（電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)論文）基于滑?？刂频碾娏τ性礊V波器研究.pdf

基于滑?？刂频碾娏τ性礊V波器研究 a b s t r a c t a c t i v ep o w e rf i l t e ri sam e t h o do fh a r m o n i cs u p p r e s s i o na n dr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n f r o m8 0 t ho f2 1 s tc e n t u r y ，w i t hh i g hd e v e l o p m e n ti n p o w e re l e c t r o n i cd e v i c ea n di t sc o n t r o lt e c h n i q u e ，a c t i v ep o w e rf i l t e ri s b e c o m em o r ea n dm o r em a t u r e ，a n di th a s b e e np u ti n t op r a c t i c ef o ral o n g t i m ei nf o r e i g nc o u n t r i e s c o m p a r ew i t hp a s s i v ef i l t e r ，a c t i v ep o w e rf i l t e r i sm o r ec o n t r o l l a b l ea n dh a sq u i c kr e s p o n s ef e a t u r e s ，a n di tc a nf o l l o wa n d c o m p e n s a t ee v e r yo r d e rh a r m o n i c b e s i d e s ，i tc a ng e n e r a t ed e s i r e dr e a c t i v e p o w e ra u t o m a t i c a l l yw i t h o u ti n f l u e n c ef r o mm a i ns y s t e m a c t i v ep o w e r f i l t e rh a sn or i s ko fh a r m o n i ca m p l i f i c a t i o n a sa c t i v ep o w e rf i l t e ra r ep u t i n t op r a c t i c e ，i tw i l lb r i n gt r e m e n d o u se c o n o m i cb e n e f i ta n ds o c i a lb e n e f i t t oo u r c o u n t r y t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e dt h et h e o r yo fh o wa c t i v ep o w e rf i l t e r c o m p e n s a t eh a r m o n i ci np o w e rs y s t e m ，a n ds u m m a r i z e dt h ec l a s s i f i c a t i o n a n df e a t u r eo fa c t i v ep o w e rf i l t e r t h e nad e s c r i p t i o na b o u td e v e l o p m e n ti n a c t i v ep o w e rf i l t e rd o m e s t i ca n do v e r s e a sw a sg i v e na n dt h em e a n i n go f r e s e a r c hi na c t i v ep o w e rf i l t e rw a sa n a l y z e d t h i r d ，am o d e r nr e s e a r c h m e t h o do fa c t i v ep o w e rf i l t e rw a sp u tf o r w a r d ，a n dt h e niu s ei ta sr e s e a r c h m e t h o di nt h i sp a p e r a i m i n gt oa c t i v ep o w e rf i l t e r si nt h r e e - p h a s ef o u r - w i r es y s t e m ，t h e m a t h e m a t i cm o d e lo fs h u n tt h r e e - p h a s ef o u r - w i r es y s t e ma c t i v ep o w e r f i l t e ra r ep r e s e n t w i t ht h i sm a t h e m a t i cm o d e l ，ac o n t r o ls t r a t e g yb a s e do n s l i d i n gm o d ec o n t r o li sd e v e l o p e d a c c o r d i n gt ot h er e a c h i n gl a w ，i tc a n e l i m i n a t et h e c h a t t e r i n go fs l i d i n gm o d e c o n t r 0 1 i no r d e rt od e t e c t d e s i g n a t e do r d e rh a r m o n i cc u r r e n t ，u s i n gw a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r m t o d e t e c th a r m o n i cc u r r e n ti sr e s e a r c h e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sf r o m m a t l a bs h o wt h a t t h i sa c t i v ep o w e rf i l t e rh a sg o o dp e r f o r m a n c e0 n s u p p r e s s i n gt h eh a r m o n i ci np o w e rs y s t e m s t h ew o r kt h a tid i di nm yp a p e rh a sg o o dm e a n i n gf o ri m p r o v i n gt h e a c c u r a c ya n ds t a b i l i t yo fa c t i v ep o w e rf i l t e r ，a tt h es a m et i m ei t c a n i m p r o v ea p p l i c a t i o no fs l i d i n gm o d ec o n t r o li np o w e ri n d u s t r y k e yw o