式的有源部分仍要承受基波電壓,容量需很大; 串聯(lián)apf + 并聯(lián)ppf 形式的連接變壓器流過(guò)負(fù)載基波電流,有源部分的絕緣和維護(hù)比較困難;并聯(lián)諧振注入型apf 不具備無(wú)功補(bǔ)償能力;串聯(lián)諧振注入型apf 若要同時(shí)獲得較好的諧波補(bǔ)償性能和較小的有源部分容量比較困難;apf 與ppf 串聯(lián)后再并聯(lián)接入電網(wǎng)的形

41、式雖然絕緣和維護(hù)比較方便,但不滿足大容量無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊?。并?lián)諧振混合注入式hshiapf有源濾波器是一種適應(yīng)高壓大容量環(huán)境、兼顧諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償、投資成本較小的綜合治理系統(tǒng)。2.2 注入式有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)及原理2.2.1 主電路結(jié)構(gòu)本章提出了一種大功率并聯(lián)混合注入式有源電力濾波器hshiapf(high-cacity shunt hybrid injection type active power filter)，其結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。hshiapf 以三相橋式電壓型逆變器(vsi) 作為主要的有源部分,采用基于igbt 模塊的pwm 逆變器,直流端為一大電容,輸出端接有輸出濾波器濾除開(kāi)

42、關(guān)器件通斷造成的高頻毛刺。30基波串聯(lián)諧振注入支路由電容c1 電感l(wèi)1 和電容cz 構(gòu)成,整體作為一條2 次無(wú)源濾波支路,其中c1 和l1 構(gòu)成基波串聯(lián)諧振電路。c1l1 電路在基波頻率處發(fā)生串聯(lián)諧振,阻抗很小,使得逆變器只需承受很小的基波電壓,有效服了有源濾波器的容量限制,降低了系統(tǒng)成本;對(duì)于高于基波頻率的諧波分量, c1l1 網(wǎng)絡(luò)阻抗隨頻率的增高迅速增大,有源部分產(chǎn)生的諧波電流絕大部分將流入注入支路, c1l1 網(wǎng)絡(luò)對(duì)有源部分的諧波輸出影響較小。系統(tǒng)利用無(wú)源部分在基頻時(shí)呈容性的特點(diǎn)補(bǔ)償所需的無(wú)功功率;有源部分和無(wú)源部分共同抑制負(fù)載諧波。并聯(lián)混合注入式結(jié)構(gòu)的采用,使得系統(tǒng)兼具較大容量的無(wú)功補(bǔ)

43、償和諧波抑制能力以及較小的逆變器容量,從而使得逆變器主電路避免采用多重化結(jié)構(gòu)或開(kāi)關(guān)器件的串并聯(lián),大大減少了實(shí)際工程造價(jià),有效提高了性價(jià)比。 圖中，us為電網(wǎng)電壓，zs為電網(wǎng)阻抗，is為電網(wǎng)電流，il為負(fù)載電流，iz為流入注入支路的電流，ic為hshiapf有源部分的輸出電流，ir為流入基波串聯(lián)諧振電路的電流，ip11、ip13分別為流入11次、13次無(wú)源支路的電流。從圖2.3可以看出，在結(jié)構(gòu)上，整個(gè)hshiapf與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，由無(wú)源部分和有源部分構(gòu)成:以電壓型逆變器vsi(voltage source inverter)為核心組成有源部分，以兩組單調(diào)諧無(wú)源支路和一條基波串聯(lián)諧振注入支路作為其

44、無(wú)源部分。其中，vsi為基于自關(guān)斷器件的脈寬調(diào)制pwm(pulse width modulation)逆變器，l0和c0為輸出電感和輸出電容，c代表直流側(cè)大電容。vsi通過(guò)耦合變壓器與由l1、c1構(gòu)成的基波串聯(lián)諧振電路。fsrc(fundamental series resonance circuit)并聯(lián)再與注入支路串連后接入電網(wǎng)。利用l1、c1在基頻處發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)阻抗很小的特點(diǎn)，將電網(wǎng)基波電壓主要加在注入電容cz上，而vsi部分只承受很小的諧波電壓，這樣可以有效降低有源逆變器的容量，從而大大降低系統(tǒng)成本;而對(duì)于高于基波頻率的諧波分量，l1c1網(wǎng)絡(luò)阻抗隨著頻率的增高而迅速增大，cz的阻抗隨

