混合型有源電力濾波器諧波檢測及部分參數(shù)設(shè)計的研究

混合型有源電力濾波器諧波檢測及部分參數(shù)設(shè)計的研究 要 電力電子技術(shù)在給人類帶來方便、高效和巨大利益的同時，它的諧波、非線性、沖擊性和不平衡用電的特性也給電網(wǎng)的供電質(zhì)量帶來嚴(yán)重的污染，向電網(wǎng)注入了大量的諧波和無功功率。大量的諧波會給電網(wǎng)帶來一系列的問題，如繼電保護和自動裝置誤動作等等，而無功功率會增加線路的發(fā)熱損耗，同時也會增加發(fā)電機和變壓器的容量等。傳統(tǒng)的諧波抑制和無功功率補償均采用無源電力濾波技術(shù)，但是無源電力濾波器 在有先天性的不足，已不能滿足用戶對電能質(zhì)量的要求。這時有源電力濾波器 運而生，有源電力濾波器在治理諧波電流和補償無功功率時具有很好的實時性和動態(tài)性，能根據(jù)諧波和無功的變化而變化，但是其容量有限。雖然無源電力濾波器不具實時性和動態(tài)性的特點，但具有容量大的優(yōu)點。所以由有源電力濾波器和無源電力濾波器而結(jié)合的混合型有源電力濾波器 失為一種最佳選擇?；旌闲陀性措娏V波器作為一種既能動態(tài)抑制諧波又能補償一定的無功功率的裝置日益成為研究的熱點。 混合型有源電力濾波器的研制有三個關(guān)鍵點，一是諧波電流的檢測；二是輸出補償電流的控制；三是各個部分參數(shù)的設(shè)計，這也是研究混合型有源電力濾波器的重點。 為了快速、 有效的檢測出由非線性負載產(chǎn)生的諧波， 文章采用基于 基于瞬時無功功率理論的 諧波檢測法相比較， 沒有復(fù)雜的 變換，可以更快速地用于單相、三相三線制及三相四線制的基波和諧波電流的實時檢測；為了提高控制精度以及增強控制系統(tǒng)的魯棒性，補償電流控制采用的是比較成熟的空間矢量電壓控制策略；在設(shè)計混合型有源電力濾波器時，對各個部分設(shè)計的原則進行了詳細的論述。最后根據(jù)所采用的檢測方法、控制策略以及根據(jù)相應(yīng)的原則進行參數(shù)設(shè)計在 建立了仿真模型，仿真結(jié)果表明該檢測方法的正確性、控制策略的有效性以及設(shè)計的可行性。 關(guān)鍵詞：混合型有源電力濾波器；諧波檢測； ；空間矢量電壓控制；參數(shù)設(shè)計； 真 碩士學(xué)位論文 to at to of of a of A of a of as of of is it t of of At is by t is is a of is a as a is a in of of of of of of of of In to by a on BD in to on BD no it be to In to of is is to is of in At to of of 合型有源電力濾波器諧波檢測及部分參數(shù)設(shè)計的研究 碩士學(xué)位論文 V 目 錄 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 . I摘 要 . . 1 章 緒 論 .波的定義、產(chǎn)生以及危害 .功功率的定義、產(chǎn)生以及危害 .波和無功問題的解決 .源電力濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀 .文的主要工作 . 2 章 拓撲結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型 .源電力濾波器 . 無源電力濾波器的工作原理 . 11源電力濾波器 . 有源電力濾波器的分類 . 有源電力濾波器的濾波原理 .聯(lián)混合型有源電力濾波器 . 并聯(lián)混合型有源電力濾波器的數(shù)學(xué)模型 .章小結(jié) . 