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摘要 a b s t r a c t h a r m o n i cp o l l u t i o ni sa ni n c r e a s i n gp r o b l e mt h a ta f f e c t su s e r st h r o u g h o u tt h e e l e c t r i cg r i d ,a n dh a ss i g n i f i c a n te c o n o m i cc o n s e q u e n c e sf o rm a n yd i f f e r e n tt y p e so f f a c i l i t i e s d i f f e r e n ts o l u t i o n t e c h n o l o g i e s h a v eb e e ni n t r o d u c e dt o m i t i g a t e t h e c o n s e q u e n c e so fs u c hd i s t u r b a n c e a c t i v ep o w e rf i l t e r sr e p r e s e n tt h em o s ta d v a n c e d : t h ea i mi st o g e n e r a t e ac u r r e n u v o l t a g ea b l et oc o m p e n s a t ef o rt h e p o l l u t i n g c u r r e n t v o l t a g eg e n e r a t e db yt h ed i s t o r t i n gl o a d t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s ti n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fa c t i v ep o w e rf i l t e r ,f o l l o w e d w h i c hi ti n t r o d u c e st h ec o n t r o lo fa c t i v ep o w e rf i l t e r a f t e rt h a t ,i ta n a l y s e st h es y s t e m s t r u c t u r ea n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n da c t i v ep o w e rf i l t e rm a i nc i r c u i ta n d p a yg r e a t e m p h a s e so nt h ei n v e r t sb a s e dp w m b a s e do nt h ep r i n c i p l eo ff u z z yc o n t r o ls y s t e m , t h i sd i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h ec o n t r o ls y s t e mo fa c t i v ep o w e rf i l t e rb a s e do i lf u z z y c o n t r o la n dd e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nt h el a s t c h a p t e r , t h i sd i s s e r t a t i o n i n t r o d u c e st h em o d e lb u i l d i n go fa c t i v ep o w e rf i l t e rb a s em a t l a b s i m u l i n k b y s i m u l a t i n gt h ea c t u a ls y s t e m ,t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tf u z z ya c