45、著頻率的增高而迅速減小，因此有源部分產(chǎn)生的諧波電流絕大部分將流入注入電路，fsrc對(duì)有源部分的諧波輸出影響較小。l0和c0構(gòu)成輸出濾波器，用于濾除逆變器輸出脈沖中的高頻諧波成分。 圖2-3 并聯(lián)混合注入式有源電力濾波器hshiapf主電路結(jié)構(gòu)2.2.2 hshiapf工作原理分析大功率并聯(lián)混合注入式有源電力濾波器hshiapf的工作原理進(jìn)行分析，畫(huà)出hshiapf的單相等效電路如圖2-4(a)所示。圖中，us表示系統(tǒng)電源電壓，諧波源是一個(gè)非線性負(fù)載zl，在只考慮諧波分量時(shí)被看作一個(gè)諧波電流源ilh，在只考慮基波分量時(shí)就是諧波源的基波阻抗zlf。圖中的is、ip、ir、iz、if;分別為電網(wǎng)支路

46、電流、并聯(lián)無(wú)源支路電流、基波串聯(lián)諧振支路電流、注入支路電流和hshiapf總的補(bǔ)償電流；zs、zp、zz、zr;分別表示電網(wǎng)阻抗、并聯(lián)無(wú)源支路阻抗、注入支路阻抗、基波串聯(lián)諧振支路阻抗。圖2-4(a) hshiapf的單相等效電路hshiapf 的有源部分(包括電壓型逆變器vsi、輸出濾波器和耦合變壓器) 被控制為一個(gè)理想的受控電壓源uc,諧波源是一個(gè)非線性負(fù)載zl ,在只考慮諧波分量時(shí)被看作一個(gè)諧波電流源ilh 。圖2 -4(b)為只考慮電網(wǎng)諧波電流分量時(shí)的單相等效電路圖,zs 、zz 、zr 、zp 分別為電網(wǎng)阻抗、注入電容cz 的阻抗、c1 和l1 的串聯(lián)阻抗、5和7 次濾波支路總的等效阻

47、抗。由kcl 和kvl 可得： . .(2-1)將逆變器輸出電壓控制為: uc=kish。式中, ish為電網(wǎng)諧波電流, k 為控制放大倍數(shù)。圖2-4（b）只考慮諧波作用的單相等效電路圖2-4（c）不考慮電源電壓畸變的單相等效電路由（1）式可知：(2-2)令z= 代入上式得到： .(2-3)當(dāng)k趨于無(wú)窮大時(shí)，混合有源電力濾波器可達(dá)到理想濾波性能：ish=0.(2-4)uth=ush .(2-5)uc=zfilh+ush (2-6)從式(3) 可以看出,當(dāng)ilh 、ush為定值時(shí),如果k增大, ish將減小,這表明hshiapf 對(duì)負(fù)載諧波源ilh的治理效果會(huì)越來(lái)越好。當(dāng)不考慮系統(tǒng)電壓畸變引起的

48、諧波電流時(shí)(即ush = 0) ,從式(3) 還可以看出,對(duì)于ish而言,圖2 (a) 和圖2 (c) 是等效的,相當(dāng)于在電網(wǎng)支路中串接了一個(gè)諧波阻抗k ,當(dāng)k 逐步增大時(shí),更多的諧波電流將流入并聯(lián)阻抗zz 支路。此外,諧波阻抗k 還起到阻尼 和zz并聯(lián)諧振的作用。有源濾波器迫使負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流幾乎全部流入無(wú)源濾波器，提高了無(wú)源濾波器的濾波效果。此時(shí)有源濾波器的輸出補(bǔ)償電壓為所有負(fù)載諧波電流流過(guò)無(wú)源濾波器時(shí)產(chǎn)生的電壓。對(duì)于電網(wǎng)電壓中的畸變電壓，有源濾波器產(chǎn)生與其相同的諧波補(bǔ)償電壓，以抑制電網(wǎng)中的諧波電流。同時(shí)，有源濾波器還可以起到阻尼系統(tǒng)串、并聯(lián)諧振的作用。實(shí)際的系統(tǒng)中，由于穩(wěn)定性的制約，k

49、不能取值過(guò)大，因而濾波效果受到一定限制。在所討論的混合有源濾波器中，有源部分并不直接對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償，而是通過(guò)補(bǔ)償電壓uc的作用，提高了無(wú)源濾波器濾波效果。它所產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓uc中不含基波電壓，只有諧波電壓，因而降低了有源部分的輸出容量，可以用較小有源濾波器容量對(duì)大容量的諧波負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償，并適合應(yīng)用于高壓系統(tǒng)。2.2.3 hshiapf有源部分的容量及諧波補(bǔ)償在諧波補(bǔ)償容量一定的情況下，采用混合有源濾波器與采用純有源濾波器相比，混合濾波器有源部分的容量可顯著降低，這是混合有源濾波器裝置成本低的關(guān)鍵所在，也是混合有源濾波器主要優(yōu)勢(shì)之一。有源裝置的容量是決定混合有源電力濾波器的成本和運(yùn)行費(fèi)用的關(guān)

