并聯(lián)有源電力濾波器檢測(cè)與控制策略的研究及應(yīng)用_圖文

1、分類號(hào) 密級(jí)UDC學(xué) 位 論 文并聯(lián)有源電力濾波器檢測(cè)與控制策略的研究及應(yīng)用作者姓名： 李俊指導(dǎo)教師： 王大志教授東北大學(xué)電力系統(tǒng)與電力傳動(dòng)研究所申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別： 博士學(xué)科類別：工學(xué) 學(xué)科專業(yè)名稱： 電力電子與電力傳動(dòng)論文提交日期： 2010年12月論文答辯日期：2011年4月學(xué)位授予日期： 2011年5月答辯委員會(huì)主席： 劉建昌評(píng)閱人：東 北 大 學(xué)2011年4月A Dissertation in Power Electronics and Power DriveResearch and Application on Shunt Active Power Filter Detection an

2、d Control Strategiesby LiJ unSupervisor: Professor Wang DazhiNortheastern UniversityDec 2010獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明，所呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下完成的。論文中取得的研究成果除加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人己經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包括本人為獲得其他學(xué)位而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均己在論文中作了明確的說(shuō)明并表示謝意。學(xué)位論文作者簽名：日 期：學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者和指導(dǎo)教師完全了解東北大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定：即學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或

3、機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人同意東北大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索、交流。作者和導(dǎo)師同意網(wǎng)上交流的時(shí)間為作者獲得學(xué)位后：半年 一年 一年半 兩年學(xué)位論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名：簽字日期： 簽字日期：東北大學(xué)博士學(xué)位論文 摘 要 并聯(lián)有源電力濾波器檢測(cè)與控制策略的研究及應(yīng)用摘 要電子器件制造工藝水平的不斷提高和控制理論技術(shù)的不斷發(fā)展，使得電力電子設(shè)備的大量使用變成現(xiàn)實(shí)；另一方面，大量使用電力電子設(shè)備不可避免帶來(lái)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量問(wèn)題，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。有源電力濾波器（Active Power Filter，APF ）被公認(rèn)為是治理諧波、改善電

4、能質(zhì)量最有效的手段之一，已成為電力電子技術(shù)應(yīng)用中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。但是APF 在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用還遠(yuǎn)沒(méi)達(dá)到成熟階段，與無(wú)源濾波器相比仍然居于次要位，有很多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究和完善。為此，本文對(duì)APF 的檢測(cè)中的數(shù)字低通濾波器，電流、電壓控制及實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行深入的研究，這些研究工作對(duì)APF 的產(chǎn)品化有著重要意義。在研究幾種模擬低通濾波器的特性之后，針對(duì)諧波檢測(cè)的低通濾波器快速、準(zhǔn)確要求，提出根據(jù)量化誤差來(lái)確定濾波器的穩(wěn)定性，加快數(shù)字低通濾波器的設(shè)計(jì)方法，選取合適的濾波器，仿真分析其動(dòng)態(tài)性能。針對(duì)檢測(cè)算法響應(yīng)慢、穩(wěn)態(tài)誤差大的問(wèn)題，提出一種橢圓濾波器加超前-滯后校正網(wǎng)絡(luò)諧波檢測(cè)方法，仿真驗(yàn)證所提算法既加快動(dòng)態(tài)

5、響應(yīng)，又獲取較好的穩(wěn)態(tài)性能。利用Integrated Time and Absolute Error（ITAE ）優(yōu)化控制策略針對(duì)PWM 控制模式的IGBT 建模仿真分析，并得出優(yōu)化控制參數(shù)；針對(duì)滯環(huán)電流控制固定環(huán)寬在過(guò)零點(diǎn)和頂點(diǎn)處的補(bǔ)償能力不足問(wèn)題，提出一種依據(jù)模糊規(guī)則改變滯環(huán)環(huán)寬的方法，充分發(fā)揮滯環(huán)控制的優(yōu)越性，提高APF 的電流補(bǔ)償能力；針對(duì)滯環(huán)電流控制中滯環(huán)這一強(qiáng)非線性環(huán)節(jié)，為降低開(kāi)關(guān)頻率和改善補(bǔ)償效果，提出利用諧波線性化和背馳定律的方法改善滯環(huán)特性，使其具有線性系統(tǒng)的部分優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)保留滯環(huán)原來(lái)的動(dòng)態(tài)特性好、魯棒性好、抗擾動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本文還就APF 直流母線電壓控制基本原理和控制方

