【正文】 入式 22 式整理得： 采用占空比描述的 VSR 數(shù)學(xué)模型 為簡(jiǎn)化 VSR 的數(shù)學(xué)模型，可忽略開關(guān)函數(shù)中的高頻分量，只考慮低頻分量，從而獲得采用占空比描述的低頻數(shù)學(xué)模型。 由于是三相對(duì)稱系統(tǒng)，則： 式 24 和式 25 聯(lián)立可得： 由式 23 和式 26 可得： 以上假設(shè)各種開關(guān)運(yùn)行狀態(tài)中的一種，但無論那種運(yùn)行狀態(tài)，在以簡(jiǎn)化電路的表示形式中必有兩相電壓相同，且相同相的電壓的絕對(duì)值必為，而另一相的電壓的絕對(duì)值為。那么， ,點(diǎn)同電位且和直流側(cè)電容的正極 上端 同電位，而點(diǎn)與直流側(cè)電容的負(fù)極 下端 同電位。 當(dāng)時(shí)， VSR 可運(yùn)行于逆變狀態(tài)也可運(yùn)行于整流狀態(tài)。 開關(guān)函數(shù)描述的數(shù)學(xué)模型 采用開關(guān)函數(shù)描述的數(shù)學(xué)模型方便對(duì)電壓源整流器 voltage source rectifor,for short： VSR 開關(guān)過程的精確描述，較適用于 VSR 的波形仿真，常用于校正控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的惡性能指標(biāo)。進(jìn)行數(shù)學(xué)描述時(shí)，通常進(jìn)行以下假設(shè)： 1 電網(wǎng)電壓為三相穩(wěn)定的正弦波電壓 ， ； 2 網(wǎng)側(cè)電感是線性的、不考慮飽和。 圖 變流器主電路 三相橋式整流電路可以工作于逆變和整流兩種工作狀態(tài)，當(dāng)在整流狀態(tài)時(shí)屬于升壓型整流電路，其輸出的直流電壓理論上可以高出交流側(cè)峰值電壓的許多倍，通過適當(dāng)?shù)目刂凭湍茉诮涣鱾?cè)得到期望的電壓電流波形。而文中采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)避免了上述缺陷。這種方式下，有源電力濾波器不承受交流電源的基波電壓，因此裝置容量小。達(dá)到的目的 : 1 降低 APF 容量； 2 抑制電網(wǎng)和 LC 濾波器可能的諧振； 3 APF 主電路不承受基波電壓。 在混合結(jié)構(gòu)中， LC 濾波器承擔(dān)了大部分的諧波補(bǔ)償， APF 的作用是對(duì) LC 濾波器補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化和補(bǔ)充，在這種情況下， LC 濾波器將不再受電網(wǎng)參數(shù)變化的影響而降低，如果采用串聯(lián)諧振來 分壓，則可以使 APF 的主電路不承擔(dān)基波電壓，從而大大降低了 APF 的容量。 而 APF和 PF混合使用卻能在充分利用 PF結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，最大發(fā)揮 APF 的性能。無源濾波器由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，在吸收諧波的基礎(chǔ)上還可以補(bǔ)償無功，改善功率因數(shù)；同時(shí)無源濾波器又具有維護(hù)方便，以及有較成熟的技術(shù)、設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)，因此無源濾波方案是目前采用得最為廣泛的諧波抑制和補(bǔ)償無功的主要手段。無源濾波器還可以設(shè)計(jì)成雙調(diào)諧的，它同時(shí)可以濾除兩種頻率的諧波；也可以做成多階的，但電路復(fù)雜，應(yīng)用較少。無源濾波器 Passive Power Filter,簡(jiǎn)稱 PPF ，通常是采用電力電容器、電抗器和電阻按功能要求組合而成，最簡(jiǎn)單的是單調(diào)諧 LC 濾波器。 、無源混合型 APF 目前工程上應(yīng)用最多的還是無源 LC 濾波器，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少，可靠性高，運(yùn)行費(fèi)用也比較低。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(bǔ)償容量不大的場(chǎng)合。 本文的主要工作 本文主要工作的內(nèi)容主要包括下面幾個(gè)方面： 1 介紹了電力有源濾波器的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、分析了其濾波原理； 2 對(duì)幾種諧波檢測(cè)方法進(jìn)行概述，詳細(xì)分析了基于瞬時(shí)無功功率和無功電的實(shí)時(shí)檢測(cè)諧波電流檢測(cè)法； 3）對(duì)并聯(lián)電力有源濾波器的控制策略進(jìn)行了概述，詳細(xì)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(xì)分析了并聯(lián)電力有源濾波器直流側(cè)電壓控制策略； 5 給出仿真分析。