50、鍵因素。混合有源濾波器容量是其輸出電壓有效值和輸出電流有效值的乘積，從并聯(lián)混合濾波器的工作原理知道，有源濾波器不承擔(dān)基波電壓，因此有源裝置的容量要小于純并聯(lián)有源濾波器，這也是混合濾波器的的一個(gè)重要特點(diǎn)。所以，hshiapf有源部分的容量為：.(2-7) hshiapf有源部分的容量主要取決于諧波源的諧波容量，所以逆變器容量不大、成本較低，而且容易實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，可以通過(guò)合理配置hshiapf無(wú)源部分的參數(shù)，由3條無(wú)源支路提供足夠的無(wú)功功率進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，而且不會(huì)增大hshiapf有源部分的容量。本文中所介紹的大功率并聯(lián)混合注入式有源電力濾波器hshiapf是先將有源部分與基波串聯(lián)諧振支路并聯(lián)，再與注

51、入支路串連，最后與無(wú)源濾波支路并聯(lián)混合而成。hshiapf利用基波串聯(lián)諧振支路在基頻處發(fā)生串聯(lián)諧振阻抗很小的特點(diǎn)，將電網(wǎng)基波電壓加在注入電容cz上，而有源部分只承受很小的諧波電壓，這樣可以有效降低有源逆變器的容量；hshiapf將整條基波串聯(lián)諧振注入支路作為一條無(wú)源濾波支路和其它無(wú)源濾波支路并聯(lián)構(gòu)成多組無(wú)源電力濾波器，這樣就可以采用不同于現(xiàn)有注入式apf的控制方式對(duì)濾波器進(jìn)行控制，進(jìn)而提高系統(tǒng)的濾波性能；hshiapf的有源部分和無(wú)源部分是并聯(lián)連接，所以可以利用無(wú)源部分補(bǔ)償系統(tǒng)所需的大容量無(wú)功，而不用增大有源部分的容量。因此，hshiapf具有濾波性能好、有源部分容量小和能夠提供大容量無(wú)功功率

52、的優(yōu)點(diǎn)，更加適于企業(yè)配電網(wǎng)諧波治理的需要。有源電力濾波器對(duì)高次諧波電流補(bǔ)償?shù)男Ч梢杂醚a(bǔ)償前后電源電流的總諧波畸變率thd（total harmonic distortion）來(lái)衡量。電流畸變率thd定義31為： (2-8)式中,i1為基波電流的有效值：in(n=2,3,.)為各次諧波電流的有效值。當(dāng)補(bǔ)償后電源電流總的諧波畸變率小于補(bǔ)償前的諧波畸變率時(shí)，可以認(rèn)為有源電力濾波器對(duì)諧波電流進(jìn)行了有效補(bǔ)償；補(bǔ)償后電源電流總的諧波畸變率越小，補(bǔ)償效果越好；當(dāng)補(bǔ)償后電源電流總的諧波畸變率為零時(shí)，諧波電流得到了徹底的補(bǔ)償。有源電力濾波器對(duì)無(wú)功電流和負(fù)序電流的補(bǔ)償效果可以用電源電流中無(wú)功電流和負(fù)序電流的殘留

53、情況來(lái)衡量。若補(bǔ)償后電源電流中的無(wú)功電流和負(fù)序電流的有效值和幅值明顯減小，就可認(rèn)為有源電力濾波器對(duì)無(wú)功電流和負(fù)序電流進(jìn)行了有效的補(bǔ)償。補(bǔ)償后電源電流中所含的無(wú)功電流和負(fù)序電流越小，補(bǔ)償效果就越好。當(dāng)補(bǔ)償后電源電流的無(wú)功電流和負(fù)序電流為零時(shí)，無(wú)功電流和負(fù)序電流得到了徹底補(bǔ)償。2.3 本章小結(jié)本章首先講述了基礎(chǔ)的濾波原理，其中可簡(jiǎn)單劃分為分壓原理和分流原理。繼而我們又提出了一種注入式混合有源電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并聯(lián)注入式混合有源電力濾波器hihsapf，文章中所介紹的給出了這種濾波器的主電路結(jié)構(gòu)并對(duì)其各部分功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。本文中所介紹的大功率并聯(lián)混合注入式有源電力濾波器hshiapf是先將有