t i v ep o w e rf i l t e r h a sa g o o dp e r f o r m a n c e k e y w o d s :h a r m o n i c a c t i v ep o w e rf i l t e r f u z z yc o n t r o l p w m 華南理工大學 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明:所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進 行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外, 本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。 對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體,均已在文中以明確方 式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。 作者簽名:叼鏟 日期:2 0 0 5年5月日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī) 定,同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和 電子版,允許論文被查閱和借閱。本人授權華南理工大學可以將 本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索,可以采 用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 保密口,在年解密后適用本授權書。 本學位論文屬于 不保密。 ( 請在以上相應方框內打“4 ”) 作者簽名: 導師簽名: 叼切斷 拗 日期:2 0 0 5 年5 月日 日期:2 0 0 5 年5 月日 第一章緒論 第一章緒論 隨著電力系統(tǒng)中非線性負載的日益增多,如何抑制由這些負載引起的電力系統(tǒng)的諧 波成了電氣工程師們目前面臨的一個難題。諧波污染造成電力系統(tǒng)中電壓和電流波形的 嚴重畸變,不僅導致極低的功率因數,而且危害用電設備和通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。 衡量電力系統(tǒng)的電能質量,僅僅考慮頻率和電壓的允許偏差是不夠的,因為電流、 電壓波形畸變程度也是影響電能質量的重要因素。然而一個相當長的時期內并未引起人 們足夠的重視,近年來系統(tǒng)內大量非線性負載的發(fā)展,這種影響因素變得越來越突出。 像許多形式的污染一樣,電力系統(tǒng)中由于各種原因所產生的諧波也構成對電網的污染、 從而惡化了整個電力生產環(huán)境,必須采取有效措施加以治理。 1 1電力系統(tǒng)諧波 諧波是相對于基礎正弦波而言的,所謂正弦波( 電壓、電流) 只是一種理想的參數波 形。而實際應用的交流發(fā)電機既沒有高度精確分布的線圈結構,也沒有極其均勻變化的 磁場,因此所產生的電壓波形,其隨時間的變化關系都或多或少的偏離正弦波而發(fā)生畸 變。因此在任何系統(tǒng)中都含有諧波畸變。 電力系統(tǒng)中諧波一詞系用來定義不同頻率和幅值的電壓、電流引起的畸變了的正弦 波,諧波是一種頻率為基波整數倍的系列正弦波。這些表示系統(tǒng)狀態(tài)的不同頻率、幅值 的系列正弦波使系統(tǒng)正弦電流、電壓產生不對稱。諧波頻率為基波頻率的整數倍( 1 、2 、 3 、4 、,如在5 0 h z 系統(tǒng),其3 次、5 次諧波的頻率即分別為1 5 0h z 和2 5 0h z 。至 于頻率不是基波整數倍( 頻率小于基波的) 稱作分諧波,本文不做討論。 造成畸變的原因不同,其畸變波形形狀也各異。如采用橋式整流電路的變頻啟動過 程,其畸變波形為獨特的雙尖項形的電流波;計算機負載由于電容電流作用,產生的畸 變波形為較陡的尖峰電流波;熒光燈的畸變波形呈低而平緩的波形;電弧爐的波形畸變 極大,且正負半周不等。 總之,可以認為自第一臺發(fā)電機投入運行之同起就存在諧波,只是電力系統(tǒng)發(fā)展早 期,諧波的有害影響并不突出,因此未引起足夠重視。