【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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)[16][17]，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)立翻譯了 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)行了研究哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 [21]。浙江大學(xué)的錢(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)頻率的多重化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高次諧波的有效補(bǔ)償。 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)揮了關(guān)鍵作用。最值得一提的是由日本學(xué)者赤木泰文()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，脈寬指令的哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 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 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)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)[24][25]。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。 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。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 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。 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?；镜姆謮弘娐啡鐖D 21 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， 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=UZ2I。 圖 21 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 22哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 為基本分流電路，其中 I1 和 I2 分別為主支路和分流之路電流， Z1 和 Z2 分別為主支路和分流支路阻抗。由圖 22（ 1）所示可知方程為：當(dāng)開(kāi)關(guān) S 位于 1 時(shí)2112ZIIZZ? ? 當(dāng)開(kāi)關(guān) S 位于 2 時(shí) 21 1 2 3ZIIZ Z Z? ?? ?？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 22（ 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 22 分流濾波原理 由于大多數(shù)的變電站和工礦企業(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 [2629]。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)。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 注入式有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)及原理 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(Highcacity shunt hybrid injection type active power filter)，其結(jié)構(gòu)如圖 。 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)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 L1 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)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， ip1 ip13分別為流入 11次、 13次無(wú)源支路的電流。從圖 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 L 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 L 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。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 圖 23 并聯(lián)混合注入式有源電力濾波器 HSHIAPF 主電路結(jié)構(gòu) 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 24(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 24(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 ,在哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 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