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1、哈尔滨理工大学学士学位论文高压混合有源滤电力波器控制算法研究摘要电力系统的谐波问题随着电力电子装置的广泛应用变的越来越严重。谐波抑制和无功功率补偿的问题己成为电力系统迫切需要解决的问题。将无源滤波器和有源滤波器相结合构成的混合型有源电力滤波器，有助于减少谐波补偿系统的初期投资，提高性能价格比，达到较好的谐波抑制的效果。本文主要研究并联混合型有源电力滤波系统。首先对并联混合型有源电力滤波系统的结构、运行原理进行了分析。HSHIAPF的有源部分与基波串联谐振支路并联，再与注入支路串联形成一个整体，最后与单调谐无源滤波支路并联接入电网。由于基波串联谐振支路和注入支路的作用，有源部分承受的基波电压非常
2、小，也几乎没有基波电流流入，其容量可以大大降低，适合于高压大容量系统的应用，初期投资也较小，其无源部分还可以承担一定的无功补偿任务。然后确定了基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法。接着着重分析SVPWM空间电压矢量控制的原理，推导其开关时间的计算公式。最后对系统有源部分电压型逆变器输出波形进行仿真，给出逆变器开关作用时间的计算公式，并在Matlab/simulink环境下进行仿真，测试结果表明混合型有源电力滤波系统对电力系统的谐波补偿具有较好的补偿效果。关键词：并联混合注入式；谐波检测；瞬时无功；SVPWMStudy on Control Algorithm of High-voltage Hy
3、brid Active Power FilterAbstractThe power system harmonics problems with power electronic devices changed the broad application of increasingly prominent. Harmonic suppression and reactive power compensation issue has become an urgent need to address the power system problems. Passive filter and wil
4、l combine active filter consisting of Hybrid Active Power Filter, harmonic compensation system helps to reduce the initial investment and improve cost performance, to better the purpose of harmonic suppression.This paper studies Parallel Hybrid Active Power Filter system. First parallel hybrid activ
5、e power filter system structure, operate principle of a detailed analysis. The active part of the HSHIAPF and the basic harmonic in series branch in parallel, then in series with the injection branch become a entirety, and finally in parallel with the single reactive passive filter branch connect wi
6、th the power grid. Due to action of the wave series branch and the injection branch, the active part can undertake a low level of basic harmonic voltage, and almost no basic harmonic flow into this part, the capacity can be greatly reduced, so it apply to high voltage and large capacity of the syste
