三相有源滤波器的仿真研究综述Word文档格式.docx
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15
周
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摘要
随着电力电子技术的发展及电力电子装置的普遍应用，在电力系统中产生了大量的电力谐波，已引起世界各国的广泛关注。
有源电力滤波器（APF）作为一种治理电网谐波行之有效的方法，能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿效果不受电网阻抗的影响，因而成为谐波抑制的重要趋势。
论文首先介绍了并联型有源电力滤波器的基本结构和原理，进而研究了基于瞬时无功功率理论的三相电路谐波电压检测方法。
接着讨论了PWM变流器的控制方法以及直流侧电容电压的控制策略。
其次，本文对并联型有源电力滤波器一些参数的进行选择。
这些参数的选择很大程度上决定了APF的补偿性能。
在前几章的基础上，最后利用了Matlab/simulink对三相并联型有源电力滤波器进行了系统的建模与仿真。
关键词：
并联型有源电力滤波器；
谐波检测；
三角波控制；
直流侧电压控制；
ABSTRACT
Astherapiddevelopmentofpowerelectronicsandthecommonuseofthepowerelectronicdevices,therearemoreandmoreharmonicemergesinpowersystem.Allovertheworld,peoplebecomeconcerningaboutthepowerqualityissue.ActivePowerFilter（APF）,asoneeffectivemethodtocorrectthepowerharmonic,candynamicallytraceandcompensateanyharmonicwhichisvaryinginfrequencyandamplitude,whilenetworkimpedencehasnoeffectonthecompensationperformance.Therefore,APFbecomesanimportanttrendtorestrainpowerharmonic.
Firstly,thisarticleintroducesthebasicprincipleandstructureofshuntAPF,thenstudiesarealtimedetectingmethodofharmonicvoltageforthree-phasecircuitbasedontheinstantaneousreactivepowertheory.ThendiscussthecontrolschemeofthePWMconverterandtheDCsidevoltageisdiscussed.
Secondly,throughtheresearcheswhichhavebeencarriedoutforshuntactivepowerfilter,theselectionofthemaincircuitswitchingcomponentsarediscusseddetailedly.TheseparametershavegreatinfluencesonthesteadyanddynamiccompensationcharacteristicsofshuntAPF.
Basedontheformerchapters,chapter4completesthemodelingandsimulationofthethree-phaseshuntAPFusingMatlab/Simulink.
Keywords:
shuntAPF;
harmonicdetectmethod;
triangularwavecontrol;
DCsidevoltagecontrol;
第一章绪论
1.1选题目的及意义
随着科学技术与现代化建设的发展,电能在现代社会工业生产和日常生活中成为了不可缺少的重要能源之一。
目前,世界各国供电系统几乎都采用正弦供电方式,理想状况下,电网可近似为一个线性时不变系统；
