具有光伏发电功能的并联型有源电力滤波器研究

具有光伏发电功能的并联型有源电力滤波器研究 山东大学硕士学位论文具有光伏发电功能的并联型有源电力滤波器的研究姓名:刘鑫正申请学位级别:硕士专业:控制理论与控制工程指导教师:张承慧20090520山东大学硕士学位论文摘要随着社会经济的发展和电力电子技术的进步,电力电子器件得到了广泛的应用。二极管及相控变流器己成为当今公用电网接口的最主要的电力电子装置。这类变流器在公用电网中产生了大量谐波,影响了其他用电设备的正常使用,给电网造成了安全隐患,是目前亟需解决的问题。有源电力滤波器是治理谐波的有效装置,它克服了无源滤波器的缺点,具有可控、主动、灵活等特点,同时具有有无功补偿的能力,是未来谐波治理的发展方向。本文主要研究了并联型有源电力滤波器的原理、拓扑结构及主要参数的选择。在此基础上研究了光伏并网逆变器和并联型有源电力滤波器统一控制的可行性,给出了控制策略,并搭建了实验平台。首先,介绍了谐波的概念和谐波的危害,分析了谐波治理的必要性及无源滤波技术的发展及其局限性。引入了有源电力滤波技术,详细介绍了有源电力滤波器的结构、原理及主要研究内容。研究了有源电力滤波器主电路拓扑结构,给出了一种工程化的有源电力滤波器输出滤波电感的设计方法。介绍了各种谐波电流检测技术,详细推导了基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法。设计了二阶巴特沃斯数字低通滤波器。然后,介绍了光伏并网发电系统。对比了光伏并网逆变器和并联型有源电力滤波器的异同,从结构上证实具有光伏并网发电和有源电力滤波功能的逆变器是可以实现的。研究了统一控制逆变器的控制策略,就指令电流的合成提出了相应的算法。介绍了控制系统的软件设计和硬件设计。控制芯片采用,硬件电路主要包括电压电流采样和保护、电压锁相、脉冲生成等。并采用语言编程,实现了相应的控制算法。最后,建立了三相并联型有源电力滤波器的仿真模型,研究了各种参数取值对其的影响;在此基础上建立了具有光伏并网发电和有源电力滤波功能的逆变器仿真模型,验证了所提出的控制策略。搭建了实验平台,进行了初步的实验。关键词:有源电力滤波;谐波治理:电感设计;光伏发电:山东大学硕士学位论文,. .,. ,.,. .,.?. ,. . . , , . . , . ,.;:; ;原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。日论文作者签名:鞫鑫垒关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。保密论文在解密后应遵守此规定论文作者签名:逝导师签名:乏毖少期:丛牡苦山东大学硕士学位论文第一章绪论随着电力电子技术的发展,电力电子装置得到了广泛的应用。但是作为电网的非线性和时变负荷的电力电子装置,在开关动作时向电网注入了大量谐波,导致了配电网中电压和电流波形的畸变,威胁到电网的安全稳定运行和电气设备的正常使用【,。无源滤波器可以有效地抑制谐波,改善电网质量,已经得到了广泛的应用,但是它存在一些固有的缺点,无法从根本上解决谐波问题。有源电力滤波器作为一种新型的电力电子装置,具有可控、主动、灵活等特点,是未来谐波治理的方向【,。光伏发电具有广阔的发展前景,光伏并网发电是未来太阳能利用的主要趋势。实际运行中,光伏并网逆变器受环境因素制约严重,多数情况下都工作在额定功率以下,逆变器利用不充分。光伏并网逆变器和并联型有源电力滤波器工作原理不同,但是二者主电路结构一致,都是电压源型逆变器,都是受控电流源。因此研究具有光伏并网发电功能的并联型有源电力滤波器,在基本不增加硬件成本的条件下,可同时实现光伏并网发电和有源电力滤波功能,具有极大地应用价值。.谐波治理的背景和意义电力系统的谐波问题早在世纪年代和年代就引起了人们的注意。当时在德国由于使用汞弧静止变流器而造成了电压电流波形的畸变。随后由于高压直流输电技术的发展,发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文,.在其著作中对此进行了总结【。世纪年代以来,由于电力电子技术的飞速发展,各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的而应用日益广泛,谐波造成的危害也日益严重。世界各国对谐波问题给予充分的关注【】谐波具有多种定义,目前国际普遍的谐波定义是: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。在某些暂态现象中,电力系统会出现一些非整数次的谐波,如间谐波、次谐波等,本文讨论的谐波都是指整数次谐波。