【正文】 用水平不高，范圍不大。 .3 有源濾波器 的優(yōu)缺點 [12] [13] [14] [15] 有源濾波器的優(yōu)點如下 : 1 實現(xiàn)了動態(tài)補償，可對頻率和大小變化的諧波以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(yīng)； 2 可同時對諧波和無功功率進行補償，且補償無功功率的大小可做到連續(xù)調(diào)節(jié)； 3 補償無功功率時不需儲能元件，補償諧波時所需儲能元件容量也不大； 4 即使補償對象電流過大，有源濾波器也不會發(fā)生過載，并能正常發(fā)揮補償作用 ； 5 受電網(wǎng)阻抗影響不大，故補償性能不受電網(wǎng)頻率變化的影響； 6 既可對個諧波和無功源單獨補償，也可對多個諧波和無功功 率集中補償。 .4 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 容，易于單機小型化，適用于電網(wǎng)級諧波補償。電流型濾波裝置作為非正弦電流源來滿足非線性負(fù)載的諧波電流要求，其結(jié)構(gòu)簡單，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)。在無源濾波器的基礎(chǔ)上引入有源濾波器，可改變電路的阻抗頻率特性，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。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 。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(dān)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。 其中是要主電路所產(chǎn)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]。 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(yīng)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(chǎn)生影響，因此此類裝置適合系列化、規(guī)?；a(chǎn)； 3 當(dāng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時裝置受電網(wǎng)阻抗的影響不大，不存在與電網(wǎng)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(dāng)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； 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?cè)萘?，還可以避免輕負(fù)荷時發(fā)生無功倒送現(xiàn)象。 測方法研究現(xiàn)狀 諧波電流檢測是 APF 的關(guān)鍵，直接影響到補償速度和精度，是補償?shù)暮诵乃凇Ｄ壳?，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。最早是由日本學(xué)者 H． Akagi 于 1989 年提出，僅適用于對稱三相電路，后經(jīng)過不斷的改進現(xiàn)已包括法、法和法等。 流控制方法 .1 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 ： 圖 滯環(huán)比較方式 在該方式中，把補償電流指令信號和實際補償電流信號進行比較，其差值作為滯環(huán)比較器的輸入，滯環(huán)比較器是一個設(shè)置門檻電壓的比較電路，通過判斷補償電流差值的大小和方向來產(chǎn)生驅(qū)動逆變器的 PWM 信號，來控制主電路的通斷，從而使補償電流跟蹤指令電流的變化。設(shè)的方向如主電路圖23 所示，當(dāng) 無論是 IGBT 還是二極管，只要一個導(dǎo)通即可 導(dǎo)通時，換句話說：當(dāng)相上橋臂導(dǎo)通 時，較少，而當(dāng)導(dǎo)通時將增大。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(zhǔn)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(nèi)。若較小，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(dǎo)體器件必須具有較高的開關(guān)頻率，這不僅會增大開關(guān)損耗，還對半導(dǎo)體的開關(guān)性能提出了根高要求；若較大，自然，就會增大，相對應(yīng)的實際補償電流的跟蹤精度就差，但也降低了半導(dǎo)體的開關(guān)頻率，降低了開關(guān)損耗。放大器往往采用比例放大器或比例積 分放大器。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(fù)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(guān)頻率固定，且等于三角波的頻率； 6 電流響應(yīng)比瞬時值比較方式慢。