7、m, and initial investment was also small. Moreover the passive part of HSHIAPF could also provide much reactive power. We determine based on the instantaneous reactive power theory of harmonic detection method. Then focus on analyze the voltage control method of SVPWM. Then derive the equation of th
8、e switching times. In the end we emulate the current which was out of the voltage source inverter, we proposed the calculate equation of switching time. And we use MATLAB realize a simulation, the test result shows that the hybrid active power filter system harmonics compensation has good compensati
9、on effect.Keywords：APF; harmonic detection; instantaneous reactive power; SVPWM不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- III -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 电力系统谐波产生的原因11.2 电力系统谐波的危害及治理意义21.3 电力系统谐波治理措施31.4 有源电力滤波器国内外发展现状51.5 APF的检测与控制算法71.6 本文主要内容与章节安排8第2章 注入式混合有源电力滤波器92.1 滤波器的基础理论92.2 注入式有源电力滤波器的结构及原理112.2.1 主电路结构112.2.2 HS
10、HIAPF工作原理分析122.2.3 HSHIAPF有源部分的容量及谐波补偿142.3 本章小结15第3章 基于瞬时无功功率理论的电流检测173.1 谐波及无功电流检测基础理论173.2 基于瞬时无功理论的谐波检测方法173.3 本章小结19第4章 基于空间电压矢量SVPWM控制204.1 空间矢量SVPWM原理204.2 空间矢量SVPWM的算法的实现224.3 空间矢量SVPWM仿真244.4 本章小结26结论27致谢28参考文献29附录一32附录二38千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行
11、后加一空行- IV -第1章 绪论电压、频率和波形是衡量电能质量的主要指标。随着我国工业和民用电负荷的迅速增加以及各种电力电子设备的广泛应用，谐波污染随着非线性负载的数量和容量日益增加而日益严重，与此同时，供电部门及其电力系统设备、用户及其用电器对电能质量的要求越来越高，因此治理谐波问题不容忽视。传统的方法是基于谐振的无源滤波，但存在一定局限性。有源滤波能动态治理各次谐波，因而成为谐波滤除技术的发展方向。本章首先阐述了电力系统中谐波产生原因、危害及治理的意义，同时也介绍了谐波治理措施；然后分析了有源滤波器在国内外发展的现状提出有源滤波器的检测与控制算法；最后介绍本论文的研究内容及各章节的安排。
12、1.1 电力系统谐波产生的原因多种谐波源可引起波形畸变，电力生产传输、转换和使用各个环节都可能产生谐波。一般情况下电网中谐波主要来自：一是供电电源本身；二是输配电系统中相关设备产生；三是用电设备产生，尤其是非线性用电设备产生的谐波所占比重最大。当电力系统向非线性设备及负荷供电时,这些设备或负荷在传递(如变压器) 、变换(如交直流换流器) 、吸收(如电弧炉)系统发电机所供给的基波能量的同时,又把部分基波能量转换为谐波能量,向系统注入大量的谐波,使电力系统的正弦波形发生畸变,电能质量降低1 。发电机是公共电网中的电源。其输出电压的谐波含量很小，实际的发电机中，由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称、