然而隨著電力電子工業(yè)的迅猛發(fā) 展,非線性負載的大量出現(xiàn),嚴重地惡化了電力生產環(huán)境,諧波已成為污染電力生產的 公害,因此引起包括我國在內各工業(yè)化國家的重視。 1 1 1 諧波的產生 電力系統(tǒng)諧波的產生主要源于兩大方面,其一是發(fā)電機、變壓器制造上的缺欠或風 能、太陽能發(fā)電造成的;其二則是非線性負載造成的。就電網的發(fā)展來看,非線性負載 華南理工大學工學碩士學位論文 的驚人發(fā)展則是造成諧波污染的主要根源。 當某一個正弦電壓施加在某種負載上,形成的電流是和施加的電壓及負載阻抗成比 例的,并且隨電壓。波形變化而變化,這樣的負載叫做沒有畸變的線性負載,如電阻加 熱器、白熾燈、恒速電機等;若某些負載每半周里產生的電流和施加的電壓不呈比例性 變化,波形呈非正弦畸變波,這種負載就屬于非線性負載,如變頻啟動電機、蓄電池充 電器、鎮(zhèn)流器等等。 近年來,高壓直流輸電技術、大容量無功補償技術等在電力系統(tǒng)的應用,以及工業(yè) 生產中廣泛應用大容量晶閘管、可控硅整流器、逆變器、變流器等電子設備,這些設備 應用在大到軋鋼機、電力機車、電鍍設備、電弧爐,d , n 變頻啟動電機、不停電電源m p s ) 、 計算機、醫(yī)療設備、冰箱、微波爐等,都屬非線性負載。 諧波的影響程度及所引起的各種電氣損耗的計算,理論上有詳細的計算公式,本文 不做贅述。 1 1 2 諧波的危害 電力系統(tǒng)存在的大量諧波嚴重地降低了電能質量,由于電力網上安裝有大量的高、 中、低頻加熱設備、開關電源、u p s 電源、各種類型的電源變換器、控制器以及大型鍛 壓沖壓設備等大量諧波源、沖擊源,在電路中產生大量的諧波和電壓電流瞬變,對電網 造成嚴重污染。諧波、瞬變的大量存在,會導致電網功率因數降低,電能傳輸效率下降, 損耗增大。其主要危害分設備及運行兩大方面。 一、對系統(tǒng)設備的危害 由于諧波的存在可能引起多種不良效應,如串、并聯(lián)諧振引起的過電壓、過電流、 機械諧振等,從而引起過熱、絕緣老化、軸扭振等。:具體設備危害如: a 使電機、變壓器、電容器等嚴重發(fā)熱,損耗增大: b 諧振引起的過壓、過流可使電機、變壓器、電纜等絕緣老化,降低使用壽命; c 能使晶體管等電子元件發(fā)熱擊穿; d 使電機軸發(fā)生扭振,危及設備安全。 二、對系統(tǒng)運行的影響 由于諧波的存在,通過電氣傳導、電磁感應等方式影響繼電保護、計量系統(tǒng)和通訊 遠動系統(tǒng)正常工作。 a 諧波量大時可使繼電器拒動或誤動,如零序電流過大可能造成接地保護誤動: b i 皆波量大時能使系統(tǒng)中反應工頻正弦量的多數監(jiān)示、測量儀表出現(xiàn)誤差; c 諧波的存在不僅影響通訊系統(tǒng)通話的清晰度,嚴重時會產生諧振干擾整個通訊系 統(tǒng); d 諧波影響功率因數補償效果: 第一章緒論 e i 皆波嚴重時可使計算機系統(tǒng)失控。 1 1 3 諧波的管理原則 要提高電能質量,減少系統(tǒng)的諧波,必須加強對諧波的管理。本著限制諧波源注入 諧波電流,將諧波電壓限制在允許范圍內的原則。首先要掌握系統(tǒng)中的諧波源及分布, 限制諧波負載在允許范圍內方可入網,未達標的必須采取治理措施,以防諧波擴散。為 此國際電工委員會( i e q 和美國i e e e 都有推薦標準,如i e e e 規(guī)定的電流諧波極限標準 見表1 - 1 。 l s c 1 lh 1 11 l h 1 71 7 h 2 32 3 h 3 53 5 ,使諧波的治理走上了標準化的軌道。 1 3 1 主題內容與適用范圍 標準規(guī)定了公用電網諧波的允許值及其測試方法,標準適用于交流額定頻率為 5 0 h z ,標稱電壓1 1 0 k v 及以下的公用電網。標稱電壓為2 2 0 k v 的公用電網可參照 1 1 0 k v 執(zhí)行。公用電網諧波電壓( 相電壓) 限值見表1 2 。 注:本標準不適用于暫態(tài)現(xiàn)象和短時惻諧波。 表1 2 公用電網諧波電壓( 相電壓) 限值 電網標稱電壓總諧渡各扶諧渡電壓含百翠, 電壓k v畸變率 哥狀偶扶 0 3 85 04 02 0 6 4 0 3 21 6 1 0 3 5 b 5 3 0 2 41 2 1 i 0 2 01 50 8 第一章緒論 1 3 2 諧波電流允許值 公共連接點的全部用戶向該點注入的諧波電流分量( 方均根值) 不應超過表1 - 2 中 規(guī)定的允許值。 