從圖 中可以看出，把補償電流指令和實際補償電流進行比較，求出偏差電流，通過放大器后得到調(diào)制波，和高頻二角波進行比較，產(chǎn)生 PWM 波形 ，作為功率開關(guān)器件的控制信號，從而獲得所需的補償電流。這樣組成的一個控制系統(tǒng)是基于把控制為最小來進行設(shè)計的。目前，世界上 APF 的 主要生產(chǎn)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。從近年來的研究和應(yīng)用中可以看出 APF 具有如下的發(fā)展趨勢： 1 通過采用 PWM 調(diào)制可提高開關(guān)器件等效開關(guān)頻率的多重化技術(shù)，實現(xiàn)對高次諧波的有效補償。當(dāng)容量大于 5MVA 時，通常采用 GTO 及多重化技術(shù)進行諧波補償； 2 當(dāng)前大功率濾波裝置從經(jīng)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。 5 器件容量的增大和開關(guān)頻率的提高。此外，應(yīng)用多重化技術(shù)也能提高器件的等效開關(guān)頻率。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。然而有源濾波器造價較高，與 LC 濾波器是不可比擬的。這方面主要工作包括：采用合理的開關(guān)頻率；選擇適當(dāng)?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(shù)及故障診斷技術(shù)，使系統(tǒng)可靠工作； 8 APF 技術(shù)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。隨著電力有源技術(shù)的發(fā)展。 2 并聯(lián)有源濾波器結(jié)構(gòu) 單獨使用的并聯(lián)濾波器結(jié)構(gòu)簡單，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，使諧波可通過濾波器不注入系統(tǒng)。要濾除若干個特征次諧波，就用若干個單調(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： 1 濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)與運行工況影響比較大，設(shè)計起來較困難，諧振頻率依賴元件參數(shù)； 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 濾波要求和無功補償、調(diào)壓要求有時難以協(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 。 圖 APF 與 PF 并聯(lián)使用結(jié)構(gòu) 無源和有源的串聯(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： 圖 并聯(lián) APF 混合結(jié)構(gòu) 上圖中，諧波和無功功率主要由 LC 濾波器補償，而有源電力濾波器的作用是改善 LC 濾波器的濾波性能，克服 LC 濾波器易受電網(wǎng)阻抗的影響、易與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振等缺點 。 另外，諸如注入式方式， APF 也不需要承受基波電壓，從而也有效的降低了有源濾波器的容量，但注入回路中并聯(lián)的基波串聯(lián) 或并聯(lián) 諧振支路在降低 APF承受基波電壓的同時，也使補償電流中的基波分量 包括有功、無功部分 分流，從而間接的增大了補償?shù)挠泄ǚ至俊? 并聯(lián)濾波器主電路的工作原理 把逆變電路中的 SPWM 控制技術(shù)用于整流電路，就形成了 PWM 控制整流電路，通過對 PWM 整流電路的適當(dāng)控制，就可以達到對交流側(cè) 輸入電壓及其相位的控制，亦可以通過間接方法達到控制交流側(cè)輸出電流的目的，而本文正是通過對電壓控制而間接控制電流，這將在控制方法中介紹。 并聯(lián)有源濾波器主電路的數(shù)學(xué)模型 主電路圖 23 三相電壓源整流器的數(shù)學(xué)模型是根據(jù)它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在三相靜止坐標(biāo)系 a， b， c 中、利用電路基本定律對三相電壓源整流 電路的一種數(shù)學(xué)描述。 根據(jù)三相電壓源整流器的特性分析需要，其數(shù)學(xué)模型一般有兩種： 1 采用開關(guān)函數(shù)描述的一般數(shù)學(xué)模型； 2 采用占空比描述的一般數(shù)學(xué)模型。 現(xiàn)以圖 23 所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立用開關(guān)函數(shù)描述的 VSR 數(shù)學(xué)模型。為方便分析，先對主電路的開關(guān)邏輯進行定義： 忽略功率器件的損耗，根據(jù)基爾霍夫電壓定律建立三相 VSR 的三相回路方程為： 現(xiàn)確定 ,和的關(guān)系：我們知道，在任何情況下，總有三個功率開關(guān)器件導(dǎo)通，即相對于三個橋臂的上下橋臂必用一個導(dǎo)通，不乏廣泛性，現(xiàn)在取一組開關(guān)組合狀態(tài)，且假定三相的電流方向： ,相電流從 ,點流出 相對變流橋 ，相電流點流進。