中國(guó)在研制 APF 時(shí)應(yīng)著力采用新理論和新方法，結(jié)合中國(guó)國(guó)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。如何提高裝置 的性價(jià)比是電力電子器件制造技術(shù)面臨的問題； 7 降低損耗提高系統(tǒng)可靠性。 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(bǔ)償無功，一機(jī)多用最為經(jīng)濟(jì)，也符合電力系統(tǒng)發(fā)展的需要。從經(jīng)濟(jì)的角度考慮，應(yīng)使用高容量、大功率的器件，但這與使用高頻率產(chǎn)生矛盾。為實(shí)現(xiàn)電流的快速控制和提高補(bǔ)償效果，開關(guān)頻率是關(guān)鍵。其中 LC 濾波器用來消除高次諧波， APF 用來補(bǔ)償?shù)痛沃C波分量； 3 從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看，隨著大量換流器用于變頻調(diào)速系統(tǒng)，其價(jià)格必然下降；同時(shí)，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，而串一并聯(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； 4 可通過單節(jié)點(diǎn)單裝置的裝設(shè)達(dá)到多節(jié)點(diǎn)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(dòng)態(tài)、智能、經(jīng)濟(jì)效益好 的方向發(fā)展。當(dāng) APF 的容量小于 2MVA 時(shí)，通常采用 IGBT 及 PWM 技術(shù)進(jìn)行諧波補(bǔ)償。自 1981 年以來，僅在日本，已有 500 多臺(tái) APF 投入運(yùn)行，容量范圍由 50kVA 到 60MVA。采用三角波比較控制時(shí)調(diào)制波與 PWM 控制信號(hào)波形如圖 ： 圖 采用二角波比較控制時(shí)調(diào)制波與 PWM 控制信號(hào)波形 APF 的前景 [13] [21] [22][23][24] 有源濾波器作為改善電能質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在日本、美國(guó)、德國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已得到了高度重視和日益廣泛的應(yīng)用。放大器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。 這種方式并不直接將指令信號(hào)與三角波比較，而是通過閉環(huán)來進(jìn)行控制的。這樣組成的一個(gè)控制系統(tǒng)是基于把控制為最小來進(jìn)行設(shè)計(jì)的。 圖 滯環(huán)比較的瞬時(shí)值比較 .2 三角波比較方式 圖 為三角波比較方式的原理圖： 圖 三角載波比較方式 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(hào)與三角波比較，而是將與的偏差經(jīng)放大器之后再與三角波比較。 以上分析，不難看出，滯環(huán)帶寬對(duì)補(bǔ)償電流的跟蹤性能影響很大。假設(shè)用來表示滯環(huán)比較器的寬度 即門檻電壓 ，當(dāng)時(shí)，滯環(huán)比較器的輸出保持不變，而當(dāng)時(shí)， PWM 的正負(fù)將發(fā)生翻轉(zhuǎn)，情況如下：若的值碰到了，則應(yīng)該減小，即體現(xiàn)在主電路中的互應(yīng)該被觸發(fā)導(dǎo)通，反之，若的值碰到了，則就應(yīng)該增加，相應(yīng)的就應(yīng)該被觸發(fā)導(dǎo)通。 不失一般性，下面以相為例說明此方法的工作原理。其中法最早應(yīng)用，它僅適用于對(duì)稱且無畸變的電網(wǎng)；而法不僅對(duì)電源電壓畸變有效，也適用于不對(duì)稱三相電網(wǎng)：基于同步旋轉(zhuǎn) park 變換的法不僅簡(jiǎn)化了對(duì)稱無畸變下的指令電流運(yùn)算，而且也適用于不對(duì)稱有畸變的電網(wǎng) [6] [7][8][9][10]； 3 基于現(xiàn)代控制理論的檢測(cè)方法：直接根據(jù)逆變器直流側(cè)的電壓或電流，求出所需電網(wǎng)電流的基波有功分量幅值，從而求出所需補(bǔ)償電流的值； 4 自適應(yīng)檢測(cè)圓法：該方法基于自適應(yīng)濾波中的自適應(yīng)干擾抵消原理，從負(fù)載電流中消去基波有功分量，從而得到所需補(bǔ)償?shù)碾娏髦担? 5 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法：該方法是隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論在系統(tǒng)中的應(yīng)用而發(fā)展起來的一種新型智能控制檢測(cè)手段。