表1 2 a 注入公共連接點的諧波電流允許值 基準短路 譴渡i 怒數廈譴渡電琉兜i 午值, 標準電壓k y 客量m v 1 4 l s i 6 l t 1 6 t 9 2 02 l 2 2 2 32 4 2 5 1 0l o o3t l t1 3 26 o 2 8 5 4 2 62 日23452t4l 基準短路 諧誼次數及諧渡電琉允許值, 標準電壓k v 容量m v 2 3 458 t 89l ol l1 21 3 3 52 5 8 1 5 1 2t11 25l8 8384l3l5 b 2 b 7 1 4i 5 1 5 1 7 1 8 1 9 2 02 12 22 3 2 42 5 2 225l 目3b1 t32l ,5l8l ,427l32 5 基準短路 誼鍍、文數爰諧渡窀流兜許值, 標準電壓h 窯量m v 23458t891 0l l1 2 1 3 6 65 0 01 6i 3e 11 3 5 1g 34l4 3 3 3s 92t s0 1 4i s1 61 71 81 92 02 l2 22 32 4 2 5 2 3262 03 81 83 41 b1 g1 52 81 42 b 基準短路 諧波次數爰譴渡電流允許值, 標準電壓w 窯量_ v 234s87b9 1 0l i1 21 3 1 1 0t s 01 296609b4 0583 0 3 2244 3203 7 1 41 51 61 t 1 81 92 02 12 2 2 32 42 5 lt1 9152b1 32512l4l l21 101g 表1 2 b 注入公共連接點的諧波電流允許值 基準短路 諧凌次數及諧波電流允許值, 標準電壓w 容量h v 23456te9 1 01 11 2t 3 03 日1 07 8 6 23 9 6 2拍4 41 92 11 8 2 81 32 1 41 5 l b1 71 81 92 02 l2 2 2 32 2 s 1 l1 2gt1 8861 6t88 9tll 651 2 基準短路 諧波次;畎譴波宅嶄t 允許值, 標準電壓塒 容量_ n 2 3 4s6t89 1 01 l1 21 3 61 0 04 3 3 4 2 13 41 42 4l ll l851 67l 1 3 1 4 1 51 6 1 t 1 81 92 02 12 22 32 4 2 5 邑l88 531 04 t9 0 it3t93 qt4 3bb8 基準短黯 譴渡次數及澶竣窀流兜許短, 標準電壓w 容量m 2345 b t 891 01 1 1 21 3 1 01 0 02 82 b 1 32 08 51 5b 468519 343 t9 注: 2 2 0 k v 基準短路容量取2 0 0 0 m v a 。 同公共連接點的每個用戶向電網注入的諧波電流允許值按此用戶在該點的協(xié)議 9 華南理下大學工學碩士學位論文 容量與其公共連接點的供電設備容量之比進行分配。 1 4a p f 的應用及其發(fā)展趨勢 有源濾波器作為改善供電質量的一項關鍵技術,在日本、美國、德國等工業(yè)發(fā)達國 家已得到了高度重視和日益廣泛的應用。目前,世界上a p f 的主要生產廠家有日本三 菱電機公司、美國西屋電氣公司、德國西門子公司等。自1 9 8 1 年以來,僅在日本,已 有4 0 0 多臺a p f 投入運行,容量范圍由5 0 k v a 到6 0 m v a 。 1 4 1 應用情況 有源電力濾波器技術在日本已經成熟,其產品開始進入實用化階段,從1 9 8 3 年到 1 9 9 5 年,共有4 5 5 套有源電力濾波器投入實際使用。下面就幾個方面給出一些基本情況。 ( 1 ) 生產臺數和容量 從1 9 9 1 年到1 9 9 5 年累計生產3 5 5 臺,與1 9 8 3 年到1 9 9 1 年約7 年間共生產了近1 0 0 臺相比,產量有了大幅度上升,圖1 - 6 給出了生產臺數與容量的基本情況圖示。從圖中 可以看出,2 0 0 k v a 以下的占7 0 左右,超過1 0 0 0 k v a 的約為7 。實際上,近1 2 年5 0 k v a 以下的臺數增加顯著,也反映了對諧波抑制重要性的認識在提高。 