【文章內容簡介】 YY負載 圖 新型混合型有源濾波器拓撲 流過無源濾波器的基波電流 將全部注入有源裝置，盡管此時有源濾波器不承受低電壓，但其容量還是很大，這時可將有源濾波器與無源濾波器的電感部分相并聯(lián)，則通過無源濾波器的電流只有部分通過有源濾波器，這樣就進一步減少了有源濾波器的容量。若圖 的有源濾波器的進線電感與濾波電感取值相同，流人有源濾波器的電流僅為無源支路的 1／ 2，同時有源裝置只承擔很小的基波電壓，這對于有效減少有源濾波器的容量不失為一個好辦法。 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 7 頁 并聯(lián)電力有源濾波器的基本原理 [20] 圖 APF工作原理 如圖 ：當需要補償負載產 生諧波電流時，有源電力濾波器檢測出補償對象負載電流 Li 的諧波分量，由控制電路使主電路產生補償電流 ci 與 si 大小相等、相位相反，因而兩者相抵消，最終使得電源電流 Si 只含基波，不含諧波。 S l cl lf lhc lhS l c lfi i ii i iiii i i i??????? ? ? 其中 ci 是要主電路所產生的補償電流 ，根據(jù)具體情況，可以僅是諧波，可以同時是諧波和基波無功電流 [1]。以下研究都是以諧波和無功同時補償為條件的。 有源濾波器具有如下功能和特點： 1)實現(xiàn)了動態(tài)補償，可對頻率和大小均變化的諧波及變化的無功功率進行補償，對補償對象的變化有極快的響應速度； 2)有源濾波裝置是一個高阻抗電流源，它的接入對系統(tǒng)阻抗不會產生影響，因此此類裝置適合系列化、規(guī)?；a； 3)當電網結構發(fā)生變化時裝置受電網阻抗的影響不大，不存在與電網阻抗發(fā)生諧振的危險，同時還能抑制串并聯(lián)諧振； 4)補償無功功率時不需要儲能元件，補償諧波時所需 要的儲能元件不大； 5)用同一臺裝置可同時補償多次諧波電流和非整數(shù)倍次的諧波電流，既可以對一個諧波和無功源進行單獨補償，也可對多個諧波和無功源進行集中補償； 6)當線路中的諧波電流突然增大時有源濾波器不會發(fā)生過載，并且能正常發(fā)揮作用，不需要與系統(tǒng)斷開； 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 8 頁 7)裝置可以僅輸出所需補償?shù)母叽沃C波電流，不輸出基波無功功率，不但減小了有源濾波器的總容量，還可以避免輕負荷時發(fā)生無功倒送現(xiàn)象。 APF 的研究現(xiàn)狀 電力有源濾波器的研究主要包括兩方面的內容：負載電流諧波檢測方法 (或稱為指令電流運算方法 )和產生補償電流 的控制策略。 諧波檢測方法研究現(xiàn)狀 諧波電流檢測是 APF 的關鍵，直接影響到補償速度和精度，是補償?shù)暮诵乃凇蚀_、實時地檢測出電網中瞬態(tài)變化的電壓或電流信號是有源濾波器進行精確補償?shù)年P鍵，在有源濾波器補償分量檢測方法的研究方面，從歷史來看，經歷著一個由頻域、時域、神經網絡、自適應參數(shù)辨識的發(fā)展過程。目前，補償電流的檢測方法主要有以下幾種： 1)基于頻率運算的方法 ； 2)瞬時功率法：這是基于瞬時無功功率理論。瞬時功率間矢量法是目前 APF 中應用最廣的一種補償電流檢測方法。最早是由日本學者 H． Akagi 于 1989 年提出，僅適用于對稱三相電路，后經過不斷的改進現(xiàn)已包括 pq? 法、 pqii? 法和 dq? 法等。其中 pq? 法最早應用，它僅適用于對稱且無畸變的電網；而 pqii? 法不僅對電源電壓畸變有效，也適用于不對稱三相電網：基于同步旋轉 park 變換的 dq? 法不僅簡化了對稱無畸變下的指令電流運算，而且也適用于不對稱有畸變的電網 [6] [7][8][9][10]； 3)基于現(xiàn)代控制理論的檢測方法：直接根據(jù)逆變器直流側的電壓或電流，求出所需電網電流的基波有功分量幅值，從而求出所需補償電流的值； 4)自適應檢測圓法：該方法基于自適應濾波中的自適應干擾抵消原理，從負載電流中消去基波有功分量，從而得到所需補償?shù)碾娏髦担? 5)基于神經網絡控制法：該方法是隨著神經網絡理論在系統(tǒng)中的應用而發(fā)展起來的一種新型智能控制檢測手段。 補償電流控制方法 滯環(huán)比 較 PWM 電流控制 采用滯環(huán)比較的 PWM 電流控制方法 [16] [17][18][19]原理圖如圖圖 ： ci ? ci P W M 信 號滯 環(huán) 比 較 器 圖 在該方式中，把補償電流指令信號 ci? 