r d s ：s l i d i n gm o d ec o n t r o l ；a c t i v ep o w e rf i l t e r ；h a r m o n i c ； 肋v e l e tt r a n s f o r m i i 蘭州理工大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所 取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任 何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢 獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的 法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名：4 兜芻：孓日期咖幻年月日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即： 學(xué)校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許 論文被查閱和借閱。本人授權(quán)蘭州理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部 分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段 保存和匯編本學(xué)位論文。同時(shí)授權(quán)中國科學(xué)技術(shù)信息研究所將本學(xué)位論文 收錄到中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫，并通過網(wǎng)絡(luò)向社會(huì)公眾提供信息服 務(wù)。 作者簽名：瞄孚日期：力，少年f 月f日 導(dǎo)師簽名： 弓t 夕一乞 日期：沙，p 年6 月6 日 1 1 選題背景及意義 第1 章緒論 隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電力電子裝置在工業(yè)與民用各種領(lǐng) 域中得到了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也將大量的高次諧波注入電網(wǎng)。電網(wǎng)中諧 波的危害極大，它使電網(wǎng)電壓波形發(fā)生畸變從而使供電質(zhì)量下降，電力 系統(tǒng)的能量損耗增加，供用電設(shè)備壽命縮減，諧波還會(huì)對其它電子設(shè)備 造成電磁干擾。因此，電力系統(tǒng)諧波抑制及無功補(bǔ)償問題是一個(gè)急需解 決的問題。傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償方法是使用l c 無源濾波器( 由電力 電容器等無源器件構(gòu)成) 與需補(bǔ)償?shù)姆蔷€性負(fù)載并聯(lián)，從而為諧波提供一 個(gè)低阻通路，同時(shí)也提供負(fù)載所需要的無功功率。雖然無源濾波器具有 電路結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)是它只能抑制固定的幾次諧波， 并有可能在一定條件下對某次諧波會(huì)產(chǎn)生諧振而使諧波放大。 電力有源濾波器( a c t i v e p o w e rf i l t e r ，簡稱a p f ) 是諧波抑制與無功補(bǔ) 償?shù)南冗M(jìn)方法。2 0 世紀(jì)8 0 年代以后，隨著電力電子器件及其控制技術(shù)的 發(fā)展，a p f 技術(shù)的發(fā)展逐步走向成熟，在國外已得到廣泛應(yīng)用。與l c 無 源濾波器相比，a p f 具有高度可控制和快速響應(yīng)特性，并且能跟蹤補(bǔ)償 各次諧波、自動(dòng)產(chǎn)生所需的變化的無功功率，其特性不受系統(tǒng)影響，無 諧波放大危險(xiǎn)，相對體積重量較小等突出優(yōu)點(diǎn)，已成為電力諧波抑制和 無功補(bǔ)償?shù)闹匾侄?。a p f 的推廣應(yīng)用也必將給我國電力工業(yè)帶來巨大 的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 1 1 1 諧波的含義 “諧波 通常的含義為，基準(zhǔn)頻率整數(shù)倍的信號就稱之為諧波。在國 際電工標(biāo)準(zhǔn)( i e c 5 5 5 2 ) 與國際大電網(wǎng)會(huì)議c 腳的文獻(xiàn)中定義：“諧波分 量為周期量的傅立葉級數(shù)中大于1 的n 次分量 。i e e e 標(biāo)準(zhǔn)5 1 9 1 9 8 1 中定 義為：“諧波為一周期波或量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù) 倍 。 在電力系統(tǒng)中，正常的交流電壓和交流電流都是正弦波形，一般表 示為 “1 3 f ) ；勱s i n ( 甜+ 驢) ( 1 1 ) 當(dāng)正弦電壓加在非線性電路上時(shí)，電流就會(huì)變成非正弦波，非正弦 電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，從而使得電壓波形也會(huì)變?yōu)榉钦也?。?于滿足狄里赫利條件的非正弦電壓，可以分解為傅立葉級數(shù)： 基于滑?？刂频碾娏τ性礊V波器研究 h ( 甜) s a o + 羅( 口。c o s n t o t + 甌s i i l “) ( 1 2 ) 篇 式中 a o 。去r ?！? 耐矽( 耐) ( 1 3 ) 口。a 三r “( o x ) c o s b 刪似) ( 1 4 ) 饑一三產(chǎn)雎似) s i n 刀o x d ( o | ) ( 1 5 ) 在( 1 2 ) 式的傅立葉級數(shù)中，頻率為f 一歲乞一的為基波，頻率為基波 頻率的整數(shù)倍的分量稱為諧波，諧波頻率與基波頻率的比值稱為諧波次 數(shù)【1 】。 1 1 2 電力系統(tǒng)中諧波的產(chǎn)生 電網(wǎng)中的諧波主要是由大容量功率變換器以及其它非線性負(fù)載產(chǎn)生 的。其中主要的諧波源是電力電子裝置，如整流裝置、交流調(diào)壓裝置等。 而在電力電子裝置中，整流裝置所占的比例最大，而且?guī)缀醵际遣捎脦щ?容濾波的二極管不控整流或晶閘管相控整流，它們產(chǎn)生的諧波污染和消耗 的無功功率是非常明顯的：除整流裝置外，斬波和逆變裝置的應(yīng)用也很 多，而其輸入直流電源也來自整流裝置，所以其諧波問題也很嚴(yán)重。尤 其是由直流電壓源供電的斬波和逆變裝置，其直流電壓源大多是由二極 管不控整流后經(jīng)電容濾波得到的，這類裝置( 開關(guān)電源、電壓型變頻器、 不間斷電源等) 對電網(wǎng)的諧波污染也日益突出。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和日常生 活用電中，熒光燈、變流器、電弧爐燈都是典型的非線性負(fù)載。