t 0 0 0 k v , 吼k 弛 圖1 - 6 不同容量的比率 f i g 1 6p o w e ro f a c t i v ep o w e rf i l t e r ( 2 ) 用途 圖1 - 6 給出了有源電力濾波器在實際中不同行業(yè)的使用情況,使用在供水和污水處 理設備中的約占4 0 ,建筑約占1 7 。 ( 3 ) 使用的類型 從實際投入的設備來看,有源電力濾波器與負載連接的大多將并聯(lián)型作為一種標準 方式,主電路多為電壓型,在生產出的3 5 5 臺設備中,僅有4 臺與負載的連接為串聯(lián)型 或串聯(lián)混合型。在有源電力濾波器實用化初期所選用的電流型主回路基本上未再采用。 1 0 第一章緒論 業(yè)j i t ? 圖1 - 6 不同行業(yè)使用的臺數比率 f i g 1 6t y p e so fa c t i v ep o w e r f i l t e r ( 4 ) 諧波的檢測方法 諧波的檢測方法可以有負載電流檢測、電源電流檢測、電源電壓檢測等檢測方法, 在這些方法中,用負載電流的檢測方法與用電源電流的檢測方法之比為1 0 :1 ,從這5 年 的情況變化可以看出,今后,負載電流的檢測方法為主要使用方法,同時,應用電壓檢 測方法的比例也有所增加,設置檢測電壓的目的在于補償閃變。 ( 5 ) 其它控制功能 有源電力濾波器除補償諧波電流外,還可補償基波無功、平衡三相電壓、抑制電壓 閃變等功能,在這3 5 5 臺設備中有7 6 臺( 2 1 ) 附有補償基波無功的功能。 ( 6 ) 與l c 無源濾波器混用情況 從有源電力濾波器的本身工作原理來看,它完全可以補償低次諧波,但由于使用 l c 濾波器可以使有源部分的容量大大減小。所以,采用混合使用方式的實例逐步增加。 ( 7 ) 使用的器件 大部分中小容量的有源電力濾波器中,主回路采用的器件基本為i g b t ,只有當容 量達到m w 級的大容量裝置才使用g t o 。 1 4 2a p f 的發(fā)展趨勢 從近年來的研究和應用中可以看出a p f 具有如下的發(fā)展趨勢: a 通過采用p w m 調制和可提高開關器件等效開關頻率的多重化技術,實現(xiàn)對高次 諧波的有效亭卜i 償。當a p f 的容量小于2 m v a 時,通常采用i g b t 及p w m 技術進行諧波 補償。當容量大于5 m v a 時,通常采用g t o 及多重化技術進行諧波補償。 b 當前大功率濾波裝置從經濟上考慮,可以采用a p f 與l c 無源濾波器并聯(lián)使用的 混合型有源濾波系統(tǒng),以減小a p f 的容量,達到降低成本、提高效率的目的。其中l(wèi) c 濾波器用來消除高次諧波,a p f 用來補償低次諧波分量。 c 從長遠角度看,隨著大量換流器用于變頻調速系統(tǒng),其價格必然下降;同時,隨 華南理下大學工學碩十學位論文 著半導體器件制造水平的迅速發(fā)展,尤其是i g b t 的廣泛應用,混合型有源濾波系統(tǒng)低 成本的優(yōu)勢將逐漸消失,而串一并聯(lián)a p f 由于其功能強大、性價比高,將是一種很有 發(fā)展前途的有源濾波裝置。 d 可通過單節(jié)點單裝置的裝設,達到多節(jié)點諧波電壓綜合治理的a p l c 的出現(xiàn),表 明電力系統(tǒng)諧波治理正朝著動態(tài)、智能、經濟效益好的方向發(fā)展。 與國外廣泛應用a p f 相比,我國的有源濾波技術還處在研究試驗階段,工業(yè)應用 上只有少數幾臺樣機投入運行,這與我國目前諧波污染f | 益嚴重的狀況很不適應。隨著 我國電能質量治理工作的深入丌展,利用a p f 進行諧波治理將會具有巨大的市場應用 潛力,有源濾波技術必將得到廣泛的應用。 1 5 本論文主要研究內容和意義 本論文主要研究內容包括如下: 第二章介紹了有源電力濾波器基本原理。有源電力濾波器的主電路一般由p w m 逆 變器構成。根據逆變器直流側儲能元件的不同,可分為電壓型有源濾波器( 儲能元件為 電容) 和電流型有源濾波器( 儲能元件為電感) 。逆變器交流側輸出為p w m 波形,是目前 廣泛采用技術。 第三章介紹了模糊控制的基本理論。模糊控制以模糊集理論為基礎,主要包括模糊 化、模糊推理與模糊判決三部分,其最大的特點是將專家經驗和知識表示成語言控制規(guī) 則,然后用這些規(guī)則去控制系統(tǒng)。應用模糊理論和計算機技術可以對沒有準確的數學模 型或者數學模型極其復雜的系統(tǒng)加以控制。 