54、源部分與基波串聯(lián)諧振支路并聯(lián)，再與注入支路串連，最后與無(wú)源濾波支路并聯(lián)混合而成。同時(shí)，根據(jù)濾波器的結(jié)構(gòu)分析了hshiapf的工作原理。我們提出hshiapf的有源部分的容量，從而知道hshiapf與其它濾波器相比具有濾波效果好、容量小、可補(bǔ)償大容量無(wú)功的優(yōu)點(diǎn)。第3章 基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的電流檢測(cè)3.1 諧波及無(wú)功電流檢測(cè)基礎(chǔ)理論有源電力濾波器的濾波效果如何，主要取決于以下三個(gè)方面：(1)高次諧波的正確檢測(cè)；(2)補(bǔ)償電流的控制方案；(3)主電路的結(jié)構(gòu)。高次諧波的正確檢測(cè)，要求正確選擇檢測(cè)點(diǎn)，精確地、無(wú)時(shí)延地獲得高次諧波的各種信息，以便于控制補(bǔ)償電流的產(chǎn)生32。必須根據(jù)有源電力濾波器不同的補(bǔ)償

55、目的，來(lái)選擇相應(yīng)的高次諧波檢測(cè)方法和補(bǔ)償電流的控制方案。電流檢測(cè)這方面的內(nèi)容目前提出的方法有：(1)時(shí)域分析法；(2)基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論；以上方法均可采用高速數(shù)字信號(hào)處理機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)和處理，但由于基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論比較成熟33?；o(wú)功電流檢測(cè)處理時(shí)間較長(zhǎng)，所分離出的無(wú)功和諧波電流與負(fù)載電流相差一段時(shí)間，所以當(dāng)負(fù)載電流變化較快時(shí)，存在一定的誤差。三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論以瞬時(shí)實(shí)功率p和瞬時(shí)虛功率q的定義為基礎(chǔ)，其核心是采用clarke變換矩陣將三相電路的電壓、電流瞬時(shí)值變換到相互正交的二維坐標(biāo)系上研究34。3.2 基于瞬時(shí)無(wú)功理論的諧波檢測(cè)方法三相電網(wǎng)電壓對(duì)稱、無(wú)畸變，通過(guò)-運(yùn)算將各相

56、電壓瞬時(shí)值和各相電流瞬時(shí)值變換為和根據(jù)文獻(xiàn)35的定義可推出：(3-1)式中，電網(wǎng)基波電壓的角頻率。運(yùn)用低通濾波器將瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流分解為直流分量和交流分量，得到：(3-2)在三相電網(wǎng)電壓對(duì)稱、無(wú)畸變的情況下，對(duì)應(yīng)于基波正序有功電流；基波正序無(wú)功電流；分別對(duì)應(yīng)于負(fù)序和諧波電流。再通過(guò)運(yùn)算即可得到對(duì)應(yīng)的三相電網(wǎng)電流分量：(3-3)綜合式（3-1）可知：.(3-4)結(jié)合式（3-3）可得：.(3-5)此方法可推廣到三相四線系統(tǒng)中應(yīng)用，單相系統(tǒng)和任意次諧波的檢測(cè)以及基波或任意次諧波負(fù)序分量的檢測(cè)。為解決三相四線電路中諧波電流的檢測(cè)，可在變換中增加1個(gè)對(duì)應(yīng)于零序的相。方法也可用于單相系統(tǒng)中諧波電

57、流的檢測(cè)，如可將單相電流看作三相電路中的a 相電流，并按三相對(duì)稱且正序的原則，構(gòu)造出b相和c相電流，然后按常規(guī)方法對(duì)a、b、c 三相電流進(jìn)行處理，計(jì)算得到的a 相電流分量即為單相電路對(duì)應(yīng)的檢測(cè)結(jié)果。也可將單相電流看作坐標(biāo)系中的相電流，按相落后于相90 的原則，構(gòu)造出相電流，再按-pq變換來(lái)檢測(cè)a相基波正序電流。顯然這種做法較前一種做法要簡(jiǎn)便得多。常規(guī)方法計(jì)算的是三相電流矢量i在三相電網(wǎng)基波正序電壓合成矢量e 1及其法線上的投影。在坐標(biāo)系中，只有基波正序電流分量和e 1 是保持同步旋轉(zhuǎn)的，處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，而其他所有的電流分量相對(duì)于e 1均是動(dòng)態(tài)的，因此只有基波正序電流分量在e 1及其法線上的投影是常量，其他分量在e 1 及其法線上的投影均是交變的。提取中的直流分量，經(jīng)過(guò)反變換后即可求得電網(wǎng)基波正序電流分量。根據(jù)上述原則，若欲檢測(cè)k 次諧波電流分量，只需將參考電壓矢量選為k次諧波電壓合成矢量即可。方法也可用于檢測(cè)電網(wǎng)基波或任意次諧波的負(fù)序分量，只需將參