6、法進(jìn)行討論。針對(duì)直流母線電容充電電流過(guò)大問(wèn)題，根據(jù)啟動(dòng)時(shí)開(kāi)關(guān)模型，分析了限流電阻與電感、母線電容等因素關(guān)系，并合理選擇限流電感參數(shù)。在分析現(xiàn)有直流母線電壓控制方法基礎(chǔ)之上，針對(duì)限幅器這一關(guān)鍵的非線性環(huán)節(jié)，進(jìn)行建模仿真分析，提出模糊變限幅直流母線電壓控制的方法。仿真表明該方法具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、超調(diào)小、靜態(tài)誤差小的特點(diǎn)，滿足直流母線電壓控制的性能要求。本文對(duì)100kV A 并聯(lián)型APF 的主電路及其外圍電路也進(jìn)行了深入的研究。詳細(xì)討論主電路開(kāi)關(guān)器件的選擇、驅(qū)動(dòng)及其接口電路的設(shè)計(jì)；采用理論和仿真分析相結(jié)合的方法，給出了交流側(cè)電感值的選擇方法；設(shè)計(jì)出基于DSP （數(shù)字信號(hào)處理器）的信號(hào)調(diào)理和采東北大學(xué)博

7、士學(xué)位論文 摘 要 樣電路；針對(duì)鎖相倍頻實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的問(wèn)題，提出優(yōu)化低通濾波器的參數(shù)來(lái)改善性能的方法，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證該法的有效性；最后，本文還介紹了100kV A 并聯(lián)型APF 的系統(tǒng)構(gòu)成，基于DSP+CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）的全數(shù)字化控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，并對(duì)控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。在樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并給出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和波形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證本文上述工作的合理性。關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；低通濾波器；優(yōu)化控制；諧波線性化；背馳定律Research and Application on Shunt ActivePower Filter Detection and contro

8、l StrategiesAbstractWith the development of electronics devices manufacturing process and controltheory, the extensive use of electronics devices becomes realty; meanwhile, the extensive use of power electronic devices will inevitably bring about power quality problems, resulting in unnecessary econ

9、omic losses. APF (Active Power Filter, APF is recognized as one of the most effective means to realize harmonic control and improve power quality, having become a research focus. But APF domestic application is still far not reached maturity stage and a minor bit compared with passive filter .There

10、are a lot of problems to be studied and improved. Therefore, in this article extensive research on digital low pass filter in current detection, current, voltage control and implementation techniques have been conducted. These studies have an important significance on the products of the APF.After h

11、aving studied the characteristics of several analog low pass filters，amethod to determine stability of low pass filters according to quantization errors and speed up digital low pass filter design is proposed. Then appropriate filter is selected and simulated to analysis its dynamic performance. An

12、elliptic filter plus lead-lag correction network harmonic detection method is proposed for the problem of slow response and large steady-state error. The simulation shows the proposed method can speed up system dynamic response and get better steady-state performance.Integral Time and Absolute Error

13、 optimal control theory is used to build andanalysis PWM control IGBT model. Then optimal parameters are got. Aim at giving full play of the advantages of hysteresis control and improving APF current compensation ability, a fuzzy variable-width hysteresis current control is proposed according to fix

14、ed-width hysteresis current control inadequate compensation ability at zero crossing and peak. Hysteresis is a strong nonlinear link. To reduce the switching frequency and improve the compensation effects, harmonic linearization and law of run in the opposite direction is used to improve hysteresis

15、characteristics. The treatedhysteresis current control system has some advantages of linear system and good dynamic characteristics, robust, strong anti-disturbance ability of untreated hysteresis.DC-bus voltage control principle and control method are studied in this article.The relationships among

16、 current limiting resistors, inductors, DC-bus capacitances are analyzed and parameter of current limiting resistors is chosen according to start switching model, aiming at solving large DC-bus charge current. Based on analysis of existing DC-bus voltage methods, the limiter (key nonlinear link is s

17、imulated and a fuzzy variable-limiter Dc-bus control method is proposed. The simulation results show that the control method has advantages of fast dynamic response, small overshoot and steady-state error, meets performance requirements of DC-bus voltage control.Main and peripheral circuits of 100kV

18、A shunt APF are also studied in the article.The choice of main circuit switch devices and design of interface, drive circuits are discussed. The choice method of AC inductors is given based on combination of theoretical and simulation analysis. Signal conditioning and sampling circuits based on digi