瞬時(shí)功率間矢量法是目前 APF中應(yīng)用最廣的一種補(bǔ)償電流檢測(cè)方法。準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地檢測(cè)出電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的電壓或電流信號(hào)是有源濾波器進(jìn)行精確補(bǔ)償?shù)?關(guān)鍵，在有源濾波器補(bǔ)償分量檢測(cè)方法的研究方面，從歷史來看，經(jīng)歷著一個(gè)由頻域、時(shí)域、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、自適應(yīng)參數(shù)辨識(shí)的發(fā)展過程。 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(nèi)容：負(fù)載電流諧波檢測(cè)方法 或稱為指令電流運(yùn)算方法 和產(chǎn)生補(bǔ)償電流的控制策略。以下研究都是以諧波和無功同時(shí)補(bǔ)償為條件的。 并聯(lián)電力有源濾波器的基本原理 [20] 圖 APF 工作原理 如圖 有源濾波器的工作原理可簡(jiǎn)述如下：當(dāng)需要補(bǔ)償負(fù)載產(chǎn)生諧波電流時(shí)，有源電力濾波器檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象負(fù)載電流的諧波分量，由控制電路使主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流與大小相等、相位相反，因而兩者相抵消，最終使得電源電流只含基波，不含諧波。 圖 新型混合型有源濾波器拓?fù)? 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(shí)有源濾波器不承受低電壓，但其容量還是很大，這時(shí)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(jìn)一步減少了有源濾波器的容量。 FUJITA 等提出的混合型濾波電路可大大降低有源裝置承擔(dān)的基波電壓。 .2 混合濾波器的研究熱點(diǎn) 近年來，減少混合濾波器中有源裝置中的安裝容量成為了研究熱點(diǎn)，這需要從降低有源濾波器承擔(dān)的基波電壓與基波電流 2 個(gè)方面來考慮。有源濾波器是由全控型開關(guān)器件構(gòu)成的變流裝置，可視為受系統(tǒng)的諧波電流或諧波電壓控制的線性受控源。其中濾波和無功補(bǔ)償主要有無源濾波器承擔(dān)，有源濾波器用來進(jìn)一步改善濾波和補(bǔ)償?shù)男阅?，并抑?串、并聯(lián)諧振，由此，其安裝容量不大，也容易實(shí)現(xiàn)。 波器 [5] .1 混合濾波器的基本結(jié)構(gòu) 盡管 APF 具有無源濾波器無可比擬的巨大優(yōu)勢(shì)，但由于成本問題，目前還不可能完全代替無源濾波裝置。目前使用裝置 9O%以上為電壓型，技術(shù)相對(duì)成熟、完善。根據(jù)逆變電路的儲(chǔ)能元件不同，有源濾波器可分為電流型和電壓型 2 種。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同可分為有源直流濾波器和有源交流濾波器 2 大類。 有源濾波器的缺點(diǎn)： 1 數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定性好，但計(jì)算量較大，相應(yīng)加大了檢測(cè)過程的延遲時(shí)間； 2 就目前來說， APF 還難以實(shí)現(xiàn)大功率的濾波，并且成本較高。所以目前的主要方向是加快有源濾波器的產(chǎn)品化，提高它在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用水平。浙江省新技術(shù)推廣站已經(jīng)把 30 kV??A 有源濾波器產(chǎn)品化，并開始投向市場(chǎng)。在實(shí)際應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有人試制出了有源濾波器的樣機(jī)，并且在小功率的場(chǎng)合使用。進(jìn)入 2O 世紀(jì) 9O 年代，國(guó)內(nèi)的多所高校和研究機(jī)構(gòu)也加入到了有源濾波器的研究中來，這方面的工作主要以理論研究和實(shí)驗(yàn)為主。目前有源濾波器已用在提高電能質(zhì)量，解決三相電力系統(tǒng)中終端電壓調(diào)節(jié)、電壓波動(dòng)抑制、電壓平衡改善以及諧波消除和無功補(bǔ)償?shù)葐栴}上。