3 章 諧波電流檢測的方法 .述 .波和無功電流檢測 . 基于傅里葉變換的檢測方法 . 基于瞬時無功功率理論的 檢測方法 . 基于 的諧波和基波無功電流檢測 .章小結(jié) . 4 章 控制方式 .償電流控制 . 電流跟蹤控制 . 電壓控制 .流側(cè)電壓控制 .章小結(jié) . 5 章 數(shù)的設(shè)計 .合型有源電力濾波器諧波檢測及部分參數(shù)設(shè)計的研究 源部分的設(shè)計 . 單調(diào)諧濾波器的設(shè)計 . 高通濾波器的設(shè)計 .源部分的設(shè)計 . 系統(tǒng)工作原理 . 支路參數(shù)設(shè)計 .流側(cè)電容及電壓的選取 . 直流側(cè)電容的確定 . 直流側(cè)電壓的確定 .流側(cè)輸出濾波器的設(shè)計 .真分析 . 仿真結(jié)果 .結(jié)與展望 .考文獻 . 謝 .錄 A 攻讀學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄 .士學(xué)位論文 1 第 1 章 緒 論 隨著社會文明和科學(xué)技術(shù)不斷的向前推進，工業(yè)生產(chǎn)以及人類生活對電能的要求越來越苛刻。電能作為二次能源，其應(yīng)用程度也是最為廣泛的，同時也是衡量一個國家經(jīng)濟、政治實力的重要標(biāo)準(zhǔn)。科學(xué)技術(shù)水平的提高、工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)達以及社會文明的進步與對電能質(zhì)量的要求的提高是密切相關(guān)的。 電能質(zhì)量的改善，將會帶來一系列的好處，如增強了用電效率、改善了環(huán)境等。一方面，隨著現(xiàn)代工業(yè)文明的不斷向前邁進，致使電網(wǎng)系統(tǒng)中非線性負荷大量增加，各種非線性和時變性電力電子裝置如大規(guī)模使用的整流器、鋼鐵工業(yè)所使用的電弧爐、電氣化鐵路等以及各種開關(guān)電源大規(guī)模地投入使用，其負面效應(yīng)也逐漸顯現(xiàn)出來。電力電子裝置的大規(guī)模應(yīng)用，由于其非線性的特性，它們的使用致使大量的諧波、無功以及負序電流注入到了電網(wǎng)系統(tǒng)，導(dǎo)致了電網(wǎng)中的電壓和電流嚴(yán)重畸變，有時甚至發(fā)生電壓閃1；而另一方面，計算機以及各種精密儀器的普遍使用，這些用電設(shè)備對電能的變化越加敏感，例如芯片制造儀器、奶粉生產(chǎn)車間等，如果供電突然中斷或電能質(zhì)量不高將會造成不可估計的損失。根據(jù)相關(guān)資料，僅僅在歐洲每年因供電質(zhì)量不高引起的經(jīng)濟損失就多達 1500 億美元，而我國的供電質(zhì)量仍然低于發(fā)達國家，其造成的經(jīng)濟損失更是巨大的。供電質(zhì)量關(guān)系到國家的各個層面，如何保證所供電能安全、穩(wěn)定以及高效，已成為現(xiàn)實迫切需要解決的重要課題。并聯(lián)混合型有源電力濾波器作為一種抑制諧波污染、補償無功功率以及穩(wěn)定電壓平衡等的有效裝置，隨著深入的研究，它將在改善電能質(zhì)量方面發(fā)揮重要的作用，現(xiàn)已成為研究的熱點之一。 波的定義、產(chǎn)生以及危害 諧波的定義有多種，其中主要有兩種標(biāo)準(zhǔn)，一個是電氣與電子工程協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)23；一個是國際電工標(biāo)準(zhǔn)4，它們分別是：諧波為一個周期波或量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍；諧波分量為周期量的傅里葉級數(shù)中大于 1 的 h 次分量。 