19、tal signal processor are designed. The method of optimizing low-pass filter parameters to improve performance is proposed according to slow response of frequency multiplication phase-locked. The experiment results show the method is effective. Finally, the Shunt APF 100kVA system structure based on

20、DSP plus complex programmable logic device(CPLD,its digital control system implementation plan are discussed. The control system hardware and software system designs are also described. Experiment data and waveforms are given after test. The results show rationality of the above work.Key words: acti

21、ve power filter; low pass filter;optimal control;harmonic linearization; law of run in the opposite direction目錄獨(dú)創(chuàng)性聲明. I 摘 要.II Abstract .IV第1章 緒論.- 1 -1.1前言. - 1 -1.2國(guó)內(nèi)外有源電力濾波器相關(guān)技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用概況. - 5 -1.3 本文所做工作及主要研究成果. - 14 -第2章 有源電力濾波器諧波檢測(cè)及實(shí)現(xiàn)的研究.- 17 -2.1 基于i p -i q 算法的諧波檢測(cè)算法. - 18 -2.2諧波檢測(cè)算法實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問(wèn)題. - 2

22、2 -2.3 基于超前-滯后校正網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測(cè)算法. - 29 -2.4 仿真試驗(yàn)驗(yàn)證及分析. - 32 -2.5 本章小結(jié). - 35 -第3章 有源電力濾波器滯環(huán)電流控制的研究.- 37 -3.1 有源電力濾波器滯環(huán)電流控制原理. - 38 -3.2 有源電力濾波器PWM 變換器優(yōu)化控制. - 39 -3.3 滯環(huán)電流模糊控制. - 49 -3.4 基于諧波線性化的滯環(huán)電流優(yōu)化控制. - 58 -3.5 本章小結(jié). - 75 -第4章 直流母線電壓控制及相關(guān)方法的研究.- 76 -4.1 直流母線電壓控制基本原理. - 77 -4.2 軟啟動(dòng)方案與限流電阻的設(shè)計(jì). - 79 -4.3 直流

23、母線電壓控制策略的研究. - 82 -4.4 本章小結(jié). - 89 -第5章 基于DSP 的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究.- 91 -5.1 主電路設(shè)計(jì). - 91 -5.2 基于DSP 的檢測(cè)與控制電路設(shè)計(jì). - 98 -5.3 PLL相關(guān)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn). - 103 -5.4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì). - 107 -5.5 實(shí)驗(yàn)研究. - 108 -5.6 本章小結(jié).- 113 -第6章 結(jié)論及展望.- 115 - 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)圖.- 117 - 參考文獻(xiàn). - 120 - 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及科研成果. - 129 - 致謝. - 130 -第1章 緒論電子器件制造的工藝水平的不斷提高和控

24、制理論及技術(shù)的不斷發(fā)展，使得電力電子設(shè)備的大量使用變成現(xiàn)實(shí)，反之電氣設(shè)備的應(yīng)用又促進(jìn)電力電子技術(shù)的不斷革新。一方面，電力電子設(shè)備的廣泛使用，使得各種變流技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，從而方便了人們的生產(chǎn)生活；另一方面，大量使用電力電子設(shè)備不可避免帶來(lái)了電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量問(wèn)題，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失，又使公用電網(wǎng)的安全供電及用戶的用電質(zhì)量成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)?；氐诫娔苜|(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生的源頭，人們根據(jù)電力電子器件特性，對(duì)電能質(zhì)量改觀提出可執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)有條件下可行的方案。有源電力濾波器（Active Power Filter,APF）正是在這種環(huán)境下，為改善電能質(zhì)量應(yīng)運(yùn)而生。本章首先介紹了電能質(zhì)量概念和標(biāo)準(zhǔn)，然后探討了諧

25、波產(chǎn)生危害、治理方法和技術(shù)發(fā)展，有源電力濾波器的應(yīng)用，最后簡(jiǎn)要概括了論文選題背景及各章節(jié)安排。1.1前言電能質(zhì)量是指公用電網(wǎng)供給用戶端的交流電能的品質(zhì)，一般指電壓或電流幅值、頻率、波形等參量距規(guī)定量的偏差。通常包括：電壓質(zhì)量、電流質(zhì)量、供電質(zhì)量和用電質(zhì)量、電壓瞬變現(xiàn)象（如沖擊脈沖、電壓下跌、瞬間間斷等）、長(zhǎng)期電壓波動(dòng)、波形畸變、供電可靠性等。電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是保證電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、保護(hù)電氣環(huán)境、保障電力用戶正常的基本技術(shù)規(guī)范。為保證電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、推廣電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化，我國(guó)從1988年頒布執(zhí)行電網(wǎng)電能質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督管理規(guī)定。迄今為止，我國(guó)已經(jīng)制定的電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)有6項(xiàng)：GB 13325-1990