但是随着电力电子技术的迅速发展,在现代化生产（特别是冶金、钢铁、化工）交通、楼宇自动化及日常家庭生活中广泛地应用各种电力电子装置,电力系统中的非线性负载比重不断增大,电流和电压波形产生周期性畸变。
高度非线性装置数量和额定容量的日趋增大,对电力系统地安全的、经济的运行造成极大的影响,人们对谐波污染的问题越来越重视。
因此研究如何有效的抑制谐波,改善电力系统安全性与经济性具有重要现实意义。
1.1.1电力系统谐波
谐波被定义为“谐波是一个周期电气量的正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍”。
最早在二十世纪二、三十年代电力系统的谐波污染就引起了人们的关注,四十年代中期才出现关于变流器谐波研究的经典文献。
到了七十年代,电力系统、工业、交通及家庭生活中广泛应用各种电力电子装置,电力电子设备产生的谐波造成的危害也日趋严重,全世界不少国家己制定了电力系统和用电设备有关谐波和波形畸变的标准。
通常在电力系统中波形的畸变主要来源于两大因素:
第一是接入电网的电阻、电容、电感元件的非线性特性,比如发电机、变压器等设备;
第二是大量使用的电力电子装置,变流器在提高电力装置的性能的同时也造成了波形的畸变。
日趋严重的谐波对电力系统的危害概括起来主要有以下几个方面:
1、当高频电流通过导体时,由于集肤效应的影响导体增加了对谐波电流的实际阻感负载,从而降低设备的效率和利用率,且设备过热,此外还加大了发电、输电、供电和用电设备的功率损耗；
2、对电力系统中继电保护和自动控制装置工作的可靠性产生影响。
电力系统中继电保护和自动装置大多以基波负序量为基础,谐波会引起发电机负序电流保护装置误动作、变电站主变复合电压过流保护装置的启动电压的负序分量的误行动、总线差动保护负序电压阻断装置故障,对电力系统的安全的危害性较大；
3、电力系统线路上的谐波电流大多为低频、奇次谐波分量,由于磁场耦合,在电力线路附近的线路中对通信系统造成不必要的干扰,影响通信线路的正常工作品质,更严重的情况还会对通信设备和相关人员的安全造成威胁；
4、谐波会使用电设备内的元件过热,影响用电设备的运行效果,例如电视机和计算机的图形出现畸变、画面亮度发生波动变化,计算机信息处理系统发生故障。
1.1.2谐波的治理策略
随着现代电力电子技术的迅猛发展,广泛应用电力电子元器件所产生的谐波对电网系统的污染不容忽视。
为了响应社会推动节能减排的号召,提倡建设生态环保、技术先进、经济高效的新型绿色电网模式,迫切需要对日益凸显的谐波污染问题进行有效的治理。
日前,在电力系统中抑制或减少谐波主要从以下两个方面进行:
1、主动型手段---谐波源装置的结构设计和增加辅助控制策略
目前电力系统中大量使用的可控和不可控整流器,针对此类整流器造成的谐波主要治理手段有以下几种:
（l）变压器结构设计
三相整流变压器多采用Y/d或D/y的结构,多用于消除3k次谐波；
（2）多相整流技术
对于大功率相控整流器大多采用多相整流的方法,这样整流装置注入电力系统的谐波电流成分可以明显减少；
（3）脉宽调制PWM（PulsewidthModulation）整流技术
通过改变周期或频率,使直流电压变换为等幅不等宽的交流输出电压；
但功率器件大多需要具有自关断功能,提高了成本,从而不适合大功率使用；
（4）功率因素校正器（PowerFactorCorrector，PFC）
目前市场上大多家电、个人计算机、办公电子设备中大量使用带电容滤波的二极管整流电路,这种电路输入电流中含有大量谐波成分,输出不可控电压；
在整流桥和滤波电容之间增加一级校正功率因数的功率变换电路,在预调整器的直流侧通过控制保证网侧电流为正弦电流并与电网电压同相。
2、被动型手段---添加滤波装置
主动型谐波治理手段虽然可以有效的限制谐波的产生,但不可能彻底消除谐波,目前谐波治理的有效手段是添加滤波装置。
传统方法是使用无源电力滤波器,利用感性负载的谐振特性,可以减小流入电网的谐波电流和完成无功补偿；
虽然结构简单、成本低、易维护,但结构原理上的缺点使得它很难满足现代电力系统的要求。
随着新型电子半导体器件的出现与脉宽调制技术的发展,人们开始致力于APF的研究。
APF与PPF特点比较如表l-l所示:
表1-1无源滤波器与有源滤波器的比较
无源滤波器
有源滤波器
工作原理
由LC等被动元件组成，将其设计为某频率下极低阻抗，对相应频率谐波电流进行分流，其行为模式为提供被动式谐波电流旁路通道
采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备，通过检测负载谐波电流，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波
谐波处理能力
只能滤除固定次数的谐波
能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿
频率变化的影响
谐振点偏移，效果降低
不受影响
系统阻抗变化的
影响
受系统阻抗影响严重，存在谐波放大和共振的危险
负载变化对谐波
补偿效果的影响
补偿效果随负载变化
而变化
负载增加的影响
可能因为超载而损坏
无损坏危险，谐波量大于补偿能力时，仅发生补偿效果不足而已
设备造价
较低
较高
应用场合
容量单套无限制
容量单套不超过100KVA
最高适用电网电压可达3000V
最高适用电网电压不超过450V
广泛用于电力、油田、钢铁、冶金、煤矿、石化、造船、汽车、新能源等行业
电信、医院等用电功率较小且谐波率较高的单位
1.2有源电力滤波器研究现状及发展趋势
1.2.1有源电力滤波器的国内外研究现状
近年来随着电力电子技术、控制技术和数字信号处理技术的发展,特别是GTO、IGBT等自关断器件的出现和高性能DPS芯片的应用,电力有源滤波器已经进入实用阶段,日本及欧美国家开始使用电力有源滤波器来补偿电网中的谐波以提高电能的质量。
二十世纪八十年代初日本成功研制并投入实际使用世界第一台APF以来,据日本电气学会对APF在日本应用情况的调查,在工业应用中,APF主要用于补偿谐波,其中只补偿谐波的占71.7%。
目前,世界上有源电力滤波器的主要研发和生产厂家有日本东芝公司、日本MitsubishiElectric公司、美国西屋电气公司、德国Siemens公司、瑞士ABB公司等,在投入运行的APF数目、功率范围、应用功能、系统安装容量等方面都有新的突破,APF的研究日趋受到关注。
此外,国际一些高校及学术机构也对有源滤波器进行了深入广泛的高水平研究。
我国对谐波问题的研究起步较晚,80年代末期才出现这方面的文献,以1988年吴竟昌等出版了我国有关谐波问题非常经典的著作《电力系统谐波》为代表；
此外国内高校如中南大学、湖南大学、西安交通大学等对有源电力滤波器也开展了深入的研究,并成功研发了许多实验样机；
同时我国市场最近也逐渐出现了一些企业自主研发的APF产品,例如:
上海宝钢安大电能质量有限公司研发生产的PQFA低压APF、上海追日电气有限公司生产的JCBL系列、ZRAF系列的、APF装置；
此外,国内部分公司代理国外APF产品,如上海伙伴技术咨询公司代理美国SquareD公司的Accusine、深圳市龙源电气有限公司代理AetiveSine、SineWave电网有源滤波补偿装置、深圳市科雷特电子有限公司代理诺基亚MaxSine型有源滤波器等。
1.2.2有源电力滤波器的发展趋势
随着现代社会对电能质量要求的日益提高,APF作为有效治理电网谐波的手段也得到了日益广泛的应用。
目前国内外对APF的研究主要集中在谐波电流检测方法、控制系统、主电路设计等几个方面。
虽然己经研制出一些样机与产品投入使用,但对电网电能质量进行补偿的效果还存在缺陷,APF的发展趋势体现在诸如以下几个方面：
1、应该更加深入研究新型的谐波电流检测方法和跟踪控制策略,提高算法的实时性与简洁性；
2、为了降低成木和提高效率,大多采用混合型APF系统来降低装置容量。
例如对于大功率滤波装置,可采用APF并联LC滤波器混合使用的APF系统来减小容量,降低成本,提高效率；
另外还可在供电系统的供电侧安装称为“统一电能质量调节器”,其功能强大、性价比高,是APF的发展新趋势之一；
3、提出新的APF拓扑结构,提高系统补偿性能,简化控制系统结构；
4、通过采用PWM调制和提高开关器件等效开关效率的多重化技术,对于容量小于2MVA的APF,通常采用IGBT及PWM技术进行谐波补偿；
对于容量大于5MVA的APF,通常采用GTO及多重化技术进行谐波补偿；