在電網(wǎng)系統(tǒng)中，一般希望供電電壓和供電電流為工頻正弦波，只含基波分量不含諧波成分，即正弦電壓可表示為： )( += （ 式中： U 是電壓的有效值； 是電壓初相角； 混合型有源電力濾波器諧波檢測及部分參數(shù)設(shè)計的研究 2 是電壓角頻率。 當(dāng)工頻正弦電壓施加在電阻、電感、電容等線性負荷上時，其供電電壓和供電電流都為正弦基波并且頻率相同，電壓和電流成比例、積分和微分關(guān)系。當(dāng)工頻正弦電壓施加在非線性負荷上時，此時的電流呈現(xiàn)為非正弦周期波，其不但含有工頻基波分量還含有諧波成分。諧波電流分量作用在電網(wǎng)阻抗上，將產(chǎn)生諧波電壓，諧波電壓會污染電網(wǎng)電壓，致使工頻基波電壓含有諧波電壓成分。滿足狄利克雷條件的非正弦周期電壓 )( ，按傅立葉級數(shù)進行分解可以得到： =+=10)( （ 式中： =200)()(21 （ =20)(1 =20)(1 假設(shè)取，則可得到： 22= （ ) （ 所以式（ 以寫成為： =+=10)( （ 式（ 非正弦周期電壓除了基波分量也即是 n=1 時所含的量，其余都為諧波分量。其中諧波的次數(shù) 是諧波頻率與工頻頻率的比 值。諧波電壓總畸變率常用來表示諧波電壓分量對基波電壓的影響，其定義為： %1001= 其中 =22 （ 式中： 次數(shù)為 n 諧波電壓有效值； 1U 是基波電壓有效值。 碩士學(xué)位論文 3 同理，由上述諧波電壓總畸變率的定義，諧波電流的總畸變率定義為： %1001= =22 （ 通常來說電網(wǎng)系統(tǒng)中的諧波主要來源于三個方面：一是發(fā)電質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波，發(fā)電機通常采用的是三相繞組，而三相繞組通常很難做到絕對對稱，其次是鐵心，由于工藝水平的限制，其鐵心也不可能做到完全對稱，發(fā)電時不可避免的產(chǎn)生諧波成分，不過在一般情況下來說極少；二是變壓器產(chǎn)生的諧波，這是因為變壓器的鐵心工作在非飽和時是線性的，而一旦工作在飽和狀態(tài)時，其線性特性將會發(fā)生變化，使得磁化電流變?yōu)榧忭敳ǘ钦也?，將會產(chǎn)生諧波成分；三是用電負荷產(chǎn)生的諧波，用電負荷也是最主要的諧波來源。尤其是工業(yè)中大規(guī)模投入使用的整流裝置，由其造成的諧波成分占電網(wǎng)系統(tǒng)總諧波的 40%左右。 由諧波成分的存在對電網(wǎng)系統(tǒng)以及其他用電設(shè)備帶來的不良影響可以概括為以下幾個方面5： （ 1）諧波的存在降低了發(fā)電、輸電以及用電設(shè)備的效率，同時也會使元器件產(chǎn)生附加的熱損耗。由對稱關(guān)系，三次諧波電流能流過中性線，可能使中性線過熱甚至引起火災(zāi)。與此同時，由于鄰近關(guān)系、渦流以及集膚效應(yīng)的影響，諧波還會增加旋轉(zhuǎn)電機和變壓器的損耗。 （ 2）由于電網(wǎng)系統(tǒng)本身存在有阻抗，所以諧波可能引起電網(wǎng)系統(tǒng)自身阻抗與無源電力濾波器或并聯(lián)電容器發(fā)生諧振，導(dǎo)致諧波放大，危及供電安全。 （ 3） 諧波中的高頻分量會導(dǎo)致用電設(shè)備引起渦流現(xiàn)象， 產(chǎn)生不必要的熱損耗。由于熱損耗的存在，可能引起設(shè)備的過熱，縮短設(shè)備使用年限。 （ 4）如果輸電線路附近存在有通信系統(tǒng)，大量的高頻諧波分量會影響其正常工作，降低了其通信質(zhì)量，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致傳輸信息丟失。 （ 5）諧波也可能會導(dǎo)致電氣測量儀器計量不準(zhǔn)確，致使繼電器以及自動保護裝置誤動作。 基于以上由于諧波存在所帶來的危害，電網(wǎng)系統(tǒng)中的諧波存在所引起的供電質(zhì)量問題越來越受到世界各國的重視。國內(nèi)和國外上召開了多次關(guān)于解決諧波問題的學(xué)術(shù)會議，與此同時，許多限制諧波的標(biāo)準(zhǔn)也得到了制定。于 1993 年我國也制定相應(yīng)的國家諧波標(biāo)準(zhǔn) 145493電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波6。這些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定的制定， 對我國電網(wǎng)系統(tǒng)存在的諧波問題的解決起到了很大的推動作用。 功功率的定義、產(chǎn)生以及危害 無功功率是相對有功功率而言的，是由于電網(wǎng)中的基波電壓和基波電流的相混合型有源電力濾波器諧波檢測及部分參數(shù)設(shè)計的研究 4 位差而造成的，而造成基波電壓和基波電流的相位差是因為工業(yè)負荷不是純電阻性負荷導(dǎo)致的。無功又分為容性無功和感性無功，由于工業(yè)所用負荷一般呈感性，所以需要給電網(wǎng)提供容性無功以抵消感性無功。 以單相電路為例，現(xiàn)假設(shè)供電電壓和負載電流均為不含有諧波分量的工頻正弦波，分別表示如下： +=)(（ 式中： U 為電壓有效值； 為工頻角頻率； I 為電流有效值； 有功電流； 無功電流； 為電流滯后電壓的相角。 根據(jù)有功功率的定義，負荷消耗的有功功率 ，即是： )21)()21)()()(2120202020+=+=（ 式（ 的第一個積分項有功分量總為正值，并且是一個定值，是電阻所消耗的功率；而第二個積分項以角頻率 2 隨時間做正弦變化的量，一個工頻周期內(nèi)的平均值為 0，而瞬時值不為 0。這一分量的存在表明電網(wǎng)和負載之間有周期性的能量流動，其幅值定義為無功功率，即是： （ 同時，視在功率 S 和功率因子 定義為： （ 上述的無功功率是在工頻正弦電路情況下所定義的，但是在電路含有諧波成分的情況下，至今沒有廣泛接受的科學(xué)定義8。實際工程應(yīng)用較多的是以下兩種定義： 碩士學(xué)位論文 5 定義（ 1）為： 22= （ 定義（ 2）為： =1 （ 對于定義（ 2） ，我們可以進一步引入畸變功率 D，即： 2222= （ 式中 在實際的電網(wǎng)中，電壓的畸變一般很小，電流畸變較大。所以在考慮畸變功率 流為非正弦波進行研究。現(xiàn)假設(shè)工頻正弦電壓的有效值為 U ，畸變電流的有效值為基波電流有效值和相角差分別為1I 和1 ， 根據(jù)定義（ 2）可得到： 11 （ =+=222212222 （ 11 （ =22222 （ 式（ ， 要注意的是由于基波電壓與諧波電流是正交關(guān)系，因此基波電壓和諧波電流作用不產(chǎn)生有功分量，而只會產(chǎn)生無功分量。此時的功率因子可表示為： 11111= 式（ 的 稱為基波因子。上述所定義中的總電流 I 含有三個分量，即是基波有功電流、基波無功電流以及諧波電流8。這種定義在實際工程上得到了廣泛應(yīng)用。 電網(wǎng)系統(tǒng)中，產(chǎn)生無功功率的設(shè)備主要是工業(yè)中所使用的阻感負載。如異步電動機、整流裝置、變壓器和電弧爐等。其中電網(wǎng)系統(tǒng)中的輸電線路和電抗器也會消耗一定的無功功率， 而異步電動機和變壓器所消耗的無功功率所占比例最大。同時電力電子裝置也會消耗無功功率，例如相控交流功率調(diào)整電路和相控整流電路等，同時這些裝置也會產(chǎn)生大量的諧波9。