26、電能質(zhì)量 供電允許偏差、GB/T 14549-1993電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波、GB/T 15543-1995電能質(zhì)量 三相電壓允許不平衡度、GB/T 15945-1995電能質(zhì)量 電力系統(tǒng)頻率允許偏差、GB 12326-2000電能質(zhì)量 電壓波動(dòng)和閃變、GB/T 18481-2001電能質(zhì)量 暫時(shí)過(guò)電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓。這些電能質(zhì)量方面的標(biāo)準(zhǔn)為諧波治理提供了依據(jù)。電力系統(tǒng)諧波（波形畸變）在19201930年間，德國(guó)就有人學(xué)者提出靜態(tài)整流器產(chǎn)生的波形畸變問(wèn)題。到19501960由于高壓直流輸電技術(shù)發(fā)展，有大量關(guān)于換流器諧波問(wèn)題的文章發(fā)表。近年來(lái)，電力電子設(shè)備的大量使用造成大量諧波注入電網(wǎng)。諧波問(wèn)題已

27、經(jīng)對(duì)有些電力系統(tǒng)和用電設(shè)備產(chǎn)生了嚴(yán)重的危害和影響，必須認(rèn)真研究并采用相應(yīng)的限制和治理措施。國(guó)際上公認(rèn)的諧波定義為：諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍，也常被稱為高次諧波1。電網(wǎng)諧波污染主要是由電網(wǎng)中并聯(lián)的非線性負(fù)載產(chǎn)生的。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中非線性負(fù)荷大量增加，各種非線性和時(shí)變性電子裝置如逆變器、整流器及各種開(kāi)關(guān)電源等大規(guī)模的應(yīng)用，電網(wǎng)諧波污染日益嚴(yán)重。電力系統(tǒng)諧波是衡量電能質(zhì)量的最重要的指標(biāo)之一，因此對(duì)其治理具有十分重大的意義。諧波的來(lái)源主要包括：（1）發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的磁飽和、非線性、不對(duì)稱運(yùn)行等產(chǎn)生諧波；（2）變壓器和電抗器的磁飽和與磁滯產(chǎn)生諧波；（3

28、）電石爐、電弧爐、氣體放電燈和電弧焊等設(shè)備非線性伏安特性產(chǎn)生諧波；（4）各種使用電力電子元件的整流和換流裝置產(chǎn)生諧波；（5）家用電器，包括熒光燈、鼓風(fēng)機(jī)、電視機(jī)、電冰箱等產(chǎn)生的諧波。其中變流設(shè)備包括整流器、逆變器、靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置、變頻器、高壓直流輸電設(shè)備等。諧波對(duì)電力系統(tǒng)或并聯(lián)的電力設(shè)備產(chǎn)生各種危害。主要包括以下幾種：（1）并聯(lián)電力電容器諧振引起的諧波放大。（2）旋轉(zhuǎn)電機(jī)的損耗增加，引起機(jī)械振動(dòng)、噪聲和諧波過(guò)電壓。（3）輸電線的損耗增加，縮短輸電線壽命。（4）變壓器的損耗增加。（5）電磁型繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置工作紊亂；感應(yīng)型的繼電器抖動(dòng)。（6）電力測(cè)量的誤差或使測(cè)量誤差增大。（7）干擾通訊系統(tǒng)

29、，降低通話的清晰度，干擾嚴(yán)重時(shí)，引起信號(hào)丟失，甚至危及設(shè)備和人身安全。（8）電弧熄滅延緩。隨著諧波污染源的數(shù)量猛增，電網(wǎng)電壓的畸變率也大大上升；精密儀器設(shè)備的迅猛發(fā)展，越來(lái)越多的電氣用戶對(duì)取用的電能形態(tài)和功率流動(dòng)的控制與處理提出了新的要求，這樣一來(lái)，越來(lái)越嚴(yán)重的諧波污染與越來(lái)越高的電能質(zhì)量要求形成了一對(duì)日趨尖銳的矛盾2。為保證供電質(zhì)量，防止諧波對(duì)電網(wǎng)及電力設(shè)備的危害，除對(duì)電力系統(tǒng)加強(qiáng)管理外，還必須采取必要的措施來(lái)抑制諧波。許多國(guó)家和國(guó)際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)和電力電子設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，有力的促進(jìn)了學(xué)術(shù)界和工程界對(duì)諧波抑制、無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的研究。目前，諧波抑制所采用的措施主要有：一是主動(dòng)