13、铁心也很难做到绝对均匀一致以及其它一些原因，定子感应电动势不可能是理想的正弦波，因此在电源侧输出电压中就会包含一定含量的谐波，这种谐波电动势的频率和幅值只取决于发电机本身的结构和工作情况，基本与外接负载无关，可以看作恒定的谐波电压源。由于在设计发电机时，通常会采取许多措施削弱谐波电动势的影响，所以其输出电压的谐波含量是很小的。电力变压器是输配电系统中最主要的谐波源。由于变压器铁心存在不同程度的饱和以及磁化曲线的非线性，再加上设计变压器时考虑到经济性，其工作磁密通常选择在磁化曲线的近饱和段上，就会使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有分布较广的奇次谐波。各次谐波的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有
14、关。另外，高压直流换流站的整流/逆变装置等，由于器件开关特性的影响，也会造成波形的不连续或形变，从而在输配电线路中形成谐波。用电设备产生的谐波是由与电力系统相连的各种非线性负载产生的2-3。随着现代工业、电气化铁路和人民生活的高速发展，大量非线性用电设备得到广泛应用，产生大量谐波注入电网，使电能质量下降。1.2 电力系统谐波的危害及治理意义随着电力电子技术的发展，供电系统中增加了大量的非线性负载，特别是以开关方式工作的静止变流器，从低压小容量家用电器到高压大容量的工业交、直流变换装置都有着广泛的应用，它是一种非线性时变拓扑负荷，不可避免地会产生非正弦波形，向电网注入谐波，已成为电网中的公害。供
15、电系统中还有电弧炉、电焊机、变压器、旋转电机等其它非线性负载，都会在电网中产生不同频率和幅值的谐波，甚至像电视机、荧光灯、电池充电器等装置也会产生谐波，虽然单个装置的容量不大，但由于数量很多，因此它们给供电系统注入的谐波分量也不容忽视。谐波不仅会消耗系统的无功功率储备，其危害还主要表现在以下几个方面3-5:(1)造成继电保护、自动装置工作紊乱。谐波能够改变保护继电器的动作特性，这与继电器的设计特点和原理有关。当有谐波畸变时，依靠采样数据或过零工作的数字继电器容易产生误差。谐波对过电流、欠电压、距离、周波等继电器均会起拒动和误动的影响，保护装置失灵和动作不稳定。零序三次谐波电流过大，可能引起接地
16、保护误动作。(2)增加旋转电机的损耗。谐波电压或电流会在电机的定子绕组、转子回路以及定子和转子铁芯中引起附加损耗。由于涡流和集肤效应的关系，定子和转子导体内的这些附加损耗要比直流电阻引起的损耗大。另外，谐波电流还会增大电机的噪音和产生脉动转矩。(3)增加输电线的损耗，缩短输电线寿命。谐波电流一方面在输电线路上产生谐波压降，另一方面增加了输电线路上的电流有效值，从而引起附加输电损耗。在电缆输电的情况下，谐波电压以正比于其幅值电压的形式增强了介质的电场强度，这影响了电缆的使用寿命，据有关资料介绍，谐波的影响将使电缆的使用寿命平均下降约60%。(4)增加变压器的损耗。变压器在高次谐波电压的作用下，将
17、产生集肤效应和邻近效应，在绕组中引起附加铜耗，同时也使铁耗相应增加。另外，3的倍数次零序电流会在三角形接法的绕组内产生环流，这一额外的环流可能会使绕组电流超过额定值。对于带不对称负载的变压器来说，如果负载电流中含有直流分量，会引起变压器的磁路饱和，从而会大大增加交流激磁电流的谐波分量。(5)电力电容器引起的谐波放大。由于电容器的容抗与频率成反比，因此在谐波电压作用下的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多，从而使谐波电流的波形畸变更比谐波电压的波形畸变大得多，即便电压中谐波所占的比例不大，也会产生显著的谐波电流。特别是在发生谐振的情况下，很小的谐波电压就可引起很大的谐波电流，导致电容器因过流而损
18、坏。(6)引起电力测量的误差。测量仪表是在纯正弦波情况下进行校验的，如果供电的波形发生畸变，仪表则容易产生误差。比如，感应式电能表对设计参数以外的频率的响应不灵敏，频率越高，误差越大，而且为负误差，当频率约为1000Hz时，电度表将会停止转动。(7)干扰通讯系统。供电系统中的静止变流器在换相期间电流波形发生急剧变化，该换相电流会在正常供电电压中注入一个脉冲电压，该脉冲电压所包含的谐波频率较高,甚至达到1MHz，因而会引起电磁干扰，对通信线路、通信设备会产生很大的影响。比如电力载波通信、远动装置信号以及与架空线平行的通讯线路，谐波的影响都很大。(8)对其它设备的影响，包括会导致功率开关器件控制装