電網(wǎng)中的無功功率對電力系統(tǒng)的影響主要體現(xiàn)在以下三個方面10：（1） 增加用電設(shè)備容量。 這是因為視在功率是由有功功率和無功功率組成的，混合型有源電力濾波器諧波檢測及部分參數(shù)設(shè)計的研究 6 如果所需要的有功功率一定時，無功功率的增加會增加視在功率，視在功率的增加將會直接導(dǎo)致發(fā)輸電設(shè)備容量的增大。與此同時，電網(wǎng)系統(tǒng)中各種開關(guān)儀表以及繼電保護裝置等的容量也會增大，這樣將會帶來不必要的經(jīng)濟損失。 （ 2）線路及設(shè)備熱損耗增加。無功功率的增大，將會導(dǎo)致無功電流的增大，無功電流的增大必然會使流過線路和設(shè)備的總電流增大，由于輸電線路和設(shè)備存在有微小電阻，所以必然會導(dǎo)致線路和設(shè)備的熱損耗增大。假設(shè)線路的總電流為+=電阻為 R，則線路的熱損耗 表示為： 22222)(+=+= （ 式中， （ 3） 輸電線路以及變壓器的電壓降增大。 當(dāng)有沖擊性的無功負荷投入使用時，有可能引起電壓閃變現(xiàn)象，嚴(yán)重影響電能質(zhì)量。 波和無功問題的解決 諧波問題的解決方法通?？煞譃轭A(yù)防性的和補救性兩類11。 預(yù)防性的解決方法是指抑制諧波的產(chǎn)生和避免其所引起的后果而采取的措施，包括： （ 1）諧波控制或變流器中的相位相互抵消 。如利用脈寬調(diào)制技術(shù)1215、多重化技術(shù)1618,設(shè)計出不產(chǎn)生諧波電流的 變流器，而這種方法主要適用于電力電子裝置。 （ 2）采取有效的方法和過程來控制、降低甚至消除諧波，而這些諧波主要是指由變壓器、電容器以及發(fā)電機引起的。 補救性的解決方法是相對預(yù)防性的方法而言的，它主要是指用來抑制已經(jīng)產(chǎn)生了的諧波所采取的措施，主要的措施包括： （ 1）電路解諧，改變補償電容器組的安裝位置和采用饋線重構(gòu)等措施來以避引起諧振。 （ 2）使用濾波器，濾波器可分為三種：無源電力濾波器 源電力濾波器 前兩者結(jié)合的混合型有源電力濾波器 由于采用預(yù)防性的措施成本過高，在實際使用中不夠現(xiàn)實，工業(yè)中一般采用補救性措施，采用補救性措施主要還是以安裝濾波器為主。 當(dāng)前廣泛應(yīng)用的還是采用無源電力濾波器來改善電能質(zhì)量，無源電力濾波器工作的原理是利用電感、電容組件的諧振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，吸收諧波電流，減少流向電網(wǎng)的諧波電流，由于無源電力濾波器相對基波電壓呈容性，所以同時還可以進行一定的無功功率補償。該方法成本低、技術(shù)成熟，碩士學(xué)位論文 7 但也存在以下一些不可忽視的不足19：首先，無源電力濾波器只能抑制若干個固定次數(shù)的諧波，對波動或快速變化的諧波無能為力。在某次諧波頻率處，如果條件具備，無源電力濾波器有可能和電網(wǎng)阻抗發(fā)生并聯(lián)或串聯(lián)諧振，不但不會減小諧波，反而使諧波放大；其次，無源電力濾波器只能提供固定的無功功率，而對于變化的無功功率卻不能有效補償；再次，濾波特性易受電網(wǎng)系統(tǒng)自身阻抗以及用電設(shè)備變化的影響，不能適應(yīng)系統(tǒng)頻率變化或運行方式改變的工況，并且體積較大，重量較重。 治理電網(wǎng)系統(tǒng)無功功率措施也是隨著技術(shù)的不斷發(fā)展而不斷變化的。