5、APF的多功能化,使之不仅可以补偿系统谐波,还可以补偿无功电流;
此外,通过在控制电路上采用先进的智能控制技术可抑制电压闪变以及电压不平衡等,使其具有综合补偿的功能;
6、补偿装置的控制系统趋向数字化。
采用高速数字信号处理器（DSP）可以实时计算谐波和无功,通过I/0接口和PWM接口直接发送开关控制信号,有效地解决了元件老化和温漂等因素带来的问题,提高了系统的抗干扰能力。
1.3本文所做的工作
本文主要以三相三线并联型有源电力滤波器为研究对象,针对其工作特性深入研究谐波检测方法和补偿电流控制方法,主要工作有:
1、介绍非线性负载和换流设备对电力系统的影响和谐波治理的研究现状,了解有源滤波器的现状与发展趋势,分析有源滤波器的工作原理及拓扑结构,重点研究了三相三线并联型有源电力滤波器；
2、介绍了常用的有源滤波器谐波电流检测方法和补偿电流控制方法,重点研究基于瞬时无功功率理论的ip-iq检测法,直流侧电容电压的控制方法以及有源电力滤波器的主电路结构与相关参数设计；
3、利用Matlab/simulink的软件平台进行物理模型的搭建,通过对系统进行仿真研究研究结果表明基于瞬时无功功率检测的APF系统实际检测出的补偿电流可快速准确地跟踪指令电流信号进行谐波补偿,且直流侧电压也可快速达到稳定值,补偿性能良好,系统的研究设计可行有效。
第二章并联型有源电力滤波器
有源电力滤波器（ActivePowerFilter,简写APF）是一种用于动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置，它能对频率和幅值都变化的谐波跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，可以有效的隔离系统与谐波源，补偿效果好，因而在国内外都受到了广泛的重视。
2.1有源电力滤波器
有源电力滤波器的基本原理是实时检测电网谐波，利用可控电力电子器件产生与之大小相等、相位相反的电流，注入电网，从而达到实时补偿谐波电流的目的。
谐波源一般为非线性负载，如整流器等，产生谐波电流Ib；
供电系统一般为保护的对象；
有源电力滤波器表现为流控电流源，它的作用是产生和谐波源谐波电流具有相同幅值而相位相反的补偿电流-Ib来达到消除谐波的目的。
为适应用户对补偿性能的要求以及不断出现的应用场合,其结构形式不断得到改进,具体的拓扑结构与分类如下:
1、按直流侧储能元件分类[1]
有源电力滤波器可分为电容储能型（或电压源型）有源电力滤波器和电感储能型（或电流源型）有源电力滤波器。
表2-1电压型APF与电流型APF主电路特点比较
电压型APF
电流型APF
直流侧
接有C，可是为电压源：
保持直流侧电压不变
接有L，可是为电流源：
保持直流侧电流不变
交流侧
输出电压为PWM波
输出电流为PWM波
应用场合
补偿非线性负载产生的谐波电流，其结构简单、性能稳定、但损耗较大不适合用于大功率场合
效率高，可任意并联扩容，易于单机小型化，成本低、技术较成熟完善，适用于电网级谐波补偿
图2-1三相电压型和电流型有源电力滤波器主电路
2、按主电路所使用的逆变器数量分类
根据主电路所使用的逆变器数量可分为单个主电路APF和多重化主电路APF。
多重化主电路APF可以提高有源电力滤波器的容量,降低单个器件的工作频率从而减小器件的开关损耗。
3、按电源相数分类
根据电源相数有源滤波器可分为单相、三相三线制、三相四线制等。
4、按接入电网的连接方式分类[1]
根据接入电网的连接方式不同,有源滤波器可分为并联型APF、串联型APF以及串并联混合型APF。
（l）单独使用
如图2-2所示为单独使用的串联型APF,这种结构的APF主要用于消除电源电压波形畸变。
图2-2单独使用的串联型APF
如图2-3所示为单独使用的并联型APF,主要用于补偿电网电流谐波和无功,是目前应用最广泛的一种拓扑结构。
图2-3单独使用的并联型APF
（2）根据接入电网的方式，有源电力滤波器还可以分为直接接入和通过无源滤波器间接接入电网两种方式。
图2-4所示为混合型滤波器，它是有源滤波器和无源滤波器的组合结构。
这种滤波器结构目前非常普遍，因为它并联的LC无源滤波器部分消除了大量的低次谐波，因而有源滤波器部分容量可以做到很小（负荷容量的5%左右），这样大大减少了有源滤波器的体积和成本。