19、置误动作、影响互感器的测量精度和使熔断器在没有超过额定值时就熔断等方面的影响。综上所述，对电能质量已经不能仅用频率和电压这两个指标来评价了，谐波已成为衡量电能质量的一个重要指标。因此，谐波治理问题的研究具有十分重大的理论和现实意义。1.3 电力系统谐波治理措施电力系统谐波治理的措施主要有三种:一是受端治理，即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们的抗谐波干扰能力；二是主动治理，即从谐波源本身出发，使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波；三是被动治理，即通过外加滤波器，阻碍谐波源产生的谐波注入电网，或者阻碍电力系统的谐波流入负载端。受端治理可以通过在电网规划时选择合理的供电方式；对电力电容器
20、组进行改造避免电容器对谐波的放大；提高设备抗谐波干扰能力，改善谐波保护性能等手段来实现。采用受端治理方式能够改进设备性能，使其在谐波环境中能够正常工作。当然这是有一定限度的，谐波较大时设备仍将受到严重影响。主动治理可以通过增加变流装置的相数或脉冲数；改变谐波源的配置或工作方式；采用多重化技术和脉宽调制PWM技术；设计或采用高功率因数变流器，注入式有源电力滤波器的关键技术研究与工程应用进行谐波叠加注入等方式实现。但主动治理的成本较高，也会增加装置的复杂度，甚至还会增加设备的功率消耗。被动治理可以通过采用无源电力滤波器 PPF(Passive Power Filter):采用有源电力滤波器APF；
21、以及采用PPF和APF的组合来实现。被动治理方式在吸收谐波的同时还可以进行无功补偿，运行维护也比较方便，具有较大的灵活性。在三种谐波治理方式中，主动治理和受端治理属于谐波治理的预防性措施，它们更加强调的是对自身性能的改进，无益于已有电网性能的改善。对于一个己经存在谐波污染的应用场合而言，综合考虑经济成本和控制的复杂程度，更多的是采取补救性措施，即被动治理措施采用主动治理方式，可有效限制谐波的产生，但由于谐波源的多样性，要完全消除谐波是不可能的。因此，安装滤波器对电网谐波进行有效地滤波和补偿也是谐波治理的一个重要研究方向。被动治理措施主要有以下几种:一、采用无源滤波器PF(Passive Fil
22、ter)。PF利用电感、电容元件的谐振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，从而减小流向电网的谐波电流，同时还可以补偿无功功率。它具有结构简单、成本低和维护方便的优点。但由于其结构原理上的缺点，在应用中存在以下难以克服的缺点:1) 只能对特定谐波进行滤波。谐振频率依赖于元件参数，因此单调谐滤波器只能消除特定次数的谐波，高通滤波器只能消除截止频率以上的谐波。2) 滤波器参数影响滤波性能。由于调谐偏移和残余电阻的存在，调谐滤波器的阻抗等于零的理想条件是不可能出现的，阻抗的变化大大妨碍了滤波效果。LC参数的漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定。3) 对于谐波次数经常变化的负载滤波效果不好。当滤波
23、器投入运行之后，如果谐波的次数和大小发生了变化，便会影响滤波效果。并且需要根据高次谐波次数的多少，需设置多个LC滤波电路。4) 滤波特性依赖于电网参数。电网的阻抗和谐波频率随着电力系统的运行工况随时改变，对谐波电流的滤除效果受电力系统阻抗的影响较大。5) 可能与系统阻抗发生串并联谐振。PF可能与系统阻抗发生串联或并联谐振，从而使装置无法运行，使该次谐波分量放大，使电网供电质量下降。6) 随着电源侧谐波源的增加，可能会引起滤波器的过载，电网中的某次谐波电压可能在LC网络中产生很大的谐波电流。二、采用有源滤波器APF(Active Power Filter)。APF的基本工作原理是将系统中所含有害
24、电流(电压)检出，并产生与其相反的补偿电流(电压)，以抵消输电线路中的有害电流(电压)。与PF相比，APF具有以下一些优点:1) 滤波性能不受系统阻抗的影响。2) 不会与系统阻抗发生串联或并联谐振，系统结构的变化不会影响治理效果。3) 原理上比PF更为优越，用一台装置就能完成各次谐波的治理。4) 实现了动态治理，能够迅速响应谐波的频率和大小发生的变化。5) 由于装置本身能完成输出限制，因此即使谐波含量增大也不会过载。6) 具备多种补偿功能，可以对无功功率和负序进行补偿。7) 谐波补偿特性不受电网频率变化的影响。8) 可以对多个谐波源进行集中治理。随着大功率快速自关断器件的不断发展，基于瞬时无功