傳統(tǒng)治理無功的措施主要是安裝并聯(lián)電容器組，并聯(lián)電容器組成本比較低，獲得了廣泛的使用，但只能補償固定的無功功率，在系統(tǒng)存在有諧波電流時，可能和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振，甚至導(dǎo)致電容器的燒毀20；后來發(fā)展的是安裝同步條相機，同步調(diào)相機作為一種既能補償固定無功和可變無功的補償裝置在早期得到了廣泛應(yīng)用，但由于其體積大、成本高的固有缺點，目前較少適用；其次安裝的是靜止無功補償器（ ，靜止無功補償器 要分為兩種，一是晶閘管控制電抗器+固定電容器，二是晶閘管控制電抗器+晶閘管投切電容器，由于晶閘管控制電抗器會產(chǎn)生大量的諧波，因此電容器一般設(shè)計成無源電力濾波器的形式來消除固定次數(shù)的諧波 2122；再后來發(fā)展起來的是安裝靜止無功發(fā)生器（ ，與其他三種補償裝置相比，靜止無功發(fā)生器則是一種更先進的無功功率補償裝置，是由三相橋式電壓源或電流源組成，不但能發(fā)出無功功率而且能吸收無功功率，且成本和體積都較小2325，得到了廣泛的應(yīng)用。 諧波治理和補償無功功率是一對緊密聯(lián)系的課題。產(chǎn)生諧波的裝置，通常情況也會消耗大量的無功功率，比如工業(yè)中所使用各種電力電子裝置。諧波治理裝置一般也會具有補償無功功率的能力。隨著電力電子技術(shù)以及智能控制技術(shù)的發(fā)展，諧波抑制和無功補償?shù)牧硪粋€重要措施是采用有源電力濾波器進行治理。有源電力濾波器的工作原理是檢測出電網(wǎng)中的諧波和無功電流，產(chǎn)生指令信號，使有源電力濾波器的主電路輸出與電網(wǎng)諧波和基波無功電流大小相等極性相反的補償電流，以此來抵消諧波和基波無功電流，達到電網(wǎng)只含基波有功電流的目的。與無源電力濾波器的被動抑制諧波不同，有源電力濾波器采取的是主動輸出補償電流來抑制諧波。并且具有快速的響應(yīng)特性和高度的可控性，其優(yōu)點可以體現(xiàn)在以下幾個方面26： （ 1）能實現(xiàn)動態(tài)補償，具有自適應(yīng)的功能，對各次諧波均能有效抑制，能實時跟蹤補償變化著的諧波，當(dāng)諧波頻率和大小發(fā)生變化時，也能快速的跟隨著變化，進行補償。 （ 2）具有能同時補償無功功率和抑制諧波的能力，在進行無功補償時不需要儲能組件，并且能對變化的無功功率進行連續(xù)調(diào)節(jié)。在抑制諧波時，所需要的儲混合型有源電力濾波器諧波檢測及部分參數(shù)設(shè)計的研究 8 能元器件的容量也并不大。 （ 3）受電網(wǎng)自身阻抗的影響不大，和電網(wǎng)阻抗發(fā)生并聯(lián)或串聯(lián)諧振的可能性較小。并且補償效果不受電網(wǎng)頻率的變化，同時電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化時也不會影響治理效果。 （ 4）可以同時補償靜態(tài)和動態(tài)無功功率、消除負序電流、調(diào)節(jié)和平衡三相不平衡電壓等。 （ 5）可以同時對多個諧波源進行集中治理。 源電力濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀 上個世紀(jì)六十年代末， 所發(fā)表的論文中首次提出了有源電力濾波器的思想，其主要闡述的內(nèi)容是向三相交流電網(wǎng)系統(tǒng)中注入極性相反的三次諧波電流以達到改善電網(wǎng)電流的目的27。雖然他們沒有提出有源電力濾波器的概念，但是其所描述的治理諧波的方法卻是被認(rèn)為是有源電力濾波器思想的誕生。 到了上世紀(jì)七十年代初，日本學(xué)者 論文中首次完整的描述了有源電力濾波器的工作原理，即是利用可控的功率半導(dǎo)體器件產(chǎn)生補償電流，其補償電流與電網(wǎng)系統(tǒng)的諧波電流極性相反、大小相等，彼此相互抵消，以使電網(wǎng)系統(tǒng)中的諧波電流為零，達到改善電能質(zhì)量的目的。