經(jīng)過 2O 多年的研究和探索， APF 技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，越來越多的 APF 投入了運(yùn)行，不論從實(shí)現(xiàn)功能還是運(yùn)行功率上都有明顯的改善。 1986 年，日本的 Komasugi 和Imura 研制出一套用于三相整流器補(bǔ)償?shù)碾娏餮a(bǔ)償器，可補(bǔ)償 19 次以下的高次諧波。 1982 年，第 1 臺(tái)采用 GTO 作為開關(guān)元件的電流源 PWM 逆變器構(gòu)成的有源濾波器 80O kV??A 在日本研制成功并投人使用。 圖 有源濾波器基本構(gòu)造 .2 有源濾波器的發(fā)展歷程及主要應(yīng)用 1971 年日本的 Machida 首先提出了有源濾波器的原始模型。補(bǔ)償指令電流檢測(cè)及控制電路對(duì)負(fù)載電流 進(jìn)行檢測(cè)，通過瞬時(shí)無功功率理論或 DSP 技術(shù)產(chǎn)生的諧波及無功電流分量，與精密波形發(fā)生器產(chǎn)生的三角載波進(jìn)行比較， 獲得 PWM 波形，用于控制主電路內(nèi)的功率電子開關(guān)器件，把直流電流信號(hào)變成補(bǔ)償交流電流。 圖 濾波裝置結(jié)構(gòu) 在目前流行的開關(guān)電源中，在電源的輸人端加入無源濾波器可以有效地抑制電源傳人開關(guān)電源的干擾，也可以抑制開關(guān)電源反向串入電源的干擾。綜合考慮各種條件可采用雙調(diào)諧無源濾波器和高通濾波器。 在高壓直流輸電中， 12 相整流得到了廣泛應(yīng)用，特別是大容量整流變壓器，通過移相可以形成 l2 脈波整流，這對(duì)減小直流輸出電壓的紋波幅度、提高紋波頻率、減少電壓畸變、降低諧波電流對(duì)電網(wǎng)的影響都有理想的效果。 它的缺點(diǎn)是： 1 它的補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗的影響，依賴于電網(wǎng)和負(fù)載的參數(shù)； 2 可能發(fā)生電網(wǎng)與濾波器間的串、并聯(lián)諧振，使濾波器和電網(wǎng)側(cè)的諧波較之負(fù)載的電流諧波有所增加； 3 不能對(duì)諧波和無功功率實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償； 4 有效材料消耗多，體積大。加裝上述濾波裝置后，通過改變各個(gè)通路的參數(shù)設(shè)置 ，很好地抑制了奇次諧波進(jìn)入到電網(wǎng)中，系統(tǒng)的功率因數(shù)也得到了提高，滿足了電網(wǎng)對(duì)無功補(bǔ)償?shù)囊?。圖 為 35 kV 母線電壓下電弧爐系統(tǒng)濾波裝置模型。無源濾波器因其功率大、成本低等優(yōu)勢(shì)在大功率用電系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 電力有源濾波器 active power filter，簡(jiǎn)稱 APF 是無功補(bǔ)償?shù)南冗M(jìn)方法 ,并聯(lián)型電力有源濾波器是一種最基本的形式，也是目前應(yīng)用最為廣泛的一種。 以上這些，即使供給它理想正弦波電壓，它取用的電流也是非正弦的，所以常被看作諧波恒流源。若氣隙是均勻的，則磁通勢(shì)沿定子轉(zhuǎn)子表面均勻分布，但不是正弦分布，將它分解可得諧波分量，在電壓、電流中，會(huì)有相應(yīng)分量產(chǎn)生。飽和愈深，電流波形畸變?cè)絿?yán)重； 2 電子開關(guān)型 ：各種交直流換流裝置、雙向晶閘管可控開關(guān)設(shè)備以及 PWM 變頻器等電力電子設(shè)備； 3 電弧型：交流電弧爐和交流電焊機(jī)等； 4 旋轉(zhuǎn)電機(jī)：交流電機(jī)磁場(chǎng)的磁路，是由定子磁軛、定子齒、空氣隙組成閉合回路。 諧波的來源 [3][4]： 1 鐵磁飽和型：各種鐵芯設(shè)備，其鐵磁飽和特性呈非線性。對(duì)于電網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)、變壓器、傳輸電纜而言，諧波首先增加了設(shè)備的損耗，降低了設(shè)備的使用效率；其次引發(fā)過熱問題，使設(shè)備無法正常工作； 3 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，使其發(fā)熱，縮短使用壽命。 諧波對(duì)公用電網(wǎng)和其他系統(tǒng)危害主要表現(xiàn)在以下方面 [1] [2]： 1 諧波對(duì)電力系統(tǒng)中補(bǔ)償電容器組造成影響。電力諧波問題受到越來越多的 關(guān)注。 Harmonics；； 目 錄 1 緒論 .............................................................1 課題研究