1 9 9 2 年 日本發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于諧波源的調(diào)查報(bào)告，發(fā)現(xiàn)諧波源為整流裝置的占 6 6 ，為辦公及家用電器( 實(shí)際也是整流裝置) 的占2 3 ，無諧波源的僅占 6 ，這3 項(xiàng)總和高達(dá)9 5 。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)諧波總量來自辦公及家用電器的 占4 1 ，來自交通和冶金的分別占1 7 和1 5 ，這3 者的諧波總量占了全 部諧波的近3 4 。 與此同時(shí)，諧波源都是要消耗無功功率的，所以電力電子裝置等非線 性負(fù)載也要消耗大量的無功功率，尤其是各種相控裝置，如相控整流器、 晶閘管等。雖然二極管不控整流器的基波電流相位與電網(wǎng)電壓相位幾乎 相同，基本不消耗基波無功功率，但是它產(chǎn)生大量的諧波電流，因此也會(huì) 消耗一定的諧波無功功率。無功功率對電網(wǎng)和負(fù)載的運(yùn)行十分重要，但是 如果這些無功功率都由電網(wǎng)提供并遠(yuǎn)距離傳送顯然不合理。它直接增大 了設(shè)備容量和功率損耗，既增大了環(huán)境污染及能源消耗，同時(shí)也嚴(yán)重影 2 碩士學(xué)位論文 響供電質(zhì)量，尤其是供電電壓的質(zhì)量。 近年來，隨著我國改革開放和經(jīng)濟(jì)技術(shù)的飛快發(fā)展，高新技術(shù)、尤 其是信息技術(shù)的飛速增長，我國電力負(fù)荷出現(xiàn)了一些新的特征。 ( 1 ) 用電負(fù)荷結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大變化，如晶閘管調(diào)壓變頻、半導(dǎo)體整流 器等電力電子裝置、電力機(jī)車、電弧爐和家用電器等負(fù)荷的迅速發(fā)展， 是最嚴(yán)重的諧波源。由于其非線性、不平衡及沖擊性的用電特性，使電 網(wǎng)的電壓波形發(fā)生畸變，或者引起電壓波動(dòng)和閃變以及三相不平衡，這 些對供電質(zhì)量造成嚴(yán)重的干擾亦即“污染一問題，使供電不可靠因素增 大，給用戶和供電企業(yè)都造成直接經(jīng)濟(jì)損失。 ( 2 ) 高新技術(shù)應(yīng)用的多種設(shè)備，例如敏感電子器件、電子計(jì)算機(jī)、核 磁共振設(shè)備、功調(diào)器、激光切割設(shè)備、配電衛(wèi)星傳送器、節(jié)能燈等，它 們大多是基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制設(shè)備和電子裝置，本身既是諧波 源，又對系統(tǒng)中的異常和干擾非常敏感。 ( 3 ) 家用電器，如調(diào)速風(fēng)扇、日光燈、空調(diào)、電視機(jī)、冰箱等增長 迅猛。 ( 4 ) 在開放、鼓勵(lì)競爭的電力市場運(yùn)行機(jī)制下，用戶也可以作為獨(dú)立 體來參加價(jià)格控制，這必然對電力質(zhì)量提出越來越高的要求。各種非線 性用電設(shè)備容量的增長率大大超過了電網(wǎng)發(fā)電設(shè)備容量的增長率，我國 電網(wǎng)也開始遭遇發(fā)達(dá)國家的電能質(zhì)量問題，這意味著諧波源將隨之增長， 電網(wǎng)電壓畸變率也將上升。經(jīng)驗(yàn)和預(yù)測表明，電能質(zhì)量的監(jiān)督和治理工 作具有長期性和艱巨性。 1 1 3 諧波對電力系統(tǒng)的危害 諧波的危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。 ( 1 ) 輸電線的損耗增加，縮短輸電線壽命。諧波電流在輸電線路上產(chǎn) 生諧波壓降的同時(shí)也增大了輸電線路上的電流有效值，從而引起附加的 輸電損耗。在電纜輸電的情況下，諧波電壓以正比于其幅值電壓的形式 增強(qiáng)了介質(zhì)的電場強(qiáng)度，這會(huì)影響電纜的使用壽命，據(jù)有關(guān)資料介紹， 諧波的影響會(huì)使電纜的使用壽命平均下降約6 0 。 ( 2 ) 電力電容器引起的諧波放大。電容器的容抗與頻率是反比的關(guān)系， 因此在諧波電壓作用下的容抗要比在基波電壓作用下的容抗小得多，從 而使諧波電流的波形畸變比諧波電壓的波形畸變大得多，即便電壓中諧 波電壓所占的比例不大，也會(huì)產(chǎn)生很大的諧波電流。尤其是在發(fā)生諧振 的情況下，很小的諧波電壓也會(huì)引起很大的諧波電流，導(dǎo)致電容器因過 流而損壞。 ( 3 ) 旋轉(zhuǎn)電機(jī)的損耗增加。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。由于集膚效應(yīng)和渦流的關(guān) 系，定子和轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)的這些附加損耗要比直流電阻引起的損耗大的多。 3 基于滑模控制的電力有源濾波器研究 另外，諧波電流還會(huì)增大電機(jī)的噪音和產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 ( 4 ) 變壓器的損耗增加。變壓器在高次諧波電壓的作用下，將產(chǎn)生鄰 近效應(yīng)和集膚效應(yīng)，在繞組中引起附加銅耗，同時(shí)也使鐵耗相應(yīng)增加。 另外，3 的整數(shù)倍零序電流會(huì)在三角形接法的繞組內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，這一額外 的環(huán)流有可能會(huì)使繞組電流超過額定值。對于帶不對稱負(fù)載的變壓器來 說，如果負(fù)載電流中含有直流分量，會(huì)引起變壓器的磁路飽和，從而會(huì) 使交流激磁電流的諧波分量大大增加。 ( 5 ) 引起繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置工作紊亂。諧波能夠改變保護(hù)繼電器的 動(dòng)作特性，這與繼電器的原理和設(shè)計(jì)特點(diǎn)有關(guān)。當(dāng)有諧波畸變時(shí)，依靠 過零工作或采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字繼電器容易產(chǎn)生誤差。諧波對距離、過電流、 欠電壓、周波等繼電器均會(huì)引起拒動(dòng)和誤動(dòng)的影響，保護(hù)裝置失靈和動(dòng) 作不穩(wěn)定。零序三次諧波電流過大，可能引起接地保護(hù)誤動(dòng)作。 ( 6 ) 造成電力測量的誤差。測量儀表是在純正弦波情況下進(jìn)行校驗(yàn)的， 如果供電的波形發(fā)生畸變，儀表則很容易產(chǎn)生誤差。比如，感應(yīng)式電能 表對設(shè)計(jì)參數(shù)以外的頻率的響應(yīng)不靈敏，頻率越高，誤差越大，而且為 負(fù)誤差，當(dāng)頻率約為1 0 0 0 h z 時(shí)，電度表將會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 ( 7 ) 干擾通訊系統(tǒng)。