谐波的研究和治理对于现代工业生产意义重大,这是因为谐波不仅降低电能的生产、传输和利用的效率,而且给供、用电设备的正常运行带来严重的危险。山东大学硕士学位论文对于电力系统,谐波会放大系统局部并联谐振或串联谐振现象,使谐波含量放大,造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置的误动作,使电能计量出现混乱。对于电气设备,谐波可以使电气设备产生振动和噪声,还可以产生过热现象,促使绝缘老化,缩短设备使用寿命,甚至发生故障或烧毁。谐波对于通信设备和电子设备会产生严重干扰。电力系统产生的谐波与普通 线路传输的音频信号及入耳的音频敏感信号相比,在信号频带上具有一定的重叠性,而且二者功率相差悬殊。对于通信的干扰,也是谐波的主要危害之一。谐波污染是电力电子技术发展的最大障碍。电力电子技术是未来科学技术发展的重要支柱。然而,电力电子装置所产生的谐波污染己成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍,它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效的研究。谐波治理已经成为电气工程领域迫切需要解决的问题。.无源滤波技术的应用及局限抑制谐波的方法可分为两类:一种是内部补偿的方法,滤波器即属此类;另一种是改造谐波源的方法,即设法提高电力系统中主要的谐波源即整流装置的相数或是采用高功率因数整流器。目前普遍采用的是滤波器补偿方式。无源滤波器: 也称为滤波器,是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置,尽管其本身存在一些较难克服的缺点,但其具有结构简单、设备投资少、运行可靠性较高、运行费用较低等特点,因此至今仍是应用最多的方法。无源滤波器的工业应用已经有相当长的历史,有大量的实际工程经验可以参考。常用的无源滤波器有单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器等。实际应用中常用几组单调谐滤波器和一组高通滤波器来组成滤波装置【】单调谐滤波器单调谐滤波器是利用串联谐振原理构成的,在谐振点处,次谐波电流被滤波器分流,很少流入电网中。而对于其他次数的而谐波,谐波器分流很少。因此,简单说,只要将滤波器的谐振次数设定为与需要滤除的谐波次数一样,则该次谐波将大部分流入滤波器,从而起到滤除该次谐波的目的。高通滤波器山东大学硕士学位论文高通滤波器也称为减幅滤波器,常用的高通滤波器有三种形式,即一阶、二阶、三阶。一阶高通滤波器需要的电容太大,基波损耗也太大,因此一般不采用。二阶高通滤波器的滤波性能最好,但与三阶的相比,其基波损耗较高。三阶高通滤波器比二阶的多了一个小电容,它提高了滤波器对基波频率的阻抗,从而大大减少基波损耗,这是三阶高通滤波器的主要特点。以上四种高通滤波器中,最常用的还是二阶高通滤波器。双调谐滤波器除上述单调谐滤波器和高通滤波器外,在一些工程中还用到双调谐滤波器。双调谐滤波器有两个谐振频率,同时吸收这两个频率的谐波,其作用等效于两个并联的单调谐滤波器。双调谐滤波器与两个单调谐滤波器相比,其基波损耗较小,且只有一个电感承受全部冲击电压。正常运行时,串联电路的基波阻抗远大于并联电路的基波阻抗,所以并联电路所承受的工频电压比串联电路的低的多。另外并联电容中的电容容量一般较小,基本上只通过谐波无功分量。由于双调谐滤波器投资较少,近年来在国内外一些高压直流输电工程中有所应用。双调谐滤波器主要问题在于结构比较复杂,调谐困难,故应用还较少。无源滤波器具有设计容易的特点,但其滤波器效果依赖于系统阻抗特性,并容易受温度漂移、网络上谐波污染程度、滤波电容老化及非线性负荷变化的影响。此外,由于无源调谐滤波器仅可以对特定谐波进行有效衰减,而出于经济和占地面积方面的考虑,滤波器个数均是有限的,所以对于谐波含量丰富的场合,无源滤波器滤波效果往往不够理想。.有源电力滤波技术的发展及优势的概念就被早在上世界年代,有源电力滤波器:提出,年代有源电力滤波器的理论得到了完善,但是受限于当时的电力电子器件的发展水平,研究主要停留在理论论证阶段。年代以来,新型电力半导“三相电路瞬时无功功率理论【,】,以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在三相有源电力滤波器中得到了成功的应用,极大的促进了有源电力滤波器的发展。有源电力滤波器是一种主动型的补偿装置,具有良好的动态性能。与无源滤波器相比,有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性,其具体优点如下:山东大学硕士学位论文具有自适应功能,实现了动态补偿,可对频率和大小变化的谐波以及变化的无功进行补偿;对补偿对象的变化有极快的响应。