它可以同时消除电压和电流谐波，而且成本相对来说较低，因而非常受欢迎。
但是这种结构的滤波器的缺点在于只能针对特定负荷进行补偿，负荷运行状况变化较大的时候补偿性能不好。
图2-4混合型有源滤波器的基本拓扑结构
（3）通用电能质量调节器
图2-5所示为串-并联新型有源电力滤波器，相关文献称之为统一电能质量调节器（UPQC）。
它综合了串联型和并联型两种结构，共同组成一个完整的用户电力装置来解决电能质量的综合问题。
其中，直流侧电容器或电感储能装置是串联型和并联型有源滤波器所公用的，串联有源电力滤波器起到补偿电压谐波、消除系统不平衡、调节电压波动或闪变、维持系统电压稳定性或阻尼振荡的作用。
并联变流器起到补偿电流谐波不平衡、补偿负荷的无功、调节变流器直流侧电压的作用。
因此这种统一电能质量调节器可以实现短时间不间断供电、蓄能、无功补偿、抑制谐波、消除电压波动及闪变、维持系统电压稳定等功能，被认为是最理想的有源滤波器的结构。
这种结构即可用于三相系统，又可以用于单相系统。
但是其主要缺陷在于成本较高（需要较多的开关器件）和控制复杂。
。
图2-5串-并联型有源电力滤波器的基本拓扑结构
2.2有源滤波器的工作原理
现代化工业中的各种换流设备、开关电源以及各种照明设施等都在工作时产生了大量的谐波电流,可视为谐波电流源,因此大多采用并联型APF作为补偿装置补偿谐波电流，并联型APF在工业应用上占主导地位,技术相当成熟;
此外,由于工业的三相三线制APF技术改进后即可用于民用的三相四线制情况,因此本文选用三相三线制并联型APF作为重点研究对象展开进一步的研究。
图2-6并联型有源滤波器原理框图
并联型有源电力滤波器基本原理框图如图2-6所示。
在指令电流检测运算电路中将负载电流中所含的高次谐波和基波无功电流检出,根据指令电流信号进行快速跟踪控制,利用主电路可关断电力电子器件的特性产生与负载电流中谐波分量大小相等、相位相反的电流与谐波抵消,使得网侧电流波形近乎正弦信号,从而保证电网的供电质量。
电网侧电流
由负载电流
和补偿电流
两部分组成,即
（2-1）
负载电流
包含基波电流
和谐波电流
基波电流
包含基波电流有功分量
和基波电流无功分量
则:
（2-2）
并联的APF跟踪负载电流中的谐波分量
及无功分量
产生补偿电流
与二者大小相等、方向相反的,从而有效抑制了线路中的谐波分量
及无功分
量
使得网侧电流为正弦波。
（2-3）
（2-4）
若输出的补偿电流
与谐波电流七大小相等极性相反,则网侧电流
中仅包含负载电流中的基波分量
则APF对谐波电流进行补偿抵消了其中的谐波,有效地抑制了谐波。
（2-5）
（2-6）
根据实际系统要求有源电力滤波器补偿目的不同,指令电流
与补偿后的
网侧电流
的关系如表2-2所示。
表2-2指令电流与补偿后电源电流的关系
补偿目的
ic*
is
补偿谐波
-iLh
iLf
补偿无功
-iLfq
iLfq+iLh
补偿谐波和无功
-（iLfq+iLh）
iLfq
2.3主电路结构及其相关参数设计
2.3.1主电路工作原理
本文所研究的有源滤波器为并联型,采用电压型主电路,其基本结构如图2-7所示,任一桥臂由一个IGBT和Diode反并联构成,由电流跟踪控制电路得到的PWM信号控制IGBT,并且IGBT的通断控制了与其反并联的Diode的通断。
图2-7有源滤波器主电路
任一桥臂中是IGBT通/断还是Diode通/断,这就取决于补偿电流的极性。
以A相为例,对V1，V2的通断控制情况如表2-3所示,B相、C相开关通断情况一样[4]。
表2-3A相开关通断逻辑表
ica
ica*
V1
V2
+
断
通
-
VDv2通
VDv1通
在主电路中,直流侧的电容电压与交流侧电源电压之差作用于电感上产生了补偿电流,由主电路中的V1-V6的通断情况来决定主电路的工作模式,且任一桥臂上下两组开关中的IGBT和Diode必有一个导通,开关系数Ka、Kb、Kc的值与主电路工作模式之间的关系如表2-4所示。
表2-4主电路工作模与开关系数Ka、Kb、Kc的值
工作模式
序号
开关系数
V1
V3
V5
V4
V6
K1
K2
K3
-2/3
1/3
2
-1/3
2/3
4
5
升级会员 