供電系統(tǒng)中的靜止變流器在換相期間電流波形發(fā) 生急劇變化，該換相電流會(huì)在正常供電電壓中注人一個(gè)脈沖電壓，該脈 沖電壓所包含的諧波頻率較高，甚至達(dá)到i m h z ，因而會(huì)引起電磁干擾， 對通信線路、通信設(shè)備會(huì)產(chǎn)生很大的影響。比如與架空線平行的通訊線 路、遠(yuǎn)動(dòng)裝置信號以及電力載波通信，諧波的影響都很大。 ( 8 ) 造成電弧熄滅延緩。在超高壓長距離輸電線路上，較大的諧波電 流會(huì)使?jié)摴╇娀∠缪泳?，?dǎo)致單相重合閘失敗，擴(kuò)大事故。在消弧線 圈接地系統(tǒng)中較大的諧波分量同樣會(huì)阻礙或延遲消弧線圈的滅弧作用。 諧波分量還會(huì)使電流過零時(shí)的d i d t 值過大，導(dǎo)致斷路器斷弧困難，影響 斷流能力。 1 1 4 目前對電力系統(tǒng)中諧波的治理方法 在對電力系統(tǒng)諧波的治理中主要分為受端治理、主動(dòng)治理和被動(dòng)治 理三個(gè)方面。 ( 1 ) 受端治理諧波也就是從受到諧波影響的設(shè)備或系統(tǒng)出發(fā)，提高這些 設(shè)備的抗諧波干擾能力。 ( 2 ) 主動(dòng)型諧波治理方法就是指在電力電子設(shè)備的設(shè)計(jì)制造的時(shí)候就 考慮諧波問題，從而使設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品本身就不產(chǎn)生諧波或者只產(chǎn)生很 少的諧波，并且功率因數(shù)為1 。 ( 3 ) 被動(dòng)型諧波治理，是指在諧波產(chǎn)生以后，采用專用的諧波抑制設(shè)備 去對諧波進(jìn)行治理。如本文中的電力有源濾波器。 1 、受端治理諧波的措施： 4 碩士學(xué)位論文 ( 1 ) 選擇合理的供電方式，將諧波源由高一級電壓的電網(wǎng)或較大容量 的供電點(diǎn)供電，可以減小諧波對系統(tǒng)和其他用電設(shè)備的影響，不過這必 須在電網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段予以考慮。 ( 2 ) 避免電容器對諧波的放大，改變電容器的串聯(lián)電抗器，或?qū)㈦娙?器組的某些支路改為濾波器，或限定電容器組的投入容量，可以有效地 減小電容器對諧波的放大并保證電容器組的安全運(yùn)行。 ( 3 ) 提高設(shè)備抗諧波干擾能力，改進(jìn)設(shè)備性能，使其在諧波環(huán)境中能 夠正常工作，不過這是有一定限度的，諧波較大時(shí)設(shè)備仍將受到嚴(yán)重影 響。 ( 4 ) 改善諧波保護(hù)性能，對諧波敏感設(shè)備采用靈敏的諧波保護(hù)裝置， 這將保證在諧波超標(biāo)情況下，設(shè)備不會(huì)損壞，但不能保障設(shè)備的正常工 作。 2 、主動(dòng)治理諧波的措施： ( 1 ) 增加變流裝置的脈沖數(shù)或相數(shù)，改造變流裝置或利用相互間有一 定移相角的換流變壓器，可有效的減小諧波含量，其中包括多脈整流和 準(zhǔn)多脈整流技術(shù)，不過裝置更加復(fù)雜。 ( 2 ) 改變諧波源的工作方式或配置，具有諧波互補(bǔ)性的裝置應(yīng)集中， 否則應(yīng)適當(dāng)分散或交替使用，適當(dāng)限制會(huì)大量產(chǎn)生諧波的工作方式。 ( 3 ) 采用多重化技術(shù)，將多個(gè)變流器聯(lián)合起來使用，用多重化技術(shù)將 多個(gè)方波疊加，以消除頻率較低的諧波，得到接近正弦波的階梯波，不 過裝置復(fù)雜，成本較高。 ( 4 ) 諧波疊加注入，利用3 的倍數(shù)次諧波和外部3 的倍數(shù)次諧波源，把 諧波電流加到產(chǎn)生的矩形波上，可用于降低給定的運(yùn)行點(diǎn)處的某些諧波。 缺點(diǎn)是必須保證使3 的倍數(shù)次諧波源與系統(tǒng)同步，且諧波發(fā)生器的功率消 耗常常高達(dá)整流器直流功率的1 0 。 ( 5 ) 采用p w m 技術(shù)，采用脈寬調(diào)制p w m 技術(shù)，使得變流器產(chǎn)生的諧波 頻率較高、幅值較小，波形接近正弦波，不過這只適用于自關(guān)斷器件構(gòu) 成的變流器。 ( 6 ) 設(shè)計(jì)或采用高功率因數(shù)變流器，比如采用四象限變流器等、矩陣 式變頻器，可以使變流器產(chǎn)生的諧波非常少，且功率因數(shù)可控制為1 。 3 、被動(dòng)治理諧波的措施： ( 1 ) 采用無源濾波器p p f ( p a s s i v ep o w e rf i l t e r ) ，在諧波源附近或公用電網(wǎng) 節(jié)點(diǎn)處裝設(shè)單調(diào)諧及高通濾波器，可以吸收諧波電流，同時(shí)還可以對無 功功率進(jìn)行補(bǔ)償，運(yùn)行維護(hù)也簡單。 ( 2 ) 采用有源濾波器彳即( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) ，在諧波源附近和公用電網(wǎng) 節(jié)點(diǎn)處裝設(shè)并聯(lián)型或串聯(lián)型a p f ，可以有效的起到隔離諧波的作用，并 聯(lián)型還可以進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，但裝置造價(jià)較高。 5 基于滑?？刂频碾娏τ性礊V波器研究 ( 3 ) 采用混合型有源濾波器h a p f ( h y b r i d a c t i v e p o w e r f i l t e r ) ，h a p f 兼具 p p f 成本低廉和a p f 性能優(yōu)越的優(yōu)點(diǎn)，屬于a p f 的分支和發(fā)展。h a p f 的 種類很多，大致可分為與p p f 的混合和與其他變流器的混合兩類。 在被動(dòng)治理諧波的措施中，p p f 本質(zhì)上是頻域處理方法，也就是將非 正弦周期電流分解成傅立葉級數(shù)，對某些諧波進(jìn)行吸收以達(dá)到治理的目 的。a p f 則是在時(shí)域中對非正弦周期電流進(jìn)行分解后，再進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾?流補(bǔ)償，從而改善系統(tǒng)的電流波形。目前在治理諧波的措施中，廣泛采 用p p f 。它利用電感、電容元件的組合諧振特性，在阻抗分流回路中形成 低阻抗支路，從而減小流向電網(wǎng)的諧波電流。p p f 成本低、技術(shù)成熟，還 可補(bǔ)償無功功率，但存在很多不足。 與傳統(tǒng)的p p f 一樣，a p f 也是給諧波電流或諧波電壓提供一個(gè)在諧振 頻率處等效導(dǎo)納為無窮大的并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)或等效阻抗為無窮大的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)， 但理論上一臺a p f 可以擁有無窮多個(gè)諧振頻率。與p p f 相比，a p f 具有以 下一些優(yōu)點(diǎn)： ( 1 ) 濾波性能不受系統(tǒng)阻抗的影響。 ( 2 ) 不會(huì)與系統(tǒng)阻抗發(fā)生并聯(lián)或串聯(lián)諧振，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化不會(huì)影響治 理效果。 ( 3 ) 原理上比用下更為優(yōu)越，用一臺裝置就能完成各次諧波的治理。 ( 4 ) 可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)治理，能夠迅速響應(yīng)諧波的大小和頻率發(fā)生的變化。 ( 5 ) 由于裝置本身可以完成輸出限制，所以即使諧波含量增大也不會(huì)過 載。 ( 6 ) 具備多種補(bǔ)償功能，可以同時(shí)對諧波和無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。 ( 7 ) 諧波補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)頻率變化的影響。 ( 8 ) 可以對多個(gè)諧波源進(jìn)行集中治理。 在今天的電力電子器件的制造水平下，單獨(dú)采用a p f 實(shí)現(xiàn)高壓大功 率的諧波補(bǔ)償較為困難，而且成本也極其昂貴，因而，采用h a p f 將a p f 和 p p f 結(jié)合起來，取兩者之長，避免它們的短處，是當(dāng)前中、高電壓大功率 a p f 推廣應(yīng)用的必然途徑。 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 2 1 國外電力有源濾波器的研究進(jìn)展 有源電力濾波器的原始模型是在1 9 7 1 年由日本的s a s a k i 和m a c h i d a 首 先完整地描述的，但由于當(dāng)時(shí)是采用線性放大器來產(chǎn)生補(bǔ)償電流，效率 非常低，并無實(shí)用價(jià)值。1 9 7 6 年，美國的g y u g y i 和s t r y c u l a 提出了用p w m 逆 變器構(gòu)成的有源電力濾波器，討論了有源電力濾波器的實(shí)現(xiàn)方法和相應(yīng) 的控制原理f 2 1 。從理論上講，它是一種理想的諧波電流發(fā)生器，確立了當(dāng) 今有源電力濾波器的基本結(jié)構(gòu)。然而在7 0 年代，電力電子器件的制造水 6 碩士學(xué)位論文 平還相當(dāng)落后，缺少大功率快速可關(guān)斷器件，對有源電力濾波器的研究 幾乎沒有超出實(shí)驗(yàn)室的范圍。八十年代以后，大功率晶體管( 6 t n ) 、大功 率門極可關(guān)斷晶閘管( c t o ) 、靜電感應(yīng)晶體管( s i r ) 、絕緣柵雙極型晶體管 ( i g o r ) 和m o s 控制晶體管( m c t ) 等新型快速器件不斷涌現(xiàn)，才為有源電力 補(bǔ)償技術(shù)的理論研究和實(shí)用裝置研制創(chuàng)造了條件。1 9 8 2 年，世界上第一 臺容量為8 0 0 k v a ，采用g t o 為開關(guān)元件的電流源逆變器構(gòu)成的并聯(lián)型有 源線路調(diào)節(jié)器( a c t i v ep o w e r l i n ec o n d i t i o n e r ) 投入運(yùn)行，用于高次諧波的抑制 ( 3 1 。1 9 8 3 年，日本的日么k a g i 等人提出了瞬時(shí)無功功率理論p q t h e o r y 4 - 5 1 ， 較好地解決了三相系統(tǒng)畸變電流的瞬時(shí)檢測問題。該理論的出現(xiàn)，表明 實(shí)現(xiàn)有源電力濾波器補(bǔ)償功能的條件己經(jīng)基本具備，因此此后有源電力 補(bǔ)償技術(shù)的實(shí)用化研究得到了極大的發(fā)展。后來，h 彳婦等人采用該理 論又研制出功率電路由2 4 個(gè)功率晶體管構(gòu)成開關(guān)元件的四重電壓型逆變 器組成，容量為7 k v a 的有源電力濾波器 6 1 ，用于抑制2 0 k v a 的三相整流負(fù) 載所產(chǎn)生的高次諧波。實(shí)驗(yàn)表明，在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)情況下，諧波電流都得 到了完全抑制，總有效率達(dá)到9 6 以上。這證明了瞬時(shí)無功功率理論與有 源電力濾波器的可行性和實(shí)用性。1 9 8 6 年，日本的k k 俐口坫昭f 和t m u r a 研 制出一套用于三相整流器補(bǔ)償?shù)? 5 k v a 的兩重型諧波電流補(bǔ)償器，可以補(bǔ) 償1 9 次以下的高次諧波，使電流總的諧波畸變率由補(bǔ)償前的2 4 9 降低 到1 8 ，效果十分顯著1 7 1 。1 9 9 1 年，南非e n s l i n 和v j 礦y k 等人將三相t c r 和 三相動(dòng)態(tài)有源電力濾波器( d p f ) 結(jié)合在一個(gè)裝置內(nèi)，研制出容量為 1 0 0 k v a 的綜合有源補(bǔ)償系統(tǒng) s - g l 。目前，國外競相開展有源濾波器的研 究，并已得到廣泛應(yīng)用 1 0 - 1 1 1 。進(jìn)入2 1 世紀(jì)，各種新型電力電子器件的投 入，還有新控制算法的加入，使電力有源濾波器的補(bǔ)償能力大為提高， 而且控制精度也大為提升。文獻(xiàn)【12 】提出了一種采用滑?？刂扑惴ǖ娜?四線制的電力有源濾波器，它可以可靠的補(bǔ)償諧波相電流、中性線上的 諧波電流和負(fù)載上的不平衡電流。并且對自身的直流側(cè)的電壓進(jìn)行了很 好的控制。為了控制電力有源濾波器，滑模的切換函數(shù)是基于由0 的坐標(biāo) 系下建立的。整個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)用李雅普諾夫的穩(wěn)定理論證明為是穩(wěn)定的。 文獻(xiàn)【1 3 】設(shè)計(jì)了一種基于離散滑模控制的三相電力有源濾波器。濾波器的 控制算法是在d s p t m s 3 2 0 c 5 0 上實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)用離散滑模控制算法相對以前 的控制算法，在主電流控制參數(shù)的選取上變得更加容易，包括不平衡電 流、諧波電流等。文獻(xiàn)f 14 1 提出了一種基于滑?？刂扑惴ǖ碾娏髟措娏τ?源濾波器，并且對控制延遲對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響也提出了一種簡單的補(bǔ)償 方法。文獻(xiàn)【1 5 】設(shè)計(jì)了一種基于滑?？刂扑惴ǖ膯蜗嚯娏τ性礊V波器。并 且在實(shí)驗(yàn)室對其進(jìn)行了試驗(yàn)測試，對實(shí)驗(yàn)室限制不能測試的部分用 m a t l a b 進(jìn)行了仿真測試。測試表明可以可靠的補(bǔ)償諧波相電流。文獻(xiàn)【16 】 對用d s p 來實(shí)現(xiàn)的電力有源濾波器的控制策略進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)中對空間 7 基于滑模控制的電力有源濾波器研究 矢量控制、滑?？