【正文】 不變，而是以槽距進(jìn)行周期變化的，也會(huì)有相應(yīng)的諧波產(chǎn)生。 抑制或減小電網(wǎng)諧波主要有 2個(gè)途徑 [1]： 1)是對(duì)產(chǎn)生渚波的諧波源裝置本身進(jìn)行改進(jìn)，使其不 產(chǎn)生或少產(chǎn)生諧波，以減少其同電網(wǎng)的諧波注入，顯然對(duì)大量原有裝置進(jìn)行改造是不現(xiàn)實(shí)的，此方法只能對(duì)電網(wǎng)新增裝置產(chǎn)生作用； 2)是裝設(shè)諧波濾波補(bǔ)償裝置，對(duì)電網(wǎng)諧波進(jìn)行有效濾波和補(bǔ)償，如使用各種濾波裝置、無(wú)功發(fā)生器以及其他校正補(bǔ)償設(shè)備；目前，常用的有無(wú)源濾波器、有源濾波器和混合濾波器。 電力濾波器的研究現(xiàn)狀概述 無(wú)源濾波器 [5] 無(wú)源濾波器的基本結(jié)構(gòu) 無(wú)源濾波器 (passive power filter， PPF)在電力系統(tǒng)中可兼顧無(wú)功補(bǔ)償與濾除諧波的作用。無(wú)源濾波器的電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，通常由幾組單調(diào)諧濾波器及一組高通濾波器組成，每一通道依靠 LC參數(shù)諧振原理構(gòu)成某次諧波的帶通濾波器。 ,k k kL C R ( 3, 5, 7, 11 ,13 , )kh? 分別為3,5,7,11,13 及高次濾波通道的電抗、電容及電阻； ( 3, 5 , 7, 11 ,13 , )kfi k h? 分別為3,5,7,11,13 及高次濾波通道與系統(tǒng)電抗的回路電流； sL 為電力系統(tǒng)等效感抗值； dL為電弧爐等效感抗值。 uSL5fi dL3fi 7fi 11fi5fi hfi13fi dfi3R 5R 7R 11R 13R hR3C 5C 7C 11C 13C hC3 5L 7L 11L 13L hLlki 圖 基波下濾波裝置模型 無(wú)源濾波器的優(yōu)缺點(diǎn) 它的優(yōu)點(diǎn)是 ： 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，技術(shù)成熟，易于實(shí)現(xiàn)。 無(wú)源濾波器的主要應(yīng)用方向 作為最 傳統(tǒng)的濾波裝置，無(wú)源濾波器雖然有它本身不可克服的缺陷，但因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，技術(shù)成熟，易于實(shí)現(xiàn)，所以在各個(gè)行業(yè)起著重要的作用，特別是在能夠檢測(cè)出諧波次數(shù)的時(shí)候它有著不可替代的作用，像是鋼廠、鐵廠中所用的電磁爐，一般都可以測(cè)出諧波次數(shù)，使用無(wú)源濾波器對(duì)于降低成本還是非常有效的。但通過(guò)分析換流變壓器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知 ，理論上二次側(cè)產(chǎn)生特征諧波主要是 (12 1)k? 次， 1,2,3,k ? ；其中，尤以 11,13 次諧波含量最高，濾波器的設(shè)計(jì)主要以 11,13 次為主要目標(biāo)；但在實(shí)際運(yùn)行中，由于交流系統(tǒng)存在著非線性負(fù)荷或者三相參數(shù)不完全對(duì)稱，在系統(tǒng)中存在基波的負(fù)序和零序電壓分量，對(duì)于 12脈波系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，交流側(cè)存在 (12 1)nk??次 1,2,3,k ? ，也存在 3,24,26, , 3倍次非特征諧波。結(jié)構(gòu)如圖 。 有源濾波器 有源濾波器的基本結(jié)構(gòu) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 有源濾波器裝置的基本構(gòu)造見圖 。對(duì)主電路輸出的補(bǔ)償電流進(jìn)行檢測(cè)是為了使主電路輸出的補(bǔ)償電流更好地跟蹤由于負(fù)載電流的變化而引起的諧波大小的變化。 1976年，美國(guó)的Strycula提出了用 PWM 逆變器結(jié)構(gòu)構(gòu)成有源濾波器，確立了當(dāng)今濾波器的基本結(jié)構(gòu)。 A)在日本研制成功并投人使用。 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。經(jīng)過(guò) 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(lái)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。 A到 6O MV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(wú)功補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題上。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(lái)，這方面的工作主要以理論研究和實(shí)驗(yàn)為主。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。浙江省新技術(shù)推廣站已經(jīng)把 30 kV但總的說(shuō)來(lái)，由于各種條件限制，中國(guó)的有源濾波器的實(shí)際應(yīng)用水平不高，范圍不大。 