第四章介紹了模糊控制有源電力濾波器的工作特性,詳細分析了基于模糊控制技術 的有源電力濾波器的電流控制系統(tǒng)的工作原理,通過占空比數學函數分析電流跟蹤機 理,總結出了模糊控制系統(tǒng)的控制規(guī)則,并且提出基于單片機的模糊控制器的設計方案, 探討了有源電力濾波器模糊邏輯控制技術的研究方向。 第五章用m a t l a b s i m u l i n k 建立了模糊控制電力有源濾波器的仿真模型,對投 入無源濾波器和有源濾波器進行補償的系統(tǒng)進行仿真,仿真結果表明模糊控制有源濾波 器對抑制系統(tǒng)諧波可以起到非常好的效果。 第二章有源電力濾波器 第二章有源電力濾波器 有源電力濾波器是一種動態(tài)抑制諧波和補償無功的電力電子裝置,它能對頻率和大 小都變化的諧波和無功進行補償,可以彌補無源濾波器的缺點,獲得比無源濾波器更好 的補償特性,是一種理想的補償諧波裝置。早在7 0 年代,有源電力濾波器的基本原理 和主電路拓撲結構就己被確定,但由于受當時的技術條件限制,未能使有源電力濾波器 得以實施。進入8 0 年代后,新型電力電子器件的出現(xiàn)、p w m 控制技術的發(fā)展以及瞬時 無功功率理論的提出,極大地促進了有源電力濾波器技術的發(fā)展,近年來,國外已開始 在工業(yè)和民用設備上廣泛使用有源電力濾波器,并且單機裝置的容量逐步提高,其應用 領域從補償用戶自身的諧波向改善整個電力系統(tǒng)供電質量的方向發(fā)展。 采用傅里葉級數對非正弦連續(xù)的時間周期函數進行變換是諧波分析最基本和常用 的方法。這種方法根據采集到的一個電周期的電流值進行計算,得到該電流所包含的諧 波次數。其缺點是需要一定的時間采樣并且要進行兩次變換,計算量大、實時性不好, 因此該方法大多用于諧波的離線分析,難以用于有源電力濾波器所要求的實時檢測。該 方法早期曾在有源電力濾波器中用過,8 0 年代瞬時無功功率理論出現(xiàn)后已不再采用。 圖2 - 1 有源電力濾波器的分類 f i g 2 1 s o r t so fa c t i v ep o w e rf i l t e r 為了能在線實時檢測和補償諧波,日本學者赤木泰文等人提出了瞬時無功功率理 論。該理論突破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎的功率定義,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。以該理論為基礎,可以得出用于有源電力濾波器的諧波和無 功電流的實時檢測方法,對于諧波和無功補償裝置的研究和開發(fā)起了極大的推動作用。 華南理丁大學t 學碩士學位論文 但這一理論也存在一些缺點,一些量的物理概念比較模糊,在解決一些傳統(tǒng)概念和問題 時遇到困難。 三相電路瞬時無功功率理論已經成功地應用到三相三線制系統(tǒng)并取得了良好的補 償效果,在國外有源電力濾波器已被廣泛使用。有源電力濾波器的應用領域己從原先的 三相三線制系統(tǒng)逐步擴展到其它類型的電路如單相電路、三相四線制電路以及直流輸電 等更為廣泛的領域。 2 1 有源電力濾波器的基本原理 有源電力濾波器系統(tǒng)主要出兩大部分組成,即指令電流檢測電路和補償電流發(fā)生電 路。指令電流檢測電路的功能主要是從負載電流中分離出諧波電流分量和基波無功電 流,然后將其反極性作用后發(fā)生補償電流的指令信號。電流跟蹤控制電路的功能是根據 主電路產生的補償電流,計算出主電路各開關器件的觸發(fā)脈沖,此脈沖經驅動電路后作 用于主電路。這樣電源電流中只含有基波的有功分量,從而達到消除諧波與進行無功補 償的目的。 圖2 - 2 有源濾波器示意圖 f i g 2 - 2s k e t c hm a po fa c t i v ep o w e rf i l t e r 有源電力濾波器的主電路一般由p w m 逆變器構成。根據逆變器直流側儲能元件的 不同,可分為電壓型有源濾波器( 儲能元件為電容) 和電流型有源濾波器( 儲能元件為電 感1 。電壓型有源濾波器在工作時需對直流側電容電壓控制,使直流側電壓維持不變, 因而逆變器交流側輸出為p w m 電壓波。 電流型有源濾波器在工作時需對直流側電感電流進行控制,使直流側電流維持不 變,因而逆變器交流側輸出為p w m 電流波。 