刂啤㈩A(yù)測控制、最少拍控制等幾種控制算法在d s p 組成 的系統(tǒng)中進(jìn)行了系統(tǒng)的測試，并且對各個(gè)算法的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)進(jìn)行了評價(jià)。 文獻(xiàn)【17 】設(shè)計(jì)了一種同時(shí)補(bǔ)償諧波電流、無功功率和三相四線制中由于不 平衡負(fù)載產(chǎn)生的中性線上的電流的電力有源濾波器?？刂扑惴ú捎没?控制算法，并且對直流側(cè)的電壓進(jìn)行了很好的控制。文獻(xiàn)【18 】中的電力有 源濾波器同時(shí)用到了2 種控制算法，滑模控制算法和傳統(tǒng)的控制算法。 滑?？刂扑惴ㄍㄟ^外部直流側(cè)電壓控制環(huán)使直流側(cè)電容的電壓穩(wěn)定，傳 統(tǒng)的丹控制算法通過內(nèi)部的電流內(nèi)環(huán)控制來抑制諧波電流。兩種算法互 相補(bǔ)充，互相配合，從而使電力有源濾波器有很好的諧波抑制效果。文 獻(xiàn)f1 9 1 中設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用d q 平面理論的積分滑?？刂扑惴刂频娜?電力有源濾波器。已經(jīng)應(yīng)用在了l k w ，2 0 8 v 三相整流器上，對諧波有很好 的抑制。文獻(xiàn)f 2 0 1 提出了一種新型的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和滑?？刂频娜嚯娏?有源濾波器。自適應(yīng)線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用來檢測諧波電流和參考信號的預(yù)測。 滑?？刂扑惴ㄓ脕肀３謱⒖夹盘柕膶?shí)時(shí)追蹤，并且對p w m 電路提供控 制信號。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，同以前的電力有源濾波器相比，在電源波形的 改善上有很大的改進(jìn)，而且也使功率因數(shù)有了很大的提高。文獻(xiàn)【2 1 】設(shè)計(jì) 了一種自動(dòng)調(diào)諧的魯棒有源電力濾波器，用模糊控制器來調(diào)節(jié)控制， 從而有更好的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)。文獻(xiàn)【2 2 】設(shè)計(jì)了一種并聯(lián)操作無源濾波器和有源 濾波器來抑制諧波。文獻(xiàn)【2 3 】設(shè)計(jì)了用來抑制非線性負(fù)載造成的諧波的濾 波器。現(xiàn)在又出現(xiàn)了很多在專用場合用的有源電力濾波器，如文獻(xiàn)【2 4 】 中的在鐵路電力系統(tǒng)中的單相混合有源電力濾波器，文獻(xiàn)【2 5 】中對在電力 配送系統(tǒng)中功率因素校正用的電容器和電感串聯(lián)諧振導(dǎo)致的諧波設(shè)計(jì)了 專用的電力濾波器。在美國日本等電力電子技術(shù)發(fā)達(dá)的國家，有源電力 濾波器己進(jìn)入推廣應(yīng)用階段 2 6 1 ，容量從數(shù)百千伏安到數(shù)兆伏安，其功能 不僅用作補(bǔ)償諧波和諧波隔離以至配電系統(tǒng)的諧波抑制，隨著容量的提 高，其功能更擴(kuò)展至用戶電能質(zhì)量的綜合治理。僅日本從19 8 3 年至1 9 9 5 年底己有4 5 5 套有源濾波器己成功運(yùn)行在工業(yè)應(yīng)用多個(gè)方面 2 7 - 2 s 1 。 1 2 2 我國的電力有源濾波器的研究進(jìn)展 我國對有源電力濾波器的研究起步比較晚，直到1 9 8 9 年才有這方面 的研究文章t 2 9 1 ，大多數(shù)研究仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段，1 9 9 1 年，北方交通大 學(xué)研制出3 k v a 的無功及諧波動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置1 3 0 l ，同年底，冶金自動(dòng)化研究 院和華北電力科學(xué)研究院、北京供電局聯(lián)合開發(fā)研制的3 3 k v a 雙極面結(jié)型 晶體管電壓型有源電力濾波器在北京木材廠中心變電站投入試運(yùn)行，用 來就地清除換流設(shè)備所產(chǎn)生的高次諧波電流注入電網(wǎng)所造成的污染和能 耗1 3 1 1 。此外，西安交通大學(xué)、華北電電力大學(xué)、清華大學(xué)、重慶大學(xué)、 浙江大學(xué)、華南理工大學(xué)等高校和研究機(jī)構(gòu)，對有源電力濾波技術(shù)上進(jìn) 行了深入的理論和試驗(yàn)研究 3 2 - 3 4 1 ，有些工業(yè)現(xiàn)場也已經(jīng)安裝了有源電力濾 8 碩士學(xué)位論文 波器運(yùn)行，如貴州天生橋到廣州北郊的5 0 0 千伏高壓直流輸電線路就投 入了有源直流濾波器來抑制直流側(cè)諧波的影響。在最近這1 0 幾年中，我 國的電力有源濾波器有了很大的進(jìn)步。文獻(xiàn)【3 5 】提出了一種基于d s p 的 電力有源濾波器設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)分析了這種控制系統(tǒng)以及模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換 電路，并給出了該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。文獻(xiàn)f 3 6 1 研究了滑模變結(jié)構(gòu)控制在 有源電力濾波器的控制中的應(yīng)用，并且對滑模中的抖振問題提出了解決 的辦法，最后仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)相比傳統(tǒng)的控制具有更好的魯棒性，暫態(tài) 過程超調(diào)量和響應(yīng)時(shí)間均很小，實(shí)時(shí)性好，這樣就提高了補(bǔ)償精度，效 果更好。文獻(xiàn)【3 7 】針對滑模變結(jié)構(gòu)控制方法在有源電力濾波器中的應(yīng)用 問題，提出了基于d s p 的有源電力濾波器的諧波和無功電流實(shí)時(shí)檢測方 法，建立了三相三線有源電力濾波器電流控制回路數(shù)學(xué)模型，提出了滑 模變結(jié)構(gòu)控制方法，對該控制策略下三相三線有源電力濾波器的控制性 能進(jìn)行了分析，該方法跟蹤的快速性好，系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，具有良好的 糾偏能力。文獻(xiàn)【3 8 】設(shè)計(jì)了一種基于滑?？刂频幕旌闲碗娏V波裝置， 混合型濾波裝置一方面改善了無源濾波器的性能，另一方面可大大減小 有源濾波器的功率，從而降低了整個(gè)裝置的成本。而基于離散化滑?？?制的控制方法，實(shí)施簡單，保證了整個(gè)濾波器的濾波性能。