25、功率理论的谐波检测方法的不断完善，以及微机控制技术和数字信号处理技术的不断进步，有源滤波技术己得到极大的发展，成为提高电能质量的有效工具6-7。1.4 有源电力滤波器国内外发展现状有源电力滤波器的发展最早可以追溯到二十世纪六十年代末。1969年B.M.Bird和J.F.Marsh发表的论文中8，描述了通过向交流电网注入三次谐波电流来减少电源电流中的谐波成分，从而改善电源电流波形的新方法。在该文中虽然没有出现“有源电力滤波器”一词，但其描述的方法是有源电力滤波器基本思想的萌芽。1971年，H.Sasaki和T.Machida发表的论文中9，首次完整地描述了有源电力滤波器的基本原理。但由于当时是采
26、用线性放大的方法产生补偿电流，其损耗大，成本高，因而仅在实验室中研究，未能在工业中实用起来。1976年，L.Gyugyi等人提出了采用大功率晶体管PWM控制变换器构成的有源电力滤波器10，并正式确立了有源电力滤波器的概念，确立了有源电力滤波器主电路的基本拓扑结构和控制方法。从原理上看，PWM变流器是一种理想的补偿电流发生电路，但是由于当时电力电子技术的发展水平还不高，全控型器件功率小、频率低，有源电力滤波器仍然局限于实验研究。进入80年代，随着电力电子技术以及PWM控制技术的发展，对有源电力滤波器的研究逐渐活跃起来，成为电力电子技术领域的研究热点之一。国外有源电力滤波器的研究以日本为代表，已进
27、入大量实用化阶段。由于日本社会的电气化进程早，一直受电网谐波问题的困扰，有源电力滤波器的研究在日本受到了相当的重视，因此从七十年代有源电力滤波器的思想产生以来，日本就投入了相当多的人力物力进行了深入的研究，现在有源电力滤波系统实际应用在日本及欧美国家越来越多。1983年，日本学者Akagi.H提出“三相电路瞬时无功功率理论11”，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法12在有源电力滤波器中得到了成功的应用，极大地促进了有源电力滤波器的发展，使得七十年代提出的有源电力滤波器走出了实验室。此后这一理论不断完善，在此基础上有源电力滤波器的研究十年间有了长足的进展。Akagi.H在1986年提出用并联
28、有源电力滤波器消除谐波13。有源电力滤波器在这种装置中相当于一个谐波电流发生器，它跟踪负载电流中的谐波分量，产生与之相反的谐波电流，从而抵消了线路中的谐波电流，使电源电流为正弦波，通过不同的控制，还可以对谐波、无功、不平衡等分量补偿，因此功能多，联结也方便，但该方法也存在诸多缺点。1987年，M.Takeda等人提出了用并联有源电力滤波器和并联无源滤波器相结合的混合型有源电力滤波器方案。在这种电路中，有源电力滤波器仍起谐波补偿的作用，无源滤波器分担大部分谐波，因此有源电力滤波器容量很小，但这种有源电力滤波系统在使用时，电源与有源电力滤波器及无源滤波器之间存在谐波通道。F.Z.Peng等人在19
29、88年提出将串联有源电力滤波器加并联无源滤波器的结构14，在这种方案中，有源电力滤波器对谐波呈现高阻抗，而对基波电流呈现低阻抗。因此有源电力滤波器相当于一个电源和负载之间的谐波隔离装置，电网的谐波电压不会加在负载和无源滤波器上，而负载的谐波电流也不会流入电网。1994年，H.Akagi等人提出了一种综合了串联有源电力滤波器和并联有源电力滤波器的综合有源滤波器15。其目的是在电网与公共连接点之间提供一个电压和电流净化装置，消除用户对电网的谐波污染，同时保证用户得到正弦供电电压。串联有源电力滤波器将电源和负载及无源滤波器隔离，使负载谐波电流流入无源滤波器，同时阻止电源谐波电压流入负载端。并联有源电
30、力滤波器提供一个零阻抗的谐波支路，使得负载中的谐波电流不会在无源滤波器上产生谐波电压。该方案从拓扑上实现了两种方法的综合。这种方式也称为统一电能质量调节器(UPQC)1617，目前还处于试验阶段。这种有源电力滤波器兼有串、并联有源电力滤波器的功能，可解决配电系统发生的绝大多数电能质量问题，具有较高的性价比，是今后值得推广的一种装置。近几年来，国外学者己经将有源电力滤波器实际应用于从系统端与用户端同时抑制和消除供电系统的谐波，从整体上改善电力系统的供电质量。我国对谐波问题的研究起步较晚，吴竟昌等人1988年出版的电力系统谐波一书是我国有关谐波问题较有影响的著作。此外，唐统一等人和容健纲等人分别独