30、抑制，對(duì)電氣設(shè)備本身進(jìn)行改進(jìn)（無(wú)源和有源功率因數(shù)校正），減小諧波與無(wú)功的發(fā)出量，抑制諧波源的產(chǎn)生諧波或減少諧波源所產(chǎn)生的諧波；二是被動(dòng)抑制，即專用設(shè)備阻礙諧波源所產(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，采用補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ咕W(wǎng)側(cè)電流為正弦波（如使用無(wú)源濾波器、有源電力濾波器等，抑制諧波源所產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng)或者阻礙電網(wǎng)中的諧波流入負(fù)載）。盡管功率因數(shù)校正是積極主動(dòng)的方法，但是Passive filter（PF ）和APF 是不可或缺的諧波治理手段。主動(dòng)抑制諧波產(chǎn)生的措施有以下幾種：(1 增加變流裝置的相數(shù)或脈沖數(shù)。改造變流裝置或利用相互間有一定移相角的換流變壓器，可有效減小諧波含量，其中

31、包括多脈整流和準(zhǔn)多脈整流技術(shù)，但是裝置更加復(fù)雜。(2 多重化技術(shù)。將多個(gè)變流器聯(lián)合起來(lái)使用，用多重化技術(shù)將多個(gè)方波疊加，以消除頻率較低的諧波，得到接近正弦波的階梯波，但裝置復(fù)雜，成本較高。(3 多電平技術(shù)。采用多電平技術(shù)可以有效地消除輸出電壓中的諧波，同時(shí)提高輸出電壓的等級(jí)和增加逆變器的容量，如三電平結(jié)構(gòu)逆變器輸出電壓和容量都比兩電平結(jié)構(gòu)增加一倍。但采用5電平以上的電路，電路結(jié)構(gòu)和控制都很復(fù)雜，直流側(cè)電容電壓的平衡控制更加困難。(4 采用脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation， PWM）技術(shù)。采用PWM 技術(shù)，使得變流器產(chǎn)生的諧波頻率較高、幅值較小，波形接近正弦波，但只適用于自

32、關(guān)斷器件構(gòu)成的變流器。(5 設(shè)計(jì)或采用高功率因數(shù)變流器。比如采用矩陣式變頻器、四象限變流器等，可以使變流器產(chǎn)生的諧波非常少，且功率因數(shù)可控制為1。(6 改變供電系統(tǒng)運(yùn)行方式減少發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的諧波。盡可能地保持三相負(fù)荷電流的平衡，減少mp ±1次以外的非理論高次諧波電流，盡量減少變壓器空載和電壓過(guò)高運(yùn)行；改善電機(jī)的磁極外形，利用Y 型接法消除電動(dòng)勢(shì)的3倍次數(shù)的諧波，采用短距繞組、分布繞組削弱高次諧波的電動(dòng)勢(shì)。(7 加大供電系統(tǒng)的容量，選擇合理的供電電壓。供電系統(tǒng)的容量越大，系統(tǒng)的短路阻抗就越小，母線的諧波水平就越低。供電電壓越高，電網(wǎng)的短路的容量就越大，諧波的承擔(dān)能力越強(qiáng)。被動(dòng)治理諧波的

33、措施主要有以下三種：(1 采用無(wú)源濾波器（Passive Filter，PF ）。在諧波源的附近或公共電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)裝設(shè)單調(diào)諧及高通濾波器，可以吸收諧波電流，同時(shí)還可以進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償，并且運(yùn)行維護(hù)也簡(jiǎn)單。(2 采用有源濾波器（APF ）。在諧波源的附近和公共電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)裝設(shè)并聯(lián)型或串聯(lián)型APF ，可以有效地起到補(bǔ)償或隔離諧波源的作用，并聯(lián)型APF 還可以進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償，但裝置造價(jià)較高。(3 采用混合型有源濾波器HAPF ( Hybrid APF 。HAPF 兼具PF 成本低廉和APF 性能優(yōu)越的優(yōu)點(diǎn)，屬于APF 的分支和發(fā)展。APF 的種類很多，大體可分為與PF 的混合和與其它變流器的混合兩類。目前