和實際補償電流 ci 信號進行比較，其差值ci? 作為滯環(huán)比較器的輸入，滯環(huán)比較器是一個設置門檻電壓的比較電路，通過判 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 9 頁 斷補償電流差值的大小和方向來產生驅動逆 變器的 PWM信號，來控制主電路的通斷，從而使補償電流 ci 跟蹤指令電流 ci? 的變化。 不失一般性，下面以 a 相為例說明此方法的工作原理。設 cai 的方向如主電路圖23 所示，當 1T (無論是 IGBT 還是二極管，只要一個導通即可 )導通時，換句話說：當 a 相上橋臂導通時 ， cai 較少，而當 4T 導通時 cai 將增大。假設用 W 來表示滯環(huán)比較器的寬度 (即門檻電壓 )，當 caiW??時，滯環(huán)比較器的輸出保持不變，而當 caiW??時， PWM 的正負將發(fā)生翻轉，情況如下：若 cai? 的值碰到了 H? ，則 cai 應該減小，即體現(xiàn)在主電路中的互應該被觸發(fā)導通，反之，若 cai? 的值碰到了 H? ，則 cai 就應該增加，相應的 4T 就應該被觸發(fā)導通。于是，無論指令電流如何變化，在滯環(huán)電流的控制方法下 ，實際補償電流總能以指令電流為基準呈圖 所示鋸齒波形狀上下波動，即實際的補償電流被限制在規(guī)定的誤差帶限內。 以上分析，不難看出，滯環(huán)帶寬 W 對補償電流的跟蹤性能影響很大。若 W 較小，則實際補償電流跟蹤指令電流的精度就比較高，但同時它要求半導體器件必須具有較高的開關頻率，這不僅會增大開關損耗，還對半導體的開關性能提出了根高要求；若 W 較大，自然 ci? ，就會增大，相對應的實際補償電流的跟蹤精度就差，但也降低了半導體的開關頻率，降低了開關損耗。 圖 滯環(huán)比較的瞬時值比較 三角波比較方式 圖 為三角波比較方式的原理圖 ： ci ? ci P W M 信 號A mu 圖 三角載波比較方式 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 10 頁 這種方式與其它用三角波作為載波的 PWM 控制方式不同，它不是直接將指令信號 ci? 與三角波比較，而是將 ci? 與 ci 的偏差 ci? 經放大器之后再與三角波比較。放大器往往采用比例放大器或比例積分放大器。這樣組成的一個控制系統(tǒng)是基于把 ci?控制為最小來進行設計的。與瞬時值比較方式相比，該方式具有以下特征： 1)硬件較為復雜 ； 2)跟隨誤差較大 ； 3)輸出電壓中諧波較少，但是含有與三角載波相同頻率的諧波 ； 4)放大器增益有限 ； 5)器件的開關頻率固定，且等于三角波的頻率 ； 6) 電流響 應比瞬時值比較方式慢 。 這種方式并不直接將指令信號 ci? 與三角波比較，而是通過閉環(huán)來進行控制的。從圖 中可以看出，把補償電流指令 ci? 和實際補償電流 ci 進行比較，求出偏差電流，通過放大器 A 后得到調制波 mu ， mu 和高頻二角波 進行比較，產生 PWM 波形，作為功率開關器件的控制信號，從而獲得所需的補償電流。放大器 A 往往采用比例放大器或比例積分放大器，比例系數(shù)或比例、積分系數(shù)將直接影響著電流跟蹤特性。這樣組成的一個控制系統(tǒng)是基于把 ccii?? 控制為最小來進行設計的。采用三角波比較控制時調制波與 PWM 控制信號波形如圖 ： 圖 采用二角波比較控制時調制波與 PWM控制信號波形 APF 的前景 [13] [21] [22][23][24] 有源濾波器作為改善電能質量的一項關鍵技術，在日本、美國、德國等工業(yè)發(fā)達國家已得到了高度重視和日益廣泛的應用。目前，世界上 APF 的主要生產廠家有日本三菱電機公司、美國西屋電氣公司、德國西門子公司等。自 1981 年以來，僅在日本，已有 500 多臺 APF 投入運行，容量范圍由 50kVA 到 60MVA。從近年來的研究和應用中可以看出 APF 具有如下的發(fā)展趨勢： 1)通過采用 PWM 調制可提高開關器件等效開關頻率的多重化技術，實現(xiàn)對高次諧波的有效補償。當 APF 的容量小于 2MVA 時，通常采用 IGBT 及 PWM 技術進行諧波補償。當 容量大于 5MVA 時，通常采用 GTO 及多重化技術進行諧波補償； 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 11 頁 2)當前大功率濾波裝置從經濟上考慮，可以采用 APF 與 LC 無源濾波器并聯(lián)使用的混合型有源濾波系統(tǒng)，以減小 APF 的容量，達到降低成本、提高效率的目的。