電壓型有源濾波器的優(yōu)點是損耗較少,效率高,是目前國內外絕大多數有源濾波器 采用的主電路結構。電流型有源濾波器由于電流側電感上始終有電流流過,該電流在電 感內阻上將產生較大損耗,所以目前較少采用。 1 4 第二章有源電力濾波器 圖2 - 3 電壓型有源濾波器 f i 9 2 3v o l t a g es o u r c et y p ea c t i v ep o w e rf i l t e r 圖2 - 4 電流型有源濾波器 f i g 2 4c u r r e n ts o u r c et y p ea c t i v ep o w e r f i l t e r 圖2 - 4 所示為串聯(lián)型有源濾波器的基本結構。它通過一個匹配變壓器將有源濾波器 串聯(lián)于電源和負載之間,以消除電壓諧波,平衡或調整負載的端電壓。與并聯(lián)型有源濾 波器相比,串聯(lián)型有源濾波器損耗較大,且各種保護電路也較復雜,因此,很少研究單 獨使用的串聯(lián)型有源濾波器,而大多數將它作為混合型有源濾波器的一部分予以研究。 圖2 - 5 混合型有源濾波器 f i g 2 - 5h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r 圖2 5 所示為混合型有源濾波器的基本結構。它是在串聯(lián)型有源濾波器的基礎上使 用一些大容量的無源l - c 濾波網絡來承擔消除低次諧波,進行無功補償的任務。而串聯(lián) 華南理工大學- r = 學碩士學位論文 型有源濾波器只承擔消除高次諧振及阻尼無源l c 網絡與線路阻抗產生的諧波諧振的任 務。從而使串聯(lián)型有源濾波器的電流、電壓額定值大大減少( 功率容量可減少到負載容 量的5 以下) ,降低了有源濾波器的成本和體積。從經濟角度而言,這種結構形式在目 前是一種值得推薦的方案。 2 2a p f 補償電流的檢測 a p f 補償電流的檢測不同于電力系統(tǒng)中的諧波測量。它不須分解出各次諧波分量, 而只須檢測出除基波和有功電流之外的總的高次諧波和無功畸變電流。難點在于準確、 實時地檢測出電網中瞬態(tài)變化的畸變電流,為有源電力濾波器控制系統(tǒng)進行精確補償提 供電流參考,這是決定a p f 性能的關鍵。a p f 中所使用的幾種諧波電流檢測方法,除 了各自存在的難以克服的缺陷外,共同存在的問題是,由于是開環(huán)檢測系統(tǒng),敵對元件 參數和系統(tǒng)的工作狀況變化依賴性都比較大,且都易受電網電壓畸變的影響。對單相電 路的諧波和無功電流的檢測還存在實時性較差的缺點。 a p f 的控制主要由諧波信號的檢測和補償分量的產生兩大部分組成。由圖4 可見, a p f 通過檢測電路檢測出電網中電流電壓的畸變部分,然后采用某種控制方式控制功率 電路產生相應的補償電流分量,并注入到電網中,以達到消除諧波的目的。 i 一一一一一建皇燮堂一一一一j 圖2 - 6a p f 原理圖 f i g 2 - 6p r i n c i p l eo f a m i v ep o w e rf i l t e r 精確、實時地檢測出電網中瞬時變化的畸變電流,是提高有源電力濾波器補償精度 的一個關鍵問題,以下是目前采用的幾種檢測方法。 2 2 1 基于f r y z e 功率定義的檢測方法 其原理是將負荷電流分解為與電壓波形一致的分量,將其余分量作為廣義無功電 流( 包括諧波電流) 。它的缺點是:因為f r y z e 功率定義是建立在平均功率基礎上的,所 以要求得瞬時有功電流需要進行一個周期的積分,再加其它運算電路,要有幾個周期 延時。因此,用這種方法求得的“瞬時有功電流”實際是幾個周期前的電流值。 1 6 第二章有源也力濾波器 2 2 2 用模擬帶帶通濾波器撿測的方法 用模擬帶通濾波器( 或陷波器) 檢測有害電流。由于濾波器中心頻率固定,當電網 頻率波動時,濾波效果會大大下降。此外濾波器的中心頻率對元件參數十分敏感,這樣 要使濾波器得到理想的幅頻特性和相頻特性是很困難的,并且這種方法也不能同時分 離出無功電流和諧波電流。 2 2 3 基于頻域分析的f f t 檢測法 此方法需進行兩次f f t 變換,約需8 0 m s ,瞬時性誤差較大,且電壓畸變將帶來較 大的非同步采樣誤差,特別是對高次諧波的檢測精度影響較大a 2 2 4 基于瞬時無功功率理論的畸變電流瞬時檢測方法 瞬時無功功率理論的基本思路是:將a b c 三相系統(tǒng)電壓、電流轉換成a b o 坐標系上 的矢量,將電壓、電流矢量的點積定義為瞬時有功功率:將電壓、電流矢量的叉積定義 為瞬時無功功率,然后再將這些功率逆變?yōu)槿嘌a償電流。