可同时补偿谐波和无功,补偿无功时不需要储能元件,补偿谐波时所需储能元件的容量不大;补偿无功的大小可以做到连续调节。受电网阻抗的影响不大,不容易和电网阻抗发生谐振;且可以跟踪电网频率的变化,故补偿性能不受电网频率变化的影响。当需要补偿的谐波容量大于有源电力滤波器的额定容量时,有源电力滤波器可正常运行,并最大限度的对谐波进行补偿,有源电力滤波器不会损毁。谐波标准要求越高,对无源滤波器而言,就是滤波器支路越多,其硬件造价几乎是以指数速率增长。而对有源电力滤波器而言,主要是增加控制的难度和复杂度,硬件的造价基本不受影响。总之,对于电能质量要求越来越高、越来越严格的今天,采用有源电力滤波器作为谐波消除装置的优点正在越来越突出。有源电力滤波器相比无源滤波具有许多优点,具有广泛的应用前景。.光伏产业的发展及前景太阳能是地球上万物生长之源,除了其“永恒”和“巨大”之外,还具有“广泛性”、“分散性”、“随机性”、“间歇性”、“区域性”和“清洁性”等特点。自从实用性的光伏电池问世以来,开始太阳能光伏发电的应用。随着光伏电池技术提高,价格下降,光伏发电的规模日益扩大。进入世纪后,世界光伏发电连年以%以上的速度递增,年装机总量已达到,比年同比增长%强,是全球发展最快的新能源。近几年国际上光伏发电加速发展,美国计划到年安装太阳能电池,而日本计划到年安装太阳能电池【】。包括太阳能在内的可再生能源在本世纪将会以前所未有的速度发展,逐步成为人类的基础能源之一。据预测,到本世纪中叶,可在生能源在世界能源结构中将占到%以上圳。我国地域辽阔,太阳能资源蕴藏丰富。国土面积上每年接受的太阳能能量约为.焦耳,相当于. 吨标准煤。我国的太阳能资源主要集中在西北部,而西北部也正是我国经济发展缓慢,人口稀少,电力缺乏的地区,倘若能因地制宜,大力发展光伏产业,对带动西北部的发展极其有利。从历史的角度看,山东大学硕士学位论文我国于年开始研制光伏电池;年研制成功了第一块具有实用价值的光伏电池;年月我国首次将光伏电池用到东方红二号卫星上:年我国又成功的使用光伏电池为灯浮标供电;年“西部省区无电乡通电计划”启动,共计安装了.的光伏发电系统,西部个无电乡的用电问题得到。解决【;到年为止,我国光伏系统装机容量已达光伏发电系统分为独立发电系统和光伏并网发电系统。并网光伏发电系统是与电力系统连接在一起的光伏发电系统,可以把光伏阵列在阳光下发出的直流电转换成为符合入网标准的交流电,并与电网相联结。该类并网发电系统一般发电量较大,需要较大的前期投入,但光伏利用率较高,是大规模光伏发电的一个重要方向。制约光伏发电发展的主要问题是光伏电池的光电转换效率偏低,实验条件下晶体硅组件的光电转换效率可达%左右,但实际运行中只有%左右。由此造成光伏发电的成本较高,推广应用受到一定得影响。.课题的主要内容和预期目标.课题的主要研究内容本课题是山东省自主创新重大科技专项计划的子课题,项目全称为太阳能并网发电系统关键技术研究及其应用 。本课题的主要研究内容是并联型有源电力滤波器及其与光伏并网逆变器的统一控制。由前面的叙述可知,我国光伏并网系统的装机容量巨大,且每年都以较快的速度发展,且受环境制约导致多数存在逆变器容量利用率不高的情况,造成了巨大的浪费。另一方面谐波治理的要求日益迫切,无源滤波技术存在很大的局限性,有源电力滤波器具有良好的性能,但是成本较高,推广应用受到了限制。因此研究具有光伏并网发电和有源电力滤波功能的逆变器,在几乎不增加硬件成本的条件下,通过添加控制算法,使逆变器同时实现光伏并网发电和有源电力滤波功能,既能充分利用太阳能,又能充分利用逆变器容量,抑制谐波和补偿无功,改善电网质量。具有极大应用价值和经济效益.。具有光伏并网发电和有源电力滤波功能的逆变器指标统一控制逆变器具体指标如下:山东大学硕士学位论文治理谐波电流有效值:工作电压:系统效率:%响应时间:滤波范围:次不平衡抑制:%无功补偿:%补偿后电流谐波畸变率:小于%.本文的主要工作本文主要研究了并联型有源电力滤波器及其与光伏并网逆变器的统一控制。对逆变器主电路和输出滤波电感的设计进行了详细论述,介绍了系统控制、检测、保护电路和软件的实现,对具有光伏并网功能和有源电力滤波功能逆变器的控制策略进行了研究。介绍了有源电力滤波器结构、组成及分类,重点对并联型有源电力滤波器进行了研究。引入了瞬时无功功率理论,推导了三相三线系统中的谐波电流检测方法,针对不平衡负载给出了三相四线制系统中谐波电流的检测方法。研究了各种数字低通滤波器,选择了二阶巴特沃斯数字低通滤波器用于谐波电流检测,给出了详细的设计方法主电路结构采用三相四桥臂结构,直流侧电压利用率高,对零线电流的控制范围大,具有较好的三相不平衡抑制能力,控制相对简单。