有源濾波器的優(yōu)缺點(diǎn) [12] [13] [14] [15] 有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)如下 : 1)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可對(duì)頻率和大小變化的諧波以及變化的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)補(bǔ)償對(duì)象的變化有極快的響應(yīng)； 2)可同時(shí)對(duì)諧波和無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，且補(bǔ)償無(wú)功功率的大小可做到連續(xù)調(diào)節(jié)； 3)補(bǔ)償無(wú)功功率時(shí)不需儲(chǔ)能元件，補(bǔ)償諧波時(shí)所需儲(chǔ)能元件容量也不大； 4)即使補(bǔ)償對(duì)象電流過(guò)大，有源濾波器也不會(huì)發(fā)生過(guò)載，并能正常發(fā)揮補(bǔ)償作用 ； 5)受電網(wǎng)阻抗影響不大，故補(bǔ)償性能不受電網(wǎng)頻率變化的影響； 6)既可對(duì)個(gè)諧波和無(wú)功源單獨(dú)補(bǔ)償，也可對(duì)多個(gè)諧波和無(wú)功功率集中補(bǔ)償。 有源濾波器的分類和連接方式 目前投入使用的有源濾波器種類繁多 ，其分類方法也多種多樣。前者主要用來(lái)消除高壓直流系統(tǒng)中換流器直流側(cè)的電壓；后者則應(yīng)用于交流電力系統(tǒng)。電壓型濾波裝置效率高，初期投資小，可任意并聯(lián)擴(kuò)容，易于單機(jī)小型化，適用于電網(wǎng)級(jí)諧波補(bǔ)償。電流型濾波裝置作為非正弦電流源來(lái)滿足非線性負(fù)載的諧波電流要求，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，但損耗較大，不適用于大容量系統(tǒng)。一種可能的措施就是采用無(wú)源濾波和有源濾波相結(jié)合的技術(shù)口 ，構(gòu)成混合型濾波系統(tǒng)。在無(wú)源濾波器的基礎(chǔ)上引入有源濾波器，可改變電路的阻 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 抗頻率特性，從而改變系統(tǒng)的濾波效果。在不同的控制系數(shù)與電路結(jié)構(gòu)下，混合濾波器體現(xiàn)出不同的阻抗特性，靈活性強(qiáng)。研究人員提出串聯(lián) LC電路的 APF注入結(jié)構(gòu)，可大大降低其容量。詳見圖 。T cT c39。L aL bL ce ae be cYY負(fù)載 圖 新型混合型有源濾波器拓?fù)? 流過(guò)無(wú)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(wú)源濾波器的電感部分相并聯(lián)，則通過(guò)無(wú)源濾波器的電流只有部分通過(guò)有源濾波器，這樣就進(jìn)一步減少了有源濾波器的容量。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 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(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 Li 的諧波分量，由控制電路使主電路產(chǎn)生補(bǔ)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。以下研究都是以諧波和無(wú)功同時(shí)補(bǔ)償為條件的。 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。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)年P(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(lái)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(guò)程。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。其中 pq? 法最早應(yīng)用，它僅適用于對(duì)稱且無(wú)畸變的電網(wǎng)；而 pqii? 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 dq? 法不僅簡(jiǎn)化了對(duì)稱無(wú)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(lái)的一種新型智能控制檢測(cè)手段。 不失一般性，下面以 a 相為例說(shuō)明此方法的工作原理。假設(shè)用 W 來(lái)表示滯環(huán)比較器的寬度 (即門檻電壓 )，當(dāng) caiW??時(shí)，滯環(huán)比較器的輸出保持不變，而當(dāng) caiW??時(shí)， PWM 的正負(fù)將發(fā)生翻轉(zhuǎn)，情況如下：若 cai? 的值碰到了 H? ，則 cai 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 cai? 的值碰到了 H? ，則 cai 就應(yīng)該增加，相應(yīng)的 4T 就應(yīng)該被觸發(fā)導(dǎo)通。 