限于當(dāng)時的技術(shù)水平，只是在實驗室中研究，未能在實際工業(yè)中應(yīng)用。 上個世紀(jì)七十年中期， 次提出了采用脈寬調(diào)制技術(shù)（ 術(shù)）控制的有源電力濾波器，確定了主電 路的基本拓撲結(jié)構(gòu)和控制方法，從原理上闡明了有源電力濾波器是一種理想的補償電流發(fā)生器，奠定了有源電力濾波器的基礎(chǔ)。但是當(dāng)時限制于電力電子技術(shù)發(fā)展水平，所提出的脈寬調(diào)制控制的有源電力濾波器并未投入到工業(yè)中使用。 進入上世紀(jì)八十年代，由日本學(xué)者赤木泰文等人提出了三相電路瞬時無功功率理論，為檢測三相電網(wǎng)系統(tǒng)中的諧波電流提供了理論基礎(chǔ)28。同時，可關(guān)斷晶閘管（ 、大功率晶體管（ 及絕緣柵雙極性晶閘管（ 這些大容量開關(guān)器件的研究得到了重大突破。并且脈寬調(diào)制技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)以及智能控制技術(shù)都日益成熟，為有源電力濾波器的工業(yè)實用化提供了基礎(chǔ)。 有源電力濾波器的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年，運行可靠、大容量的有源電力濾波器已經(jīng)在發(fā)達國家投入運行。根據(jù)相關(guān)文獻介紹，自上世紀(jì)八十年代以來，在日本就有多達 500臺有源電力濾波器投入工業(yè)使用， 容量范圍由 50 60補償無功功率、抑制諧波等方面，有源電力濾波器技術(shù)已經(jīng)比較成熟。在抑制電壓閃變、消除中性線電流、補償諧波電壓以及調(diào)節(jié)末端電壓等方面，有源電力濾波器也可以發(fā)揮其應(yīng)有的作用。 碩士學(xué)位論文 9 與國外廣泛應(yīng)用的有源電力濾波器相比，國內(nèi)對有源電力濾波器的工業(yè)化應(yīng)用還不夠成熟，尚處于研究試驗階段。在我國現(xiàn)階段，諧波污染問題相當(dāng)嚴(yán)重，而有源電力濾波器的發(fā)開也相對比較落后， 投入工業(yè)適用的有源電力濾波器很少。隨著我國對電能質(zhì)量問題的重視，相信有源電力濾波器會有嶄新的一頁。 文的主要工作 （ 1）參閱了國內(nèi)外大量相關(guān)文獻，對有源電力濾波器進行了分類，闡述了有源電力濾波器濾波原理和拓撲結(jié)構(gòu)。 （ 2）介紹了所研究的一種并聯(lián)混合型有源電力濾波器結(jié)構(gòu)，對其系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及補償原理進行了分析。 （ 3）簡要介紹了幾種諧波和無功檢測方法，對基于瞬時無功功率理論檢測方法進行了闡述。最后確定采用基于 檢測諧波和無功電流。 （ 4）研究補償電流控制方式，分析了幾種控制方式的優(yōu)缺點，最后確定采用空間矢量電壓控制方法。 （ 5）對有源電力濾波器的支路進行了分析了，推導(dǎo)各個支路參數(shù)的設(shè)計原則 （ 6）最后在 境下建立了相應(yīng)的仿真模型，檢驗所設(shè)計的并聯(lián)混合型有源電力濾波器諧波治理和無功補償性能。 混合型有源電力濾波器諧波檢測及部分參數(shù)設(shè)計的研究 10 第 2 章 拓撲結(jié)構(gòu)及其數(shù)學(xué)模型 隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，電網(wǎng)系統(tǒng)負荷越來越復(fù)雜，電網(wǎng)系統(tǒng)中的諧波容量也越來越大，并且時刻發(fā)生著變化。