输出滤波采用电感滤波,并给出了一种三相四桥臂结构中输出滤波电感的工程设计方法,使逆变器具有较好的谐波电流跟踪性能和较小的纹波电流。对各种磁性材料进行了研究。铁硅铝磁芯导磁率较低,饱和磁通高,在高频工作时损耗很小,温升很低,在不同的频率下无噪声产生,是用于有源电力滤波器输出电感磁芯的合适磁性材料。详细分析了光伏并网逆变器和并联型有源电力的滤波器的异同。二者工作原理不同,但是主电路结构完全一致,本质上都是受控电流源,只是输出滤波和控制算法有差异,可通过选择合适的滤波器结构和软件算法实现光伏并网逆变器的统一控制。对统一控制时的策略进行了重点研究,给出了一种轻载时的指令电流合成方法,无需谐波电流检测,简化了控制,极大地提高了系统的响应速度。对山东大学硕士学位论文统一控制时指令电流的限幅进行了研究,根据负载的性质,采取不同的限幅控制算法,以到达最佳的谐波抑制和无功补偿效果。系统控制芯片采用公司的位数字信号处理器。它集成了各种高级数字控制功能,具有强大的数据处理能力,是目;控制领域最高性能的处理器。编程语言采用语言,编程环境是专门为开发推出的。编程实现了信号采样、信号调理、坐标变换及数字低通滤波等功能。针对数字低通滤波的参数小,浮点运算多的问题, 对其进行了整型化处理,优化了程序,提高了程序的执行速度。搭建了实验平台,进行了初步的实验。山东大学硕士学位论文第二章有源电力滤波器概述有源电力滤波器作为一种新型的电力电子装置,克服了无源滤波器的缺点,能主动、灵活的抑制谐波和补偿无功。本章主要介绍了有源电力滤波器的原理、构成和分类,并分别就有源电力滤波器的主要研究内容,包括谐波电流检测技术、谐波电流跟踪技术和直流侧电压的控制三个方面进行了介绍。.有源电力滤波器的发展有源电力滤波器: 是一种新型的滤波器装置,年,.和.提出了有源电力滤波器的概念【】;年,日本的.和.完整的描述了有源电力滤波器的基本原理【;年,美国.和.提出了采用脉冲宽度调制控制的有源电力滤波器,确定了主电路的基本拓扑结构和控制方法,从原理上阐明了有源电力滤波器是一种理想的谐波电流发生器,奠定了有源电力滤波器的基础【。年代以来,新型电力半导体器件的出现,技术的发展,尤其是“三相电路瞬时无功功率理论【】,以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在三相有源电力滤波器中得到了成功的应用【】,极大的促进了有源电力滤波器的发展。有源电力滤波器根据功能可分为用于补偿电压谐波的串联型滤波器和用于补偿电流谐波的并联型滤波器。因实际中用有源电力滤波器解决谐波电压问题,需要较大的容量,且损耗大,造价高,目前应用并不广泛。工业中应用较多的是并联型有源电力滤波器,根据直流侧储能元件的不同,并联型又可分为电容储能的电压型和电感储能的电流型,电感储能技术目前还不够成熟,特别是用于大容量并联时存在问题,因此目前应用最广泛的是电压型有源电力滤波器。根据日本电气学会的调查,两者在实际应用中所占的比例分别是电压型.%,电流型.%。本文讨论的内容以并联型有源电力滤波器为主。.有源电力滤波器原理和分类.有源电力滤波器原理有源电力滤波器的基本思想如图.所示。山东大学硕士学位论文如图所示,系统侧一般为电网,谐波源一般为各种非线性负载。系统先检测出谐波源负载产生的谐波,然后用有源电力滤波器产生相应的谐波电流,则系统侧只需供给负载所需的基波电流,从而减少电网谐波,提高了供电质量。这就是有源电力滤波器的基本工作原理。有源电力滤波器是一种主动型的补偿装置,具有良好的动态性能。.有源电力滤波器的分类根据接入电网的方式,有源电力滤波器可以分为串联型、并联型和混合型三大类【】,如图.所示。每一种类型的有源电力滤波器结构不同,其工作原理、特性也各不相同。并联型有源电力滤波器等效为一受控电流源,主要适于电流源型感性负载的谐波补偿,技术上已比较成熟,工业上投入运行的有源电力滤波器多采用此方案。其结山东大学硕士学位论文构如图.所示。并联型有源电力滤波器通过耦合变压器或电感器并入系统,不会对系统运行造成影响,具有投切方便、灵活及各种保护简单的优点。串联型有源电力滤波器经耦合变压器串接入电力线路,可等效为一个受控电压源,用于消除电压型谐波及系统侧电压谐波与电压波动对敏感负载的影响。其结构如图.所示。串联型有源电力滤波器用于直流系统时,耦合变压器的系统接入侧易出现直流磁饱和问题,所以只在交流系统中使用。图串联型有源电力滤波器基本拓扑结构与并联型相比,串联型有源电力滤波器流过的是正常负荷电流,因此损耗较大,此外,串联型有源电力滤波器的投切,故障后的退出及各种保护也较并联型复杂,投入工业运行的设备当中,以并联型有源电力滤波器为主。工业应用一般需要较大的容量,完全用有源电力滤波器实现造价较高,因此谐波严重的场合,为了节省投资,同时又得到较好的谐波补偿效果,将滤波器与有源电力滤波器进行串联或并联,组成混合型有源电力滤波器,如图.