以上分析，不難看出，滯環(huán)帶寬 W 對(duì)補(bǔ)償電流的跟蹤性能影響很大。 圖 滯環(huán)比較的瞬時(shí)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(hào)A mu 圖 三角載波比較方式 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) 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) ci? 與三角波比較，而是將 ci? 與 ci 的偏差 ci? 經(jīng)放大器之后再與三角波比較。這樣組成的一個(gè)控制系統(tǒng)是基于把 ci?控制為最小來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。 這種方式并不直接將指令信號(hào) ci? 與三角波比較，而是通過(guò)閉環(huán)來(lái)進(jìn)行控制的。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。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。自 1981 年以來(lái)，僅在日本，已有 500 多臺(tái) APF 投入運(yùn)行，容量范圍由 50kVA 到 60MVA。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。其中 LC 濾波器用來(lái)消除高次諧波， APF 用來(lái)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(guò)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。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。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。 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(wú)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。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(wèn)題 ； 7)降低損耗提高系統(tǒng)可靠性。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(wú)源濾波器的混合型電力濾波的方式是可行的。 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(wú)功功率和無(wú)功電的實(shí)時(shí)檢測(cè) ,pqii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。這是有源電力濾波器中最基本的形式，也是目前應(yīng)用最多的一種。但是這種方式可以對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，且補(bǔ)償?shù)某潭仁沁B續(xù)可調(diào)的。 單獨(dú)使用的并聯(lián)有源濾波器 這是 APF 的最基本形式。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(lái)消除變流器開關(guān)器件產(chǎn)生的高次諧波電流。 單獨(dú)使用的并聯(lián)濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是，由于變流器直接和電網(wǎng)相連，電網(wǎng)電壓直接加在了變流器端， APF 就需要較大的容量。如：小用戶端。它濾除諧波的原理實(shí)質(zhì)上是為電路中的諧波提供一條低阻抗路徑，即保留基波而使諧波短路，使諧波可通過(guò)濾波器不注入系統(tǒng)。要濾除若干個(gè)特征次諧波，就用若干個(gè)單調(diào)諧濾波器并聯(lián)接到電網(wǎng)上。另外， PPF還可以設(shè)計(jì)成高通濾波器，以濾除某一次以上的諧波。 但 PPF 就存在以下缺點(diǎn)： 1)濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)與運(yùn)行工況影響比較大，設(shè)計(jì)起來(lái)較困難，諧振頻率依賴元件參數(shù)； 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè) 2)電網(wǎng)的參數(shù)與 LC 可能產(chǎn)生并聯(lián)諧振使該次諧波分量放大，使電網(wǎng)供電質(zhì)量下降； 3)濾波要求和無(wú)功補(bǔ)償、調(diào)壓要求有時(shí)難以協(xié)調(diào) 。 并聯(lián)型有源濾波器與 LC 濾波器混合使用的方式有兩種：一種是 APF 和 LC 的串聯(lián)；一種是 APF 和 LC 的并聯(lián)，并聯(lián) 結(jié)構(gòu)如下圖 。 負(fù) 載變 流 器 L C 濾 波 器 圖 APF與 PF并聯(lián)使用結(jié)構(gòu) 無(wú)源和有源的串聯(lián)注入式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 論文仍然采用混合型濾波器結(jié)構(gòu)。 基于以上目的論文采用如下結(jié)構(gòu)， 如 圖 所示：