傳統(tǒng)的諧波治理和無功補償技術(shù)越來越不能滿足工業(yè)用電的要求，作為一種新的諧波治理和無功補償技術(shù)，有源電力濾波器的出現(xiàn)，為電網(wǎng)抑制諧波和無功補償提出一個新的思路。與無源電力濾波器相比，有源電力濾波器的優(yōu)點是顯而易見，既可以補償時變系統(tǒng)又可以補償時不變系統(tǒng)，具有高度的快速響應(yīng)性和可控性。 基于章節(jié)需求，本章主要以以下幾個方面介紹一種并聯(lián)混合型有源電力濾波器。 （1）闡述無源電力濾波器的工作原理。 （2）講述了有源電力濾波器的濾波原理并對其進行了分類。 （3） 介紹了文章所研究的并聯(lián)混合型有源電力濾波器的拓撲結(jié)構(gòu)以及對其建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。 源電力濾波器 無源電力濾波器也即是 波器，它是由濾波電容器、濾波電感器和電阻器組合而成的，與諧波電流源相并聯(lián)，由于在諧波頻率處濾波電容器和濾波電感器能發(fā)生串聯(lián)諧振，其阻抗相對諧波電流很小，所以可以起到吸收由諧波源產(chǎn)生的諧波電流的作用3031。同時，無源電力濾波器的阻抗相對基波電流很大，且呈現(xiàn)容性，因此無源電力濾波器不但能濾除特定次諧波還可以起到補償一定無功功率的作用。無源電力濾波器依據(jù)調(diào)諧頻率來分的話，可以分為單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、三調(diào)諧濾波器和 C 型濾波器等，它們的電路結(jié)構(gòu)如圖 示。 11 源電力濾波器的電路結(jié)構(gòu) 源電力濾波器的工作原理 無源電力濾波器是由電容、電感串聯(lián)組成的，用于濾除某一特定次數(shù)的諧波電流。它是利用串聯(lián) L、 C 的諧振原理，通過選擇合適的電容、電感參數(shù)以使濾波器在諧振頻率處呈現(xiàn)很小的諧波阻抗，為諧波電流提供一個遠低于電網(wǎng)阻抗的低阻抗通道，從而能防止諧波電流注入電網(wǎng)系統(tǒng)中而形成電網(wǎng)電壓電流污染。 以下以單調(diào)諧濾波器和高通濾波器為例，進行濾波原理分析。 （ 1）單調(diào)諧無源電力濾波器的工作原理 如圖 a）所示為單調(diào)諧無源電力濾波器的電路結(jié)構(gòu)圖；圖（ b）所示的為單調(diào)諧無源電力濾波器阻抗頻率特性。 容性感性調(diào)諧無源電力濾波器 由阻抗和頻率的關(guān)系可知，濾波器對 n 次諧波電流的阻抗為 混合型有源電力濾波器諧波檢測及部分參數(shù)設(shè)計的研究 12 += （ 式中： 代表的是基波角頻率； 表的是 要想發(fā)生串聯(lián)諧振，也即是阻抗虛部為零，即是 0= （ 在此諧振頻率處，諧波的阻抗是最小的，即是： （ 為純電阻電路，該次諧波電流主要被電阻收，流入電網(wǎng)系統(tǒng)的很少。而對其他次數(shù)的諧波電流來說卻不具有發(fā)生諧振的條件，若諧波頻率大于此諧振頻率的話，則濾波器總阻抗呈感性；若小于此調(diào)諧頻率的話，則濾波器總阻抗呈容性。偏離此諧振頻率后，大的很快，所以除了此調(diào)諧頻率的諧波電流能被吸收和分流外，其它諧波電流都不能被濾除。所以要想濾除需要濾除的諧波只需將此處的諧振次數(shù)設(shè)定為諧波次數(shù)即可，就可以濾除該次諧波電流，從而達到改善電能質(zhì)量的目的。 濾波器的品質(zhì)系數(shù)定義為：諧振頻率處的容抗或者感抗與電阻的比值，通常用 Q 來表示 即: =（ 品質(zhì)系數(shù) Q 與濾波器調(diào)諧的敏捷度是直接相關(guān)的，品質(zhì)細數(shù)