所示。其中滤波器解决系统主要的低次谐波,有源滤波器解决高次谐波,这样能有效的降低有源电力滤波器的容量,同时成本适中,因而非常受欢迎。但混合型有源滤波器主要适用于固定负载且系统主要的低次谐波确定的场合,否则滤波器不能有效滤除低次谐波,并可能出现滤波器的烧毁,谐波振荡放大等情况,谐波治理效山东大学硕士学位论文果不理想。目前应用较多的混合型滤波器主要是和有源电力滤波器串联型混合有源电力滤波器。还有一种有源电力滤波器,集电压谐波补偿和电流谐波补偿于一身,一般称之为统一电能质量调节器: 。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性问题,特别适用于对电流和电压都有很高要求的特殊负载。其拓扑结构如图.所示,直流侧电容器或电感器储能装置是串联型和并联型有源电力滤波器公用的,并联变流器起到谐波电流抑制、无功补偿和不平衡补偿、调节变流器直流侧电压的作用;串联型有源电力滤波器起到补偿系统谐波电压、消除系统不平衡、调节电压波动或闪变以及改善配电网的稳定性或阻尼振荡的作用。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、谐波抑制、消除电压波动及闪变、维持系统电压稳定等功能。但其成本较高,控制复杂,且缺少市场需求的推动,目前尚处于研究、试验阶段。根据有源电力滤波器中逆变器直流侧储能元件的不同,有源电力滤波器又可分为电容储能的电压型有源电力滤波器和电感储能的电流型有源电力滤波器【。山东大学硕士学位论文有源电力滤波器原理上讲是一个受控的谐波电流源,因此理论上直流侧采用一个大电感充当一个非正弦的电流源来提供非线性负荷的谐波电流是一种理想的结构。电流源型有源电力滤波器结构如图.所示。但是大电感体积大,造价高,且电感储能技术并不成熟。这种结构最大的缺点在于不能应用于多电平场合,无法提高大容量时逆变器的性能。这种结构多处于研究阶段,工业应用中不多见,不过随着超导储能技术的不断发展,今后会有更多的电流源型有源电力滤波器投入应用。电压源型有源电力滤波器由一个较大的电容作为直流侧的电压支撑。结构轻便、价格便宜,并且可以扩展为多电平结构,使其在开关频率较低的情况下取得良好的性能。其结构如图.所示。与电流型有源电力滤波器相比,电压型有源电力滤波器损耗较小,效率高,且易于扩展。目前国内外绝大多数有源电力滤波器都是采用电压型逆变器结构。.有源电力滤波器的主要研究内容目前各种有源电力滤波器中,以电压源型并联型有源电力滤波器和并联型.混合滤波器为主,混合型滤波器也是以电压源并联型有源电力滤波器为基础。因此研究电压源型并联型有源电力滤波器具有十分重要的意义。有源电力滤波器的基本结构一般分为逆变器、储能元件、输出滤波电感或耦合变压器几部分。相应的有源电力滤波器的研究集中在谐波电流的检测、谐波电流的跟踪控制以及逆变器直流侧电压的控制几个方面。谐波电流检测和补偿电流的跟踪控制是有源电力滤波器研究的主要内容。.谐波电流的检测山东大学硕士学位论文按照谐波提取的方式,谐波提取技术可分为两类:直接法: 采用陷波器将基频及不计划由有源电力滤波器补偿的低次谐波信号由所采集的信号中滤出,剩余信号即可作为有源电力滤波器控制器的参考信号。间接法: 将除干扰以外的所有信号均由输入信号中取出,进行解耦,然后重新将所需的分量进行组合以作为参考信号。如果严格的按照谐波的定义检测谐波,然后采用有源电力滤波器进行补偿,所需的响应时间至少在以上。而由于很多非线性负荷对于谐波的反应时间小于如基于变流器的非线性负荷,响应时间可能小于,因此采用谐波定义方法计算谐波再进行补偿,就不能很好的消除谐波对敏感负载的影响。为了充分发挥有源电力滤波器的快速性,提高其快速补偿的能力,必须采用谐波的快速检测方法。目前通用的谐波快速检测方法有两种:基于快速傅立叶变换: 的数字分析方法:将检测到的一个周期的谐波信号用分解,即可得到各次谐波的幅值和相位,从而也得到各次谐波的表达式。但是该法需要一个周期的采样数据,具有较大延时,一种改进的方法是采用移动窗口方法。方法思路比较简明,原理和工作工程清晰,对所补偿的谐波可以进行有目的的选择,适用于各种情况。不足之处在于需要对参考信号进行重构,计算较为麻烦,固有一定的延时,现在的数字信号处理器多带有功能,可改善实时性。其最大的缺点在于要求被补偿信号的波形是周期性变化的,否则补偿效果较差。基于瞬时无功功率的谐波检测:基于瞬时无功功率的谐波检测法 .于亦称为?法,是日本学者年提出的,其目的是为了解决其研制的并联型有源滤波器谐波与无功功率的快速检测,从而为有源电力滤波器提供参考的补偿电流。