31、立翻译了J.Arrillaga等的电力系统谐波一书，也在国内有较大的影响。在有源电力滤波器方面，我国的研究同样起步较晚，直到1989年才见到这方面研究的文章18,1993，年才见到试验性的工业应用实验19，国内的研究基本处在理论及实验室阶段。近几年进行这方面研究的单位在逐渐增加，主要集中在一些高等院校和少数研究机构。从发表的文章看，以理论研究和实验为主，这些研究有的已达到或接近国际先进水平。西安交通大学的王兆安等人，对谐波及无功电流的实时检测方法进行了一定的研究，以瞬时功率理论为基础提出了谐波检测算法20，对基于DSP芯片的单相综合有源电力滤波系统的数字控制系统的实现进行了研究21。浙江大学的
32、钱照明等都做了一些很有意义的研究22。华中科技大学的陈乔夫等人提出了基于基波磁通补偿的串联型有源电力滤波器，向串联变压器付方注入基波补偿电流，使串联变压器对电网基波电流呈低阻抗，对谐波电流呈高阻抗，从而抑制谐波23。目前有源电力滤波器在我国的实际应用并不多，与国外相比仍有很大差距，这与我国目前谐波污染日益严重的状况很不适应。相信随着我国电能质量治理工作的深入开展和国内对谐波问题重视程度的提高，利用APF进行谐波治理将会具有巨大的市场应用潜力，有源滤波技术必将在我国逐渐得到广泛的应用。由近年来的国内外研究和应用中可以看出有源电力滤波器的发展。从经济上考虑，可以采用APF与LC无源滤波器并联使用的
33、混合型有源滤波系统，以减小APF的容量，达到降低成本、提高效率的目的。随着半导体器件制造水平的迅速发展，尤其是IGBT的广泛应用，混合型有源滤波系统低成本的优势将逐渐消失，而串并联APF由于其功能强大、性价比高，将是一种很有发展前途的有源滤波装置。在装置技术上主要需要解决如下问题：提高补偿容量，降低成本和损耗，进一步改善补偿性能，多功能化，有源装置小型化等。在有源电力滤波器的应用方面主要应解决：最优配置，针对不同谐波源的相应对策，有源电力滤波器的相互干扰，有源电力滤波器对电网上已装设的LC滤波器的影响，有源和无源滤波器结合方式的研究。同时，通过采用PWM调制和可提高开关器件等效开关频率的多重化
34、技术，实现对高次谐波的有效补偿。1.5 APF的检测与控制算法对三相APF已经有了公认的基于瞬时无功功率理论的谐波检测和控制方法该方法最大优点是无延时检测瞬时性好在检测三相电路谐波及无功电流中得到成功的应用但该方法也存在使用乘法器多变换电路复杂计算量大调整困难等缺陷当检测精度要求较高时难于保证此外该方法不能直接用于单相系统的谐波检测对单相APF尽管有许多谐波检测和控制方法但都存在 一些问题无法满足实际要求迄今还没有公认成熟的谐波电流检测方法鉴于此有必要找到性能更好的单相谐波电流检测方法进而构造出新的APF。从APF的发展历程中可以看到，谐波检测方法的进步在推动APF一步步走出实验室的过程中发挥
35、了关键作用。最值得一提的是由日本学者赤木泰文(H.Akagi)提出的三相电路瞬时无功功率理论。该理论的提出以及随后发展的谐波检测技术最终使得APF真正意义上得到了工程推广。谐波电流检测算法中经过计算得到的指令信号，还不能直接控制逆变器，需要转化为脉宽指令，这些指令作为逆变器中各开关器件的通断控制信号，控制的结果保证补偿电流实时跟踪其指令电流的变化，脉宽指令的产生过程称为脉宽调制(PWM)。PWM可逆变流器以其优越的性能广泛地应用于功率因数补偿、电能回馈、有源滤波等电力电子领域，越来越受到学术界的关注。德国学者H.W.Vander Brock等人提出的基于电压空间矢量脉宽调制技术，不仅使得电机转
36、矩脉动降低、电流波形畸变减小，而且与SPWM技术相比，直流电压利用率有很大提高，并易于数字化实现2425。电压空间矢量脉宽调制技术在交流传动领域已经得到广泛的应用。1.6 本文主要内容与章节安排本文主要介绍了有源电力滤波器的拓扑结构结构及其运行原理，同时在第三章中阐述了有源滤波器的一种谐波检测方法基于瞬时无功理论的谐波电流检测发，最后在第四章中提出了空间电压矢量控制方法并且进行了仿真实验给出仿真波形。第2章 注入式混合有源电力滤波器随着电力电子装置的广泛应用，电力系统的谐波污染日益严重。传统的滤波方法是采用基于谐振原理的无源滤波器，但这样只能滤除设定次数的谐波，且易与电网产生串、并联谐振。有源