34、在被動(dòng)治理諧波的措施中，廣泛采用PF 。它利用電感、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。PF 成本低，技術(shù)成熟，還可補(bǔ)償無(wú)功功率，但存在以下不足：(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狀態(tài)是不可能實(shí)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)濾波器投入運(yùn)行之后，如果諧波的次數(shù)和大

35、小發(fā)生了變化，便會(huì)影響濾波效果。并且需要根據(jù)諧波的次數(shù)的多少，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)行工況而隨時(shí)改變，對(duì)諧波電流的濾除效果受電力系統(tǒng)的阻抗的影響較大。(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，反而使得電網(wǎng)供電質(zhì)量下降。(7 隨著電源側(cè)諧波源的增加，可能會(huì)引起濾波器本身的過(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。(8 消耗大量的有色金屬，體積大，占地面積大。與PF 相比，APF 具有高度可控性和快速響應(yīng)性的具體特點(diǎn)如下:(1 濾波特性

36、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)序電流進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償無(wú)功時(shí)不需要儲(chǔ)能元件，補(bǔ)償諧波時(shí)儲(chǔ)能元件也不大。(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。在最近幾十年里，國(guó)內(nèi)外諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題的理論研究和實(shí)踐應(yīng)用都有了很大的進(jìn)展，由最初的使用LC 無(wú)源濾波器發(fā)展到現(xiàn)在的APF

37、 。相比于PF 而言，先進(jìn)的有源濾波技術(shù)更具有重大的理論和工程實(shí)際意義，APF 作為綜合治理電網(wǎng)污染的最有效手段，有著廣闊的應(yīng)用前景2-3。1.2國(guó)內(nèi)外有源電力濾波器相關(guān)技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用概況早在20世紀(jì)70年代初期，日本學(xué)者就提出了APF 的概念，即利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的，但是受限于當(dāng)時(shí)工程技術(shù)水平，這些設(shè)想無(wú)法實(shí)現(xiàn)。等到1976年美國(guó)西屋電氣公司的尼吉等人提出利用大功率晶體管組成的PWM 逆變器構(gòu)成APF 消除電網(wǎng)諧波，由于受到當(dāng)時(shí)功率半導(dǎo)體器件水平的限制，APF 的研制一直處在試驗(yàn)研究階段。

38、進(jìn)入80年代以廳，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，大功率可關(guān)斷器件(如GTR ，GTO ，IGBT 等 的不斷進(jìn)步，以及對(duì)非正弦條件下無(wú)功功率補(bǔ)償理論的深人研究，特別是瞬時(shí)無(wú)功理論的提出，為APF 的實(shí)用化提供了必要的條件，眾多國(guó)內(nèi)外公司投入人力、物力使APF 研究進(jìn)入逐漸進(jìn)入實(shí)用階段。目前APF 研究方向主要分為三個(gè)方面：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究；諧波檢測(cè)技術(shù)及相關(guān)控制技術(shù)3。從研究APF 的權(quán)威專家來(lái)看，還是日本的赤木泰文研究成果頗豐，近年來(lái)的研究?jī)?nèi)容涉及到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究的包括混合型統(tǒng)一電能質(zhì)量控制技術(shù)、多電平技術(shù)；控制策略研究包括：基于DFT 重復(fù)控制方法等方面4-7；美國(guó)學(xué)者Cartes David研究

39、主要涉及到自適應(yīng)理論應(yīng)用到諧波檢測(cè)和控制技術(shù)8-10；加拿大學(xué)者Al-Haddad Kamal從事APF 研究，發(fā)表相當(dāng)多的論文，主要研究包括在三相四線制小信號(hào)建模分析、優(yōu)化控制、載波線性解耦控制方面以及自適應(yīng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于諧波檢測(cè)等方面11-15。從國(guó)內(nèi)論文研究成果來(lái)看，湖南大學(xué)羅安教授及其領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)研究成果突出，主要涉及的研究領(lǐng)域，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究主要為：混合注入型APF 的建模分析、注入型電流特性分析，涉及到控制技術(shù)包括單周控制、死區(qū)效應(yīng)分析及補(bǔ)償技術(shù)、智能控制、直流母線電壓控制等諸多方面16-20，另外還有成套的樣機(jī)設(shè)備，有多名博士參與研究。西安交通大學(xué)的王兆安教授及其研究團(tuán)隊(duì)也有很多的研