该方法对有源电力滤波器的实用化研究及滤波器响应速度的提高起了很大的作用,后来发展的很多谐波快速检测方法都是基于该方法的思想。其核心思想是根据所定义的瞬时功率的波动部分为谐波电流和系统电压作用的结果这一特点来提取谐波分量。实用化的有源电力滤波器中,谐波检测方法以方法和瞬时无功功率方法为主。前者缺点在于存在固定的延时,且要求被补偿信号具有周期性变化特性,山东大学硕士学位论文考虑到一般情况下一段时间内,负载波形是周期变化的,因此其主要问题是存在固定的延时,其优点是解耦了各次谐波,因此谐波的补偿可以任意组合,具有很大灵活性,适于对谐波补偿有特殊要求的场合。瞬时无功功率方法,从原理上是可以只用一个时刻的信号就可检测出谐波和无功信号,但是实际中因用到了数字低通滤波,也存在一定的延时,但这种延时可以通过数字滤波器的优化和采用高性能数字信号处理器来有效降低,因此从长远看,基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法是最有效的,其缺点在于不能直接对指定次数的谐波组合进行补偿。.指令电流的跟踪控制谐波电流的跟踪控制效果取决于所采用的跟踪策略和输出滤波电感的选择。只有采用合适的控制策略并选取合适的滤波电感才能取得好的滤波结果。常用的谐波电流跟踪方式有滞环比较控制方法、三角波比较控制方法和空刚矢量控制方法【】。滞环比较调制技术:滞环比较调制技术具有硬件电路简单、动态响应快、无需载波等特点。若滞环的宽度固定,则电流的跟踪误差是固定的。但这种控制方式中,滞环的宽度对补偿电流的跟随性能有较大的影响。滞环宽度大时,开关频率低,跟随误差大:滞环宽度小时,开关频率低,跟随误差小。且会产生不对称的高频脉动干扰。实际应用中,可以采用具有恒定开关频率的电流控制器,或者在局部范围内限制开关频率以改善跟踪效果。其原理如图.所示。厂 ?一一一上三角载波调制技术:工作原理如图.所示,:与。之差经过比例放大后,与高频三角波相比较,所得到的矩形脉冲作为电力电子器件的控制信号。三角载波调制技术具有开关频率固定,输出的补偿电流中所含的谐波成分较少,但含有与三角波同频率的谐波,易于后续滤波的特点。其动态响应没有滞环快,同样,三角波频率对补偿效果也有较大的影响。山东大学硕士学位论文、一掣. 一一,二空间矢量调制技术:空间矢量脉宽调制的基本原理是在检测出谐波电流之后,根据有源电力滤波器的数学模型计算产生谐波电流所需的逆变器各中点的三相电压,计算此三相电压所构成的空间矢量的幅值,进而得到各电压矢量的开关时间,最后生成电路根据此产生的补偿电流信号控制开关器件的通断。其特点是采用固定的开关频率,算法简单,易于数字方法实现,其缺点是由谐波电流获取相应的精确的参考电压困难,且为间接电压控制,对数字信号处理器的性能和逆变器直流侧的电压有很高的要求,否则不仅不能滤波,还有可能成为新的谐波源,向系统注入谐波。谐波指令电流的跟踪控制,一方面取决于所采取的控制方式,另一方面,取决于所采用的输出滤波电感是否合适。一定程度上,输出滤波电感直接决定了有源电力滤波器的跟随能力。为保证补偿效果,连接电感不能太大,为了保证输出电流的纹波较小,连接电感不能太小,这两个要求矛盾。在实际装置中,解决办法是首先要保证补偿电流的跟随性,在两者都能接受的范围内进行折中。.逆变器直流侧电压控制逆变器直流侧电容用于为逆变器电路提供稳定的直流电压。若直流侧电压波动较大,就可能出现过补偿或欠补偿,其中欠补偿使得补偿的精度降低,过补偿使得有源电力滤波器的干扰性谐波电流增加,其对采用空间矢量调制的有源滤波器影响尤为严重。因此,对直流侧电容电压进行控制,使其保持稳定,对于有源电力滤波器的补偿效果具有重要意义”】。通常,影响直流侧电容电压的主要因素有以下几个方面【】:逆变器工作时会产生能量损耗如开关损耗,引起直流侧电压降低;系统中存在不同次数的谐波电压和谐波电流,它们的相互作用将与电容产生能量交换,从而使得直流侧电山东大学硕士学位论文压发生波动:负序电流和系统电压在直流侧产生的能量脉动也可使直流电压波动;控制直流侧电压通常是在电流或电压跟踪主控制环的基础上加上附加的控制环。根据直流侧电容电压的实际测量值出与基准值“:之差,通过一种电压控制方法得到调节结果。,将其叠加到瞬时有功电流的直流分量上,补偿电流生成电路会产生对应的补偿电流进入系统,使得的补偿电流中含有一定的基波有功电流分量,从而使有源电力滤波器的直流侧与交流侧产生能量交换,将直流侧电压调整到基准值。其控制原理如图.所示。由于电容电压的控制速度大约为有源电力滤波器跟踪速度的十分之一,因此该环节的比例积分系数都较小。通过选择合适的参数,简单的控制能对直流侧电压起到有效的控制作用,其缺点是控制参数选择较困难且适应的区域小,有较大的超调和静差。