37、滤波器能动态治理谐波，故成为谐波治理的主要方向26。有源滤波器能克服无源滤波器的缺陷，是极具有发展潜力的谐波补偿方法。本章简述了基于电路理论的简单滤波原理，并且提出了注入式混合有源并联电力滤波器的拓扑结构及其原理 ，最后综合和分析了有源电力滤波器的补偿特性。2.1 滤波器的基础理论滤波器的基本滤波原理实际上都是基于简单的电路原理，基本的滤波原理只有分压原理和分流原理两种。用于降低谐波电压的滤波器采用的是分压原理，用于减小谐波电流的滤波器采用的是分流原理。分压原理采用的是串联阻抗分压方式。基本的分压电路如图2-1所示，期中Z2为分压电阻，Z2的阻值越大Z1所承受的电压U1将会越小。若U为谐波电压
38、，为了减小加在阻抗为Zl的负载或者电网支路上的谐波电压，可以在该负载或电网支路中串联一个谐波阻抗，以起到分压的作用。其中，当开关位于1处时U=U1，当开关位于2处时U1=U-Z2I。图2-1 串联阻抗分压电路串联型APF采用了分压原理，串联型APF能很好地对谐波电压源进行治理。当然，实际的谐波电压源并不是理想的谐波电压源，比如直流侧电容滤波的整流桥，其直流电容不可能无穷大，因此其它形式的滤波器对谐波电压源也或多或少有一定的治理能力，只不过其滤波特性受谐波源内阻影响很大，效果不如串联型APF好。分流原理可采用串联分流方式和并联分流方式两种方法实现。图2-2为基本分流电路，其中I1和I2分别为主支
39、路和分流之路电流，Z1和Z2分别为主支路和分流支路阻抗。由图2-2（1）所示可知方程为：当开关S位于1时 当开关S位于2时 。可见，可以通过增大主支路阻抗Z1和减小分流支路阻抗Z2来减小流入主支路的电流I1 。同理，并联阻抗分流方式如图2-2（2）所示，并联阻抗分流通过并联一个支路电阻来减小流入主电路的电流。在现有的滤波器中，单独安装的PPF、单独使用的并联型APF、并联APF+并联PPF的混合型APF、注入型APF以及多变流器形式的并联型APF，都采用了基于并联阻抗方式的分流原理。其中，并联APF+并联PPF的混合型APF有两条起并联阻抗作用的支路。图2-2分流滤波原理 由于大多数的变电站和
40、工矿企业配电网都需要在滤除谐波的同时进行大容量的无功补偿,因此将PPF 和APF 相结合构成的混合型有源电力滤波器(Hybrid Active Power Filter :HAPF) 综合了前两种滤波器的优点,可使整个系统获得良好的性能26-29。但许多的混合形式中,并联APF + 并联PPF 形式的有源部分仍要承受基波电压,容量需很大; 串联APF + 并联PPF 形式的连接变压器流过负载基波电流,有源部分的绝缘和维护比较困难;并联谐振注入型APF 不具备无功补偿能力;串联谐振注入型APF 若要同时获得较好的谐波补偿性能和较小的有源部分容量比较困难;APF 与PPF 串联后再并联接入电网的形
41、式虽然绝缘和维护比较方便,但不满足大容量无功补偿的要求。并联谐振混合注入式HSHIAPF有源滤波器是一种适应高压大容量环境、兼顾谐波抑制和无功补偿、投资成本较小的综合治理系统。2.2 注入式有源电力滤波器的结构及原理2.2.1 主电路结构本章提出了一种大功率并联混合注入式有源电力滤波器HSHIAPF(High-cacity shunt hybrid injection type active power filter)，其结构如图2.3所示。HSHIAPF 以三相桥式电压型逆变器(VSI) 作为主要的有源部分,采用基于IGBT 模块的PWM 逆变器,直流端为一大电容,输出端接有输出滤波器滤除开
42、关器件通断造成的高频毛刺。30基波串联谐振注入支路由电容C1 电感L1 和电容CZ 构成,整体作为一条2 次无源滤波支路,其中C1 和L1 构成基波串联谐振电路。C1L1 电路在基波频率处发生串联谐振,阻抗很小,使得逆变器只需承受很小的基波电压,有效服了有源滤波器的容量限制,降低了系统成本;对于高于基波频率的谐波分量, C1L1 网络阻抗随频率的增高迅速增大,有源部分产生的谐波电流绝大部分将流入注入支路, C1L1 网络对有源部分的谐波输出影响较小。系统利用无源部分在基频时呈容性的特点补偿所需的无功功率;有源部分和无源部分共同抑制负载谐波。并联混合注入式结构的采用,使得系统兼具较大容量的无功补