40、究成果，主要論文涉及到：串聯(lián)型及混合型APF 、鎖相環(huán)，時(shí)域電流檢測(cè)技術(shù)，直流母線電壓波動(dòng)的影響分析及控制算法、重復(fù)控制技術(shù)等方面的研究21-23。APF 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本定型，在這方面的研究主要是在原來(lái)類型上做一些修改，使其滿足特殊要求。能夠?qū)Χ喾N電能質(zhì)量進(jìn)行改善的多用途的、適應(yīng)多種負(fù)載的APF 統(tǒng)一結(jié)構(gòu)還在研究中，近幾年來(lái)，各國(guó)主要從事研究APF 學(xué)者對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究主要有：(1 減少開(kāi)關(guān)元件及其損耗的結(jié)構(gòu) (a兩線并聯(lián)型APF (b 模塊化的兩線并聯(lián)型APF (c 分頻斷控制的APF圖1.1減少開(kāi)關(guān)元件及損耗APF 新結(jié)構(gòu)Fig 1.1 New APF topology to reduce

41、 switching elements and loss(2 解決不平衡負(fù)載的結(jié)構(gòu)2006年，清華大學(xué)的樂(lè)健、姜齊榮等針對(duì)三相負(fù)載不平衡和提高直流母線電壓利用率提出四橋臂結(jié)構(gòu)26，如圖1.2(a所示。該結(jié)構(gòu)還可以降低系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率，減少開(kāi)關(guān)損耗。(3 變壓器解耦結(jié)構(gòu) 減少三相電路開(kāi)關(guān)器件之間的相互干擾，避免因坐標(biāo)變換算法導(dǎo)致的失調(diào)和主電路參數(shù)影響，2009年，武漢大學(xué)陳運(yùn)提出一種基于-坐標(biāo)變換，利用兩個(gè)單相逆變器產(chǎn)生諧波，一個(gè)三相變壓器解耦的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)27，如圖1.2（b ）。 a U b U c U n U(a三電平四橋臂APF (b基于-變換的APF圖1.2 新型結(jié)構(gòu)APFFig 1.2

42、 New topology of APF (4 注入式結(jié)構(gòu)2009年，湖南大學(xué)的羅安等提出一種注入式的結(jié)構(gòu)，該類型的APF 直流母線電壓由三相不可控整流提供28，主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1.3所示。注入電路方式也分為串聯(lián)諧振式和并聯(lián)諧振式兩種，該結(jié)構(gòu)可以不用控制直流母線電壓。 圖1.3注入式并聯(lián)型APFFig 1.3 Injection type hybrid APF本文所研究的是基于三相三線制的并聯(lián)型APF （Shunt APF ,SAPF），該類型APF 也是目前技術(shù)相對(duì)成熟、應(yīng)用最為廣泛的APF 。SAPF 是APF 中最基本的構(gòu)成方式，APF 與系統(tǒng)并聯(lián)等效為一個(gè)受控電流源，向系統(tǒng)注入幅值相

43、等，相位相反的電流，從而達(dá)到諧波抑制的目的，主要適用于電流源型感性負(fù)載的諧波補(bǔ)償。SAPF 通過(guò)耦合變壓器或電感接入系統(tǒng)，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成影響，具有投切靈活方便、保護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；并聯(lián)型APF 還可以并聯(lián)使用以提供大的電流，可以應(yīng)用于多種容量的場(chǎng)合。目前工業(yè)上已投入運(yùn)行的APF 多采用此方案。 SAPF 的原理框圖，如圖1.4所示。圖中，交流電網(wǎng)對(duì)非線性負(fù)載供電，非線性負(fù)載為諧波源，產(chǎn)生諧波、消耗無(wú)功。有源電力濾波器由四部分組成：諧波電流檢測(cè)電路、數(shù)字控制電路、開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路和主電路。當(dāng)前主要設(shè)計(jì)途徑是：根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功功率理論的i p -i q 算法要求，設(shè)計(jì)出所需電流和電壓檢測(cè)硬件系統(tǒng)，然后

44、利用DSP 、FPGA 等數(shù)字控制器計(jì)算出負(fù)載和APF 產(chǎn)生的電流中的諧波分量，利用不同的方法產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)元件的PWM 指令，這些控制信號(hào)經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后輸入開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)主電路中的相應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件，產(chǎn)生并向電網(wǎng)注入補(bǔ)償電流，該電流與非線性負(fù)載電流相位相反，幅值為負(fù)載電流中的諧波分量幅值，從而達(dá)到濾波目的。非線性負(fù)載產(chǎn)生的電流為L(zhǎng) i ，供電系統(tǒng)提供的電流為i S ，APF 產(chǎn)生的電流為i F ，根據(jù)基爾霍夫電流定律有 i S =i L -i F (1.1 圖1.4 SAPF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 1.4 Diagram of SAPF system本文所研究三相三線制SAPF 的系統(tǒng)原理圖，如