一些改进的控制方法已被研究,如将原来非线性较强的控制系统进行线性化的能量控制,利用模糊控制理论的模糊控制方法等,都能取得较好的控制效果。.有源电力滤波器的发展方向欧美等发达国家对谐波有严格的标准,有源电力滤波技术研究起步早,现在已经有比较成熟的技术。国内起步较晚,但发展迅速,目前有个别厂家具有比较成熟的产品,但还没有形成品牌和规模,还有很长的路要走。综合国内外有源电力滤波器现状,未来有源电力滤波器的主要研究热点将集中在以下几个方面:控制系统的数字化。模拟电路实现的控制和测控系统简单方便,实时性好,但是不便于实现复杂的算法,受参数变化影响大,且保密性不好。数字信号处理器可以容易的实现复杂的算法,稳定性更好,不足之处是数字信号处理会带来一定得延时,不过随着数字信号处理器的性能越来越高,延时问题已经得到了改善。数字化是有源电力滤波器的一个发展方向山东大学硕士学位论文谐波电流检测技术的研究。目前的谐波检测理论已经比较成熟,主流的是基于瞬时无功理论的谐波电流检测方法及其改进方法。但是此类方法无法对指定次数的谐波进行补偿,而傅立叶谐波电流检测方法可以方便的对指定次数的谐波进行补偿,但延时较大。谐波电流检测方法仍是目前有源电力滤波器的研究热点【,引。有源电力滤波器的并联。当需要补偿的谐波总量较大时,用单个有源电力滤波实现的成本会随着容量的加倍成指数形式增加。一种可行的方法是用多个小容量的有源电力滤波器并联来实现。研究内容主要集中在并联的拓扑结构和控制算法。多功能有源电力滤波器和混合型有源电力滤波器。在逆变器上同时实现光伏并网、有源滤波器和是目前逆变电源领域的一个研究热点【 。另一方面,成本仍是制约有源电力滤波发展的最大障碍,而混合型性有源电力滤器能以较小的有源滤波器容量实现良好的滤波效果,且克服了无源滤波器的某些缺点,是最近接实用化的有源电力滤波器形式【】。本章小结本章主要介绍了并联型有源电力滤波器、串联型有源电力滤波和混合型有源电力滤波器的结构及工作原理。对谐波电流检测技术、电流跟踪技术和直流侧电压的控制进行了详细的论述。最后探讨了有源电力滤波器未来的研究方向和热点。山东大学硕士学位论文第三章有源电力滤波器主电路及输出滤波电感设计并联型有源电力滤波器按照相数可分为单相和三相,三相又分三相三线和三相四线两种情况。在对用户直接供电的低压配电系统中,主要的供电线路是三相四线制,实际上随着办公自动化和家用电器的日益普及,民用和商业用电在城市供电中的比例日益增大,已经成为配电网谐波污染的重要来源。因此即能补偿谐波电流又能补偿三相不平衡的三相四线制有源电力滤波器的研究具有重要的意义。本章以三相四线制有源电力滤波器为对象,主要研究了主电路的拓扑结构和输出滤波电感的设计及选材。三相四线制有源电力滤波器的主要拓扑结构电压源型三相四线制有源电力滤波器的主电路拓扑主要有:电容中点形式、四桥臂形式和三个单相全桥形式【】。三种主电路拓扑各有优缺点,其结构分别如图.、图.和图.所示。电容中点式拓扑结构简单,所需开关器件数目最少,主电路及驱动电路相对简单,开关利用率高。但是直流侧电压利用率低,并且补偿三相不平衡负载时直流侧电容电流中含有低次谐波,电容电压波动较大。另外由于零线电流要流过变流器直流侧电容,直流侧电容电压控制复杂。所以这种结构形式主要用于中小功率系统,不宜用于较大的功率系统,限制了它的应用。出四桥臂结构比电容中点式所需要的开关器件要多一对,但是具备以下优点】:控制部分尤其是直流侧电容电压的控制相对简单;对一个给定的负载进行补偿,四桥臂结构所需的直流侧电压比电容中点式更低,流经电容的电流有效值更小:对零线电流的控制范围更大,滤波效果更好:在对称或近似对称系统中,高山东大学硕士学位论文频分量占主要地位。这样,电容电压的纹波将比较小。出三个单相全桥电路组成的三相有源电力滤波器所需的开关器件最多。组合灵活,可根据运行情况有选择的补偿电网的某一相或几相,控制简单。但用于三相不平衡系统时,直流侧电容电流含有低次谐波,电压波动较大,因此一般用于小功率场合,如商业写字楼或者是学校教学楼带有电脑负荷以及小型工厂。对于小功率系统而言,可以采用三个单相有源电力滤波器组成三相有源电力滤波器,或直接采用三相有源电力滤波器;对于较大的功率而言,在三相平衡系统中,可以采用三个单相有源电力滤波器组成三相有源电力滤波器,或者直接采用三相有源电力滤波器;当目标不仅仅是消除电流谐波,还需要平衡三相系统及补偿电压谐波时,采用三个单相的有源电力滤波器效果不够理想。因此,一般情况下,在较大的功率场合会优先考虑三相有源电力滤波器。随着办公自动化和家用电器的普及,民用和商业用电的用电比例日益增大。这些家用电器多为单相负载,由于其数量及其庞大,已经成为配电网的主要谐波来源,且带有严重的不平衡特性。本文综合考虑各种因素,选取有源电力滤波器的主电路拓扑为三相四桥臂结构。.