瞬時無功功率理論突破了傳 統(tǒng)功率理論在“平均值”基礎上的功率定義,使諧波及無功電流的實時檢測成為可能。 該方法對于三相平衡系統(tǒng)的瞬變電流檢測具有較好的實時性,有利于系統(tǒng)的快速控制, 可以獲得較好的補償效果。 l l h i 哺 i c h 圈2 _ 7 瞬時檢測方法 f i g 2 - 7i n s t a n t a n e o u sd e t e c t i n gm e t h o d 圖2 - 7 中,l p f 為低通濾波器,變換矩陣為三相靜止坐標系到兩相旋轉坐標系( d q 坐標系) 的變換陣。在諧波及無功電流的檢測系統(tǒng)中,首先檢測基波有功電流,然后從 三相負載電流中減去基波有功電流,從而獲得諧波及無功電流。根據瞬時無功功率理論 可以推導如下結論:三相負載電流經過d q 變換,得到有功電流助和無功電流由( 圖1 中未畫出) ?;ㄓ泄﹄娏髟赿 q 坐標系下表現(xiàn)為電流印中的直流分量。在d q 坐標系下, 將有功電流強拄行低通濾波得到直流分量,經過d q 反變換可以得到基波有功電流。 1 7 華南理t 大學工學碩士學位論文 上述檢測方案具有動態(tài)響應快、實時性好的優(yōu)點。但是,由于電路采用開環(huán)結構, 檢測系統(tǒng)魯棒性較差,需要采用高精度模擬乘法器。為了增強檢測系統(tǒng)的魯棒性,將閉 環(huán)拓撲結構與瞬時無功功率理論的原理結合起來。 2 3a p f 控制電路 a p f 主電路可采用p w m 逆變電路,逆變電路根據直流側電源性質的不同可分為兩 種:直流側是電壓源的稱為電壓型逆變電路;直流側是電流源的稱為電流型逆變電路。 電流型逆變電路主要存在兩個缺陷:一是輸出電流中含有較大的紋波,用濾波器消除會 影響高頻波形的產生;二是不便于調試和穩(wěn)定。 正弦脈寬調制( s p w m ) 法是通過改變p w m 輸出的脈沖寬度,使輸出電壓的平 均值接近于正弦波。具體實現(xiàn)的方法是以正弦波作為基準波( 調制波) ,用- - y i j 等幅的 三角波( 載波) 與基準正弦波相交,由交點來確定逆變器的開關模式,使輸出的脈沖系 列的占空比按正弦波規(guī)律變化,當正弦值最大時,脈沖寬度也最大;當正弦值較小時, 脈沖寬度也最小。 根據輸出脈沖的幅度是在o 一+ e 之間還是在e 一+ e 之間跳躍,s p w m 法可分為單 極性調制和雙極性調制。 2 3 1 p w m 控制的基本原理 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時,其效果基本相同,沖量指 窄脈沖的面積效果基本相同,是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同,低頻段非常接近,僅 在高頻段略有差異。 a )c ) ( f ) d 專 m 圖2 - 8 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 f i g 2 8p u l s ew i t hd i f f e r e n ts h a p e 用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波,正弦半波n 等分,看成n 個相 連的脈沖序列,寬度相等,但幅值不等。用矩形脈沖代替,等幅,不等寬,中點重合, 面積( 沖量) 相等,寬度按正弦規(guī)律變化。而s p w m 波形的脈沖寬度按正弦規(guī)律變化 1 8 。攀0:; 第二章有源電力濾波器 而和正弦波等效的p w m 波形,要改變等效輸出正弦波幅值,按同一比例改變各脈沖寬 度即可。 由直流電源產生的p w m 波通常是等幅p w m 波,如直流斬波電路及本章主要介紹 的p w m 逆變電路。輸入電源是交流,得到不等幅p w m 波。 p w m 波形可等效的各種波形,如直流斬波電路等效直流波形,而s p w m 波則等

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