文獻(xiàn)【3 9 】從保 護(hù)電力電子器件的角度對一種使用i g b t 的電力有源濾波電路進(jìn)行了仿真 研究。文獻(xiàn)f 4 0 】結(jié)合灰色系統(tǒng)理論和變結(jié)構(gòu)控制理論，設(shè)計(jì)了一種新型三 相有源電力濾波器的灰色變結(jié)構(gòu)控制器。此控制器是在傳統(tǒng)v s c 的滑模面 附近增設(shè)邊界層，同時(shí)將飽和函數(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)變結(jié)構(gòu)中符號函數(shù)，再通過灰 色預(yù)測下一狀態(tài)值來調(diào)整滑?？刂圃鲆娲笮。行У販p弱了傳統(tǒng)變結(jié)構(gòu)控 制的“抖動(dòng)現(xiàn)象。仿真結(jié)果表明：在g v s c 控制下的彳即具有更好的補(bǔ) 償效果，且直流電容電壓更穩(wěn)定。 1 3 本文的主要研究內(nèi)容 本文圍繞“基于滑?？刂频碾娏τ性礊V波器研究 課題，系統(tǒng)地學(xué) 習(xí)了變流技術(shù)、滑模變結(jié)構(gòu)控制、諧波抑制等方面的知識，大量的參閱 了目前電力有源濾波器研究領(lǐng)域的各種先進(jìn)設(shè)計(jì)與控制方法的學(xué)術(shù)論 著，認(rèn)真的分析了各種設(shè)計(jì)理論的可行性和實(shí)用性，并在此扎實(shí)的理論 學(xué)術(shù)指導(dǎo)下提出了了一種電力有源濾波器的設(shè)計(jì)方法一基于滑?？刂频?電力有源濾波器。該方法將先進(jìn)的滑模變結(jié)構(gòu)控制算法引入到了電力有 源濾波器的控制中，實(shí)現(xiàn)了電力有源濾波器更加精確、更加可靠的抑制 諧波的目的。主要做了以下幾個(gè)方面的工作： 1 在對電力有源濾波器的電路結(jié)構(gòu)的分析基礎(chǔ)上，對三相四線制電 力有源濾波器的工作原理和電路結(jié)構(gòu)作了分析，并且給出了數(shù)學(xué)模型。 2 通過對多種電力有源濾波器的控制方法分析后，針對三相四線制 9 基于滑?？刂频碾娏τ性礊V波器研究 電力有源濾波器的非線性數(shù)學(xué)模型，選取滑模變結(jié)構(gòu)控制方法來控制三 相四線制電力有源濾波器，從而可以更加精確的控制三相四線制電力有 源濾波器，使其更加精確和快速的補(bǔ)償諧波。 3 為了精確的對某個(gè)高次諧波進(jìn)行補(bǔ)償，選取了小波包檢測算法， 可以檢測特定次數(shù)的諧波電流，從而可以對特定次數(shù)的諧波進(jìn)行補(bǔ)償， 滿足了要求。 1 4 論文結(jié)構(gòu) 本文的結(jié)構(gòu)如下： 第一章概要的介紹了本文的研究目的、現(xiàn)狀、意義、內(nèi)容。 第二章對電力有源濾波器的工作原理、分類及控制技術(shù)做了闡述， 并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)論述了電力有源濾波器的主電路的數(shù)學(xué)建模。 第三章對諧波電流檢測的各種方法做了闡述，深入分析了瞬時(shí)無功 理論和小波包變換檢測電流諧波的方法，并給出仿真結(jié)果。 第四章對滑模變結(jié)構(gòu)控制的基本思想作了必要的論述，對其控制的 特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)做了論述，并且對電力有源濾波器的直流側(cè)電壓控制做了深 入分析。 第五章針對電力有源濾波器的特點(diǎn)，研究滑模變結(jié)構(gòu)控制在電力有 源濾波器控制中的應(yīng)用，并給出了仿真結(jié)果。 總結(jié)了論文所作的工作，提出進(jìn)一步需要解決的問題。 1 0 碩十學(xué)位論文 第2 章電力有源濾波器的工作原理與主電路數(shù)學(xué)建模 2 1 電力有源濾波器抑制諧波的工作原理 有源電力濾波器是當(dāng)今諧波抑制的一個(gè)重要趨勢，其基本原理是從補(bǔ) 償對象中檢測出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等 而極性相反的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，從而使電網(wǎng)電流只含基波成分。最基 本的并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成的原理圖如圖2 1 所示。圖中，g 。表 示交流電壓，負(fù)載為非線性負(fù)載，它產(chǎn)生諧波并消耗無功功率。有源電 力濾波器系統(tǒng)由兩大部分組成，即檢測電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。其中， 檢測電路的核心是檢測出補(bǔ)償對象電流中的諧波和無功等電流分量。補(bǔ) 償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)檢測電路得出的補(bǔ)償電流的指令信號，發(fā) 出對應(yīng)的補(bǔ)償電流。補(bǔ)償電流發(fā)生電路的主電路，在產(chǎn)生補(bǔ)償電流時(shí)， 主要作為逆變器工作，在電網(wǎng)向有源電力濾波器直流側(cè)儲能元件充電時(shí)， 它就作為整流器工作。所以一般稱為變流器。 圖2 1 有源濾波器的工作原理圖 有源濾波器的基本工作原理是，采用電流互感器及電壓互感器得到負(fù) 載端的電流、電壓信號，然后送入檢測電路，檢測電路計(jì)算得出補(bǔ)償電 流的指令信號，指令信號送到主電路的控制電路中，經(jīng)過控制電路產(chǎn)生 p w m 驅(qū)動(dòng)信號，驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制電路產(chǎn)生的控制信號控制對應(yīng)的電力 電子器件的通斷，從而產(chǎn)生所需的補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中要 補(bǔ)償?shù)闹C波及無功電流抵消，最終得到期望的電源電流。 例如在圖2 1 中f 為電源端電流，屯、0 為負(fù)載端電流，e ，為電源 電壓，由電流互感器得到a 、b 、c 三相負(fù)載端電流屯、k 、k 以及中性線 上的電流，送入到檢測電路中，得到指令信號匕、玩、e ，然后送 1 1 基于滑?？刂频碾娏τ性礊V波器研究 入到滑?？刂齐娐分校刂齐娐犯鶕?jù)指令信號給出主電路中電力電子開 關(guān)器件的開關(guān)信號兄、咒、足、，主電路的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)開關(guān)信號控 制對應(yīng)的開關(guān)器件的通斷，從而產(chǎn)生所需要的補(bǔ)償電流，與電力系統(tǒng)中 的諧波電流抵消掉，最后使得電源端的電流為正常的正弦電流也就是負(fù) 載的基波電流f ，。 如果需要對無功做補(bǔ)償，只需要在指令信號中加入負(fù)載基波電流中的 無功部分的反向信號就可以了，主電路就會(huì)產(chǎn)生相反的無功功率，從而 對負(fù)載消耗的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。