45、圖1.5所示。LEM 霍爾傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)非線性負(fù)載的輸入電流i la ，i lb ，i lc 經(jīng)信號(hào)調(diào)理后送入電流檢測(cè)電路。由微處理器計(jì)算，并和實(shí)際產(chǎn)生的電流i fa ，i fb ，i fc 進(jìn)行比較，加上直流母線電壓與給定的偏差經(jīng)p-q 反變換折算的量，得到的差值由滯環(huán)比較器產(chǎn)生互鎖的PWM 開(kāi)關(guān)信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)死區(qū)發(fā)生器和開(kāi)關(guān)元件驅(qū)動(dòng)器，來(lái)控制IGBT 開(kāi)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。 圖1.5三相三線制SAPF 系統(tǒng)框圖Fig 1.5 Diagram of three-phase three-wire voltage-type SAPFAPF 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究基本處于停滯狀態(tài)，很多新型的結(jié)構(gòu)都是

46、在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行部分改進(jìn)，真正在徹底的新型結(jié)構(gòu)還是沒(méi)有研究出來(lái)，一方面是受限于電力電子元件的性能；另一方面主要是研究者將精力轉(zhuǎn)移到控制和檢測(cè)技術(shù)上了。國(guó)外很早就有專家進(jìn)行研究電力系統(tǒng)諧波的研究，由于電力電子技術(shù)是一個(gè)新興的技術(shù)，實(shí)際上關(guān)于諧波檢測(cè)理論的研究要早于諧波治理手段的研究。目前，由于電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，使電力系統(tǒng)諧波治理具有一定的物質(zhì)條件同時(shí)促進(jìn)了諧波檢測(cè)理論的大力發(fā)展。從先前的FFT 變換、瞬時(shí)無(wú)功理論到現(xiàn)在智能檢測(cè)算法的應(yīng)用，諧波檢測(cè)算法的研究路徑擴(kuò)展開(kāi)來(lái)，主要研究工作在于改善原有的諧波檢測(cè)理論和引進(jìn)其它高級(jí)算法，使諧波檢測(cè)算法更加高效、調(diào)節(jié)時(shí)間更短，對(duì)負(fù)載變化響應(yīng)更快。主要

47、研究進(jìn)展包括以下幾種：(1 改進(jìn)FFT 變換或結(jié)合其他算法為適應(yīng)諧波檢測(cè)理論的數(shù)字化、快速高效的需求，2005年赤木泰文將離散傅里葉(DFT結(jié)合重復(fù)控制用于APF ；2009年，俄羅斯學(xué)者Sozanski 提出滑動(dòng)的離散傅里葉檢測(cè)算法，西班牙學(xué)者Neves ，F(xiàn)rancisco A. S.將狀態(tài)空間方法與DFT 結(jié)合實(shí)現(xiàn)非平衡狀態(tài)下的三相諧波信號(hào)檢測(cè)7,29-33。(2 改進(jìn)基于瞬時(shí)無(wú)功理論諧波檢測(cè)算法由于基于瞬時(shí)無(wú)功理論諧波檢測(cè)算法是建立在三相電路的基礎(chǔ)上，對(duì)單相電路的檢測(cè)要進(jìn)行必要的擴(kuò)充之后才能應(yīng)用，顯得比較繁瑣。因此，2005年日本學(xué)者Nishida K將自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入單相SAPF 檢測(cè)中34；另一方面，i p -i q 算法是在p-q 理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，在用i p -i q 算法檢測(cè)瞬時(shí)諧波電流時(shí)，電壓信號(hào)被轉(zhuǎn)換為幅值為單位長(zhǎng)度的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，失去了幅值、相位的信息，在i p -i q 算法中瞬時(shí)有功功率p 和瞬時(shí)無(wú)功功率q 也就失去原有的意義，坐標(biāo)變換及其反變換也就顯得多余。2007年，周柯等提出了對(duì)i p -i q 方法在檢測(cè)諧波和無(wú)功電流應(yīng)用上的改進(jìn)，在三相坐標(biāo)系下同樣可以將瞬時(shí)電流矢量分解為與電壓矢量同步旋轉(zhuǎn)分量和動(dòng)