其中 LC 濾波器用來消除高次諧波， APF 用來補償?shù)痛沃C波分量； 3)從長遠角度看，隨著大量換流器用于變頻調速系統(tǒng)，其價格必然下降；同時，隨著半導體器件制造水平的迅速發(fā)展，尤其是 IGBT 的廣泛應用，混合型有源濾波系統(tǒng)低成本的優(yōu)勢將逐漸消失，而串一并聯(lián) APF 由于其功能強大、性價比高，將是一種很有發(fā)展前途的有源 濾波裝置； 4)可通過單節(jié)點單裝置的裝設達到多節(jié)點諧波電壓綜合治理的 APLC 的出現(xiàn)，表明電力系統(tǒng)諧波治理正朝著動態(tài)、智能、經濟效益好的方向發(fā)展。 5)器件容量的增大和開關頻率的提高。為實現(xiàn)電流的快速控制和提高補償效果，開關頻率是關鍵。此外，應用多重化技術也能提高器件的等效開關頻率。從經濟的角度考慮，應使用高容量、大功率的器件，但這與使用高頻率產生矛盾。因為大容量受到頻率的限制，如何從兩者中找到一個折中，獲得最佳效果，是值得研究的問題 ； 6)降低裝置的價格并使其多功能化。 APF能消除高次諧波還能提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，抑制閃變和補償無功，一機多用最為經濟，也符合電力系統(tǒng)發(fā)展的需要。然而有源濾波器造價較高，與 LC濾波器是不可比擬的。如何提高裝置的性價比是電力電子器件制造技術面臨的問題 ； 7)降低損耗提高系統(tǒng)可靠性。這方面主要工作包括：采用合理的開關頻率；選擇適當?shù)奈栈芈芬蕴岣哐b置的使用效率；采用過流、過壓保護技術及故障診斷技術，使系統(tǒng)可靠工作 ； 8)APF 技術至今未在各國普遍使用的一個重要原因是補償電流的精度檢測等問題始終沒有很好解決。中國在研制 APF 時應著力采用新理論和新方法，結合中國國情采用小額定值的 APF 配以 無源濾波器的混合型電力濾波的方式是可行的。隨著電力有源技術的發(fā)展。 本文的主要工作 本文主要工作的內容主要包括下面幾個方面： 1)介紹了電力有源濾波器的主要拓撲結構、分析了其濾波原理； 2)對幾種諧波檢測方法進行概述，詳細分析了基于瞬時無功功率和無功電的實時檢測 ,pqii諧波電流檢測法 ； 3）對并聯(lián)電力有源濾波器的控制策略進行了概述，詳細分析了基于電壓空間矢量的滯環(huán)電流控制方式； 4）最后詳細分析了并聯(lián)電力有源濾波器直流側電壓控制策略 ； 5)給出仿真分析。 中國礦業(yè)大學 2021 屆本科生畢業(yè)設計 第 12 頁 2 并聯(lián)有源濾波器結構 特點及其濾波原理 并聯(lián)型電力有源濾波器的結構特點 由于有源電力濾波器的主電路與負載并聯(lián)接入電網，故稱并聯(lián)型。這是有源電力濾波器中最基本的形式，也是目前應用最多的一種。這種方式中，由于電源的基波電壓直接加到變流器上，使得變流器的容量較大。但是這種方式可以對無功功率進行補償，且補償?shù)某潭仁沁B續(xù)可調的。 本論文主要對并聯(lián)型電力有源濾波器的控制算法進行 了 仿真分析 ， 并聯(lián)型電力有源濾波器是相對于串聯(lián)型有源濾波器而言的，目的是針對一些電流源型諧波用戶來說的，例如直流側是阻感負載的整流電路 ， 即通過 補償用戶端的電流諧波使諧波流入 APF 而避免注入電網，從而使電網電流為基波正弦波 [25] [26][27][28][29]。 單獨使用的并聯(lián)有源濾波器 這是 APF 的最基本形式。即為圖 去掉并聯(lián)支路的無源濾波器之后的部分 ，負載為產生諧波電流的電流源負載，即電流源諧波源，變流器和與它相連的濾波電感、直流側儲能電容共同組成電力濾波器的主電路。但其中變流器的出口處接電容和濾波電感組成高通濾波器，用來消除變流器開關器件產生的高次諧波電流?？刂齐娐吠ㄟ^采集的電壓和電流信號經運算產生使變流器產生指令電流信號的 開關信號。 單獨使用的并聯(lián)濾波器結構簡單，但是，由于變流器直接和電網相連，電網電壓直接加在了變流器端， APF 就需要較大的容量。由于電力電子器件額定電壓和電流的限制，以及大容量電容涉及成本高的問題，就限制了此種情況下 APF 的使用只能是需要補償容量不大的場合。如：小用戶端。 有源、無源混合型 APF 目前工程上應用最多的還是無源 LC 濾波器，它結構