上述的過程可以用下公式表示。 t 。t + t( 2 1 ) i l ；0 + i z i i( 2 2 ) t - - i 聃 ( 2 3 ) ；+ f 。；0( 2 4 ) 其中：f 。電源端電流 負(fù)載端電流 0 負(fù)載端基波電流 屯負(fù)載端諧波電流 t 濾波器輸出電流 在實(shí)際的工程中，很多諧波源的容量都比較大，而對有些辦公及民用 建筑所產(chǎn)生的諧波只能采取集中補(bǔ)償?shù)姆椒?，容量也很大，這就會(huì)使得 相應(yīng)的諧波補(bǔ)償裝置的容量過于大，導(dǎo)致成本偏高。雖然隨著科學(xué)技術(shù) 的進(jìn)步，電力電子器件的容量已經(jīng)變得越來越大，但有時(shí)還是不能滿足 太大容量有源濾波器的要求?？梢詫㈦娏﹄娮悠骷⒙?lián)或串聯(lián)來增大裝 置的容量，但這樣的難度比較大，而且對單個(gè)器件的容量也很浪費(fèi)，無 法充分發(fā)揮單個(gè)器件的容量。第二種解決的方法是多重化的主電路形式。 多重化主電路，最基本的特點(diǎn)是可以較容易實(shí)現(xiàn)大容量，除此之外，也 可以提高有源濾波器的等效開關(guān)頻率，從而改善補(bǔ)償電流的跟隨性能。 而且由于等效開關(guān)頻率提高，可以降低單個(gè)器件的工作頻率，而這既可 以降低對器件工作頻率的要求，又可以減小器件的開關(guān)損耗 多重化主電路形式一般有： 1 串聯(lián)電抗器多重化方式。 2 采用平衡電抗器的多重化方式。 3 使用變壓器的串聯(lián)多重化方式。 1 2 圖2 2 串聯(lián)電抗器多重化方式 電抗器 變流器1 妄 變流器2 ； 圖2 4 采用變壓器的多重化方式 2 2 電力有源濾波器的分類 圖2 3 平衡電抗器的多重化方式 有源濾波器的分類有很多種，如圖2 5 所示比較通用的為按照接入方 式來分類，按照補(bǔ)償?shù)南鄶?shù)分類，按照濾波器主電路的結(jié)構(gòu)分類等方法。 2 5 濾波器的分類 1 3 基于滑?？刂频碾娏τ性礊V波器研究 2 2 1 按照接入方式來分類 有源濾波器按照接入方式分類分為并聯(lián)型有源濾波器、串聯(lián)型有源濾 波器和統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器。 并聯(lián)型電力有源濾波器如圖2 6 所示，是指整個(gè)濾波器直接并聯(lián)接入 電網(wǎng)。濾波器與電網(wǎng)負(fù)載是并聯(lián)關(guān)系，負(fù)載為非線性負(fù)載。電力有源濾 波器在產(chǎn)生補(bǔ)償電流的同時(shí)，由于自身的開關(guān)器件在不停的通斷，所以 同時(shí)自身也會(huì)產(chǎn)生開關(guān)頻率附近的諧波，如果需要濾除有源電力濾波器 自身產(chǎn)生的諧波，可以在濾波器上并聯(lián)一個(gè)小容量一階高通濾波器( 或 采用二階高通濾波器) 。 單獨(dú)使用的并聯(lián)有源濾波器是最簡便也是最基本的的方式，可以和別 的裝置靈活搭配應(yīng)用。不僅可以補(bǔ)償諧波，同時(shí)也可以補(bǔ)償無功功率。 缺點(diǎn)是當(dāng)所需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流較大時(shí)會(huì)要求濾波器的容量變的很大， 造成成本的上升。將其與l c 濾波器混合使用后可以解決其容量大、成本 高的缺點(diǎn)。 圖2 8 和圖2 9 是混合型有源電力濾波器h a p f ，是為了解決有源濾波 器需要容量過大的問題1 4 1 - 4 2 1 。其中圖2 8 是有源電力濾波器和l c 無源濾波 器并聯(lián)以后再接入電力系統(tǒng)，圖2 9 是有源電力濾波器和l c 無源濾波器 串聯(lián)后接入電力系統(tǒng)。主要的補(bǔ)償任務(wù)是由l c 無源電力濾波器來承擔(dān)， 而有源濾波器只需要補(bǔ)償那些經(jīng)常變動(dòng)的諧波。由于l c 濾波器與有源濾 波器相比，+ 其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)且成本較低，而有源濾波器的 優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)償性能好。兩者結(jié)合同時(shí)使用，即可克服有源濾波器容量大、 成本高的缺點(diǎn)，又可以使整體系統(tǒng)獲得良好的性能。 l i 圖2 6 單獨(dú)使用并聯(lián)型電力有源濾波器圖2 7 單獨(dú)使用的串聯(lián)型電力有源濾波器 圖2 8 h a p f圖2 9a p f 與無源濾波器串聯(lián)后并聯(lián)接入電網(wǎng) 1 4 碩i ：學(xué)位論文 串聯(lián)型電力有源濾波器如圖2 7 所示，是指整個(gè)濾波器通過變壓器串 接在負(fù)載和電源之間。負(fù)載為產(chǎn)生諧波的諧波源。 串聯(lián)型電力有源濾波器與并聯(lián)型電力有源濾波器不同，主要用于補(bǔ) 償可看作電壓源的諧波源。針對這種諧波源，串聯(lián)型電力有源濾波器輸 出補(bǔ)償電壓，抵消由負(fù)載產(chǎn)生的諧波電壓，使供電點(diǎn)電壓波形成為正弦 波。串聯(lián)型與并聯(lián)型可看作是對偶關(guān)系。 圖2 10 為串聯(lián)型電力有源濾波器與l c 無源濾波器混合使用的方式。 這種方式是在并聯(lián)的負(fù)載和濾波器與電源之間串入電力有源濾波器，諧 波基本上由l c 濾波器補(bǔ)償，而電力有源濾波器中濾波器的作用是改善 濾波器的濾波特性?？蓪㈦娏τ性礊V波器看作一個(gè)可變阻抗，它對基波 的阻抗為零，對諧波卻呈現(xiàn)高阻抗，阻止諧波的電流流入電網(wǎng)，而迫使 諧波電流流入濾波器，電力有源濾波器起到了諧波隔離器的作用。這樣 還可抑制電網(wǎng)阻抗對濾波器的影響，以及抑制電網(wǎng)與濾波器之間可能發(fā) 生的諧振，從而極大地改善濾波器的性能。 l 一一i 圖2 1 0 與無源l c 濾波器混合使用的串聯(lián)a p f 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器是由一個(gè)串聯(lián)有源濾波器和一個(gè)并聯(lián)有源濾波 器組成的。如圖2 1 1 所示。 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器 圖2 1 1 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器 1 5 基于滑模控制的電力有源濾波器研究 濾除諧波的任務(wù)主要還是由并聯(lián)電力有源濾波器承擔(dān)，串聯(lián)濾波器 主要是在電網(wǎng)和公共節(jié)點(diǎn)之間起到諧波隔離的作用。兩個(gè)濾波器公用同 一個(gè)儲能元件，公用的儲能元件是由并聯(lián)電力濾波器來對其進(jìn)行電壓調(diào) 整。 2 2 2 按照補(bǔ)償?shù)南鄶?shù)分類 按照所需要補(bǔ)償?shù)南鄶?shù)來分類，可以分為單相有源濾波