43、偿和谐波抑制能力以及较小的逆变器容量,从而使得逆变器主电路避免采用多重化结构或开关器件的串并联,大大减少了实际工程造价,有效提高了性价比。 图中，US为电网电压，ZS为电网阻抗，iS为电网电流，iL为负载电流，iZ为流入注入支路的电流，ic为HSHIAPF有源部分的输出电流，iR为流入基波串联谐振电路的电流，ip11、ip13分别为流入11次、13次无源支路的电流。从图2.3可以看出，在结构上，整个HSHIAPF与电网并联运行，由无源部分和有源部分构成:以电压型逆变器VSI(voltage Source Inverter)为核心组成有源部分，以两组单调谐无源支路和一条基波串联谐振注入支路作为其
44、无源部分。其中，VSI为基于自关断器件的脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)逆变器，L0和C0为输出电感和输出电容，C代表直流侧大电容。VSI通过耦合变压器与由L1、C1构成的基波串联谐振电路。FSRC(Fundamental series Resonance Circuit)并联再与注入支路串连后接入电网。利用L1、C1在基频处发生串联谐振时阻抗很小的特点，将电网基波电压主要加在注入电容CZ上，而VSI部分只承受很小的谐波电压，这样可以有效降低有源逆变器的容量，从而大大降低系统成本;而对于高于基波频率的谐波分量，L1C1网络阻抗随着频率的增高而迅速增大，CZ的阻抗随
45、着频率的增高而迅速减小，因此有源部分产生的谐波电流绝大部分将流入注入电路，FSRC对有源部分的谐波输出影响较小。L0和C0构成输出滤波器，用于滤除逆变器输出脉冲中的高频谐波成分。 图2-3 并联混合注入式有源电力滤波器HSHIAPF主电路结构2.2.2 HSHIAPF工作原理分析大功率并联混合注入式有源电力滤波器HSHIAPF的工作原理进行分析，画出HSHIAPF的单相等效电路如图2-4(a)所示。图中，US表示系统电源电压，谐波源是一个非线性负载ZL，在只考虑谐波分量时被看作一个谐波电流源iLh，在只考虑基波分量时就是谐波源的基波阻抗ZLf。图中的iS、iP、iR、iZ、iF;分别为电网支路
46、电流、并联无源支路电流、基波串联谐振支路电流、注入支路电流和HSHIAPF总的补偿电流；zS、zP、zZ、zR;分别表示电网阻抗、并联无源支路阻抗、注入支路阻抗、基波串联谐振支路阻抗。图2-4(a) HSHIAPF的单相等效电路HSHIAPF 的有源部分(包括电压型逆变器VSI、输出滤波器和耦合变压器) 被控制为一个理想的受控电压源UC,谐波源是一个非线性负载ZL ,在只考虑谐波分量时被看作一个谐波电流源iLh 。图2 -4(b)为只考虑电网谐波电流分量时的单相等效电路图,ZS 、ZZ 、ZR 、ZP 分别为电网阻抗、注入电容CZ 的阻抗、C1 和L1 的串联阻抗、5和7 次滤波支路总的等效阻
47、抗。由KCL 和KVL 可得： . .(2-1)将逆变器输出电压控制为: uc=Kish。式中, iSh为电网谐波电流, K 为控制放大倍数。图2-4（b）只考虑谐波作用的单相等效电路图2-4（c）不考虑电源电压畸变的单相等效电路由（1）式可知：(2-2)令Z= 代入上式得到： .(2-3)当K趋于无穷大时，混合有源电力滤波器可达到理想滤波性能：Ish=0.(2-4)UTh=Ush .(2-5)UC=ZFILh+Ush (2-6)从式(3) 可以看出,当iLh 、uSh为定值时,如果K增大, iSh将减小,这表明HSHIAPF 对负载谐波源iLh的治理效果会越来越好。当不考虑系统电压畸变引起的
48、谐波电流时(即uSh = 0) ,从式(3) 还可以看出,对于iSh而言,图2 (a) 和图2 (c) 是等效的,相当于在电网支路中串接了一个谐波阻抗K ,当K 逐步增大时,更多的谐波电流将流入并联阻抗Zz 支路。此外,谐波阻抗K 还起到阻尼 和zz并联谐振的作用。有源滤波器迫使负载产生的谐波电流几乎全部流入无源滤波器，提高了无源滤波器的滤波效果。此时有源滤波器的输出补偿电压为所有负载谐波电流流过无源滤波器时产生的电压。对于电网电压中的畸变电压，有源滤波器产生与其相同的谐波补偿电压，以抑制电网中的谐波电流。同时，有源滤波器还可以起到阻尼系统串、并联谐振的作用。实际的系统中，由于稳定性的制约，K不能取值过大，因而滤波效果受到一定限制。在所讨论的混合有源滤波器中，有源部分并不直接对谐波电流进行补偿，而是通过补偿电压UC的作用，提高了无源滤波