此狀態(tài)簡化后的電路如圖 ： 圖 變流器簡化運算電路圖 根據(jù)圖 ，可以得到如下方程： 上式中的 ,以點位參考點。觀察主電路圖 的運行狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)，若不考慮交流側(cè)電流流出時的電壓極性，在圖 所示電流流向時，開關(guān)狀態(tài)共有兩種，換句 話說，對應(yīng)每種電流流向就會有相對應(yīng)的兩種開關(guān)組合。 為消除開關(guān)函數(shù)描述的 VSR 一般數(shù)學(xué)模型中的高頻分量，在開關(guān)函數(shù)模型中引入傅里葉變換： 當(dāng)開關(guān)頻率遠高于電網(wǎng)頻率時，可用規(guī)則采樣法代替自然采樣法 自然采樣法中 PWM 波形不對稱 ，此時在一個開關(guān)周期內(nèi)， PWM 開關(guān)函數(shù)波形圖 所示，波形是對稱的。 開關(guān)函數(shù)及占空比間的關(guān)系為： 根據(jù)上式求得傅里葉系數(shù)整理得： 式 27 和 214 215 關(guān)系表明： PWM 占空比實際上是一個開關(guān)周期上開關(guān)函數(shù)的平均值 顯然： 把式 216 、式 218 代入 式中為高頻分量，在設(shè)計中可以忽略。并聯(lián) APF 在系統(tǒng)中相當(dāng)于一個電流受控電流源，受負(fù)載諧波電流的控制。 圖 變阻抗原理 阻抗變換應(yīng)用于 APF 的濾波原理 圖 的單相等效電路如圖 所示，不考慮電壓源諧波的影響，負(fù)載可看作一個諧波電流源，同時 APF 可以看作一個受負(fù)載諧波源，控制的受控電流源。 小結(jié) 介紹 了有源濾波器的功能特點，詳細敘述了電力有源濾波器的數(shù)學(xué)模型，介紹分析電力有源濾波器和 PF 的混合結(jié)構(gòu)，從而選擇了一種滿足設(shè)計目的的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對其特點進行了分析。 3 并聯(lián)有源濾波器諧波算法及直流側(cè)電壓控制策略 有源電力濾波器系統(tǒng)由兩大部分組成 ,即指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路 由電流跟蹤控制電路 ,驅(qū)動電路和主電路三部分構(gòu)成 如圖 所示 。補償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號 ,產(chǎn)生實際的補償電流 ,補償電流與負(fù)載電流中要補償?shù)闹C波及無功等電流抵消 ,最終得到期望的電源電流。 圖 并聯(lián)有源濾波器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 諧波電流檢測法 諧波檢測的方法 [30] 諧波檢測的方法較多。但也有局限性： 1 需要信號是穩(wěn)態(tài)的； 2 沒有反映隨時間變化的頻率，當(dāng)需要在任 意頻率范圍產(chǎn)生頻譜信息時， FFT不一定適用； 3 FFT 需要一定時間的采樣值，計算量大，計算時間長，致使檢測時問長，實時性差； 4 即使信號是穩(wěn)態(tài)的，當(dāng)信號頻率和采樣頻率不一致時，也會產(chǎn)生頻譜泄漏效應(yīng)和柵欄效應(yīng)，致使計算的信號參數(shù) 頻率、幅值和相位 不準(zhǔn)確。 瞬時無功功率理論與廣義旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換：前者當(dāng)電網(wǎng)電壓對稱且無畸變時，實現(xiàn)基波正序無功分量、不對稱分量及高次諧波分量電路的檢測簡單、延時小、實時性好，用其實時測量諧波總量有優(yōu)勢，但不能檢測各次諧波。 小波變換是用 FFT 分析非穩(wěn)態(tài)信號的局限性時形成和發(fā)展的一種時頻分析工具， WT 中采用不同的尺度。 隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。 目前廣泛應(yīng)用的是諧波電流檢測法 ,本文使用此種方法進行諧波電流檢測。該理論突破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎(chǔ)的功率定義，系統(tǒng)地定義了瞬時無功功率、瞬時有功功率等瞬時功率量。本節(jié)將首先論述瞬時無功功率理論，然后介紹基于該理論的諧波和無功電流實時檢測方法。赤木泰文最初提出的理論亦稱理論，是以瞬時實功率和瞬時虛功率的定義為基礎(chǔ)，最主要的一點不足是未對有關(guān)的電流量進行定義。 設(shè)三相電路各相電壓和電流的瞬時值分別為 ,和 ,為分析問題方便，把它們?nèi)嘧儞Q到兩相正交的坐標(biāo)系上研究。 式中 : 在圖 所示的平面上，矢量， 和，分別可以合成為 旋轉(zhuǎn) 電壓 矢量和電流矢量： 式中， , 分別為矢量。、的幅角。分別為矢量在矢量及其法線上的投影。即 由圖 32 中各矢量的關(guān)系，可得瞬時有功功率定義為 : 瞬時無功功率定義為： 寫成矩陣形式即為： 瞬時有功功率及瞬時無功功率在坐標(biāo)軸上的投影即為，相的瞬時有功電流 , 及瞬時無功電流 , ，某一相的瞬時有功電 流和瞬時無功電流也可分別稱為該相瞬時電流的有功分量和無功分量。 三相電路各相的瞬時無功電流， 瞬時有功電流，是，兩相