主电路输出滤波电感的设计山东大学硕士学位论文有源电力滤波器一般可通过连接电感或变压器接入系统,采用变压器成本高,且高频部分补偿效果不理想,因此一般情况下都通过连接电感接入,只有与系统电压等级不匹配时才采用变压器。基于三相四桥臂拓扑结构的并联型有源电力滤波器结构如图.所示。,士蕾其数学模型可表示为:,?曲?旷铲喙曲 .输出滤波电感对有源电力滤波器性能的影响已有的研究表明,在主电路及控制方式一定的情况下,输出滤波电感的选择对的滤波性能有重要的影响【。若选取的电感值过小,则输出补偿电流中含有较大的电流纹波,会给系统注入附加的谐波污染;若选取的电感量过大,则影响电流跟随特性,使得谐波电流跟踪速度降低,补偿效果会收到影响,而且可能会产生过高的冲击电压。当连接电感取值适当时,可极大的改善谐波电流补偿效果和系统三相不平衡,并能有效地降低电流谐波的总畸变率。输出滤波电感的研究己成为研究的重要内容【,。.输出滤波电感的计算山东大学硕士学位论文输出滤波电感的计算主要考虑其谐波电流跟随能力和纹波电流抑制能力,即电流的最小变化率和最大变化率。首先考虑滤波电感的跟随性能,即要求输出电流的摄小变化率大于指令电流的最大变化率,设主电路开关频率为瓦/六,以相为例,由式一得输出电流变化率:堕:.竺里二鱼一.】.。一一由上式可知,当。一。取得最小值时,可求的输出电流的最小变化率。三相四桥臂拓扑结构中,当正常工作时,。%/或%/,%是逆变器直流侧电压%疵出。当三相电网相电压有效值取时,根据控制策略的不同,逆变器直流侧电压一般要控制在之间。假定直流侧电压取,则在极端的条件下 。一。的取值如图.所示,其范围是。在 。一。很小的情况下,要使补偿电流的最小变化率大于指令电流的最大变化率,滤波电感的取值势必要取极小的值,而这在实际中是不允许的:一方面,接入电网需要一个连接电感,防止环流;另一方面,极小的电感值会带来极大的电流纹波,使成为电网新的谐波源。厂、/ ?.一/ / / / /耋枷/./洲网 瀛 .,在连接电感必不可少的情况下,可令甜。一。等于某临界值,由于。、口是确定的信号,因此可计算,在一个周期内, 。一。的概率:尸尸。一。 ?根据式?、口得调整后的补偿电流的最小变化率:鲁血半为保证补偿电流的跟随能力,应满足:山东大学硕士学位论文.挚曲争一/魂一是指令电流的最大变化率。当补偿对象不同时,补偿指令电流已是不同的。由相关文献给出的计算;/出一的经验公式四。考虑三相负载中主要有次、次和次谐波分量,则有:堕 二懈 。“ 、当已只含有谐波电流时,艺一.艺;当艺同时含有谐波和无功电流时,二.艺。式中,厂是电网基波电流频率,艺为补偿指令电流的最大有效值。考到纹波电流的影响。根据式、.矛.,可得三瓦/西一 二一极端情况下,有的概率不能完全跟踪指令电流的变化。以为例,可计算出系统在最坏的极端情况下,不能完全跟踪指令电流变化的概率为.%,实际中不能这种概率还要小得多。考虑系统的纹波要求,由式.可得:。:堕假定系统允许输出的最大纹波电流为一,则有孚在三相四桥臂拓扑结构中,有。一。一?/,因此可得坐娑生一实际情况中,“。一。的最大值,在绝大部分情况下都小于幸/,因此实际计算中可用改进后的式子:粤瓦一综合式子、一可以获得输出滤波电感的大体范围,需要注意的是,由于没有精确的数学模型,两式求出的只是一个大体合理的范围,最终的电.山东大学硕士学位论文感取值还要通过实际的试验调整来获得。当跟随特性达不到指标要求时,可减小的值,重新进行设计,直到达到满意的谐波电流跟踪性能。在实际装置中,当两式的范围相矛盾时,一般是优先考虑补偿电流的跟随性,再考虑纹波电流的大小,并进行适当的折中,如果折中后的补偿电流中纹波电流还是过大,可考虑另外投入高通滤波器进行抑制。.磁性材料的选择电感器由电路部分和磁路部分组成。电路部分由线圈构成,线圈一般由骨架、绕组、绝缘材料等组成;磁路部分由铁心构成。电感线圈一般有一个骨架,在电感器中起到了各绕组与铁心之间绝缘的作用。有些高频电感并不需要骨架,而直接将绕组绕制在铁心上,比如环形铁心,称为空心线圈。本文系统设计采用的是环形铁心。计算电感时都认为磁性材料是理想的,即铁心不会产生电磁损耗。实际应用中,电感的电磁损耗是很大的,主要包括铁心损耗、磁滞损耗和涡流损耗等,因此必须根据具体的应用场合选择合适的磁性材料。目前广泛使用的磁芯材料主要有铁氧体、薄硅钢片、非晶态合金和铁硅铝几种【】,性能如表.所示。铁氧体虽高频损耗较低,但因其饱和磁感应值较低,铁芯的体积和重量较大,此外,铁氧体的热稳定性差,易产生噪声污染。硅钢片具有很高的饱和磁感应强度,但是硅钢片的涡流损耗严重,只适于用于低频场合,薄硅钢片性能有改善,但是高频时的涡流损耗还是比较严重,易产生噪声污染。非晶态合金具有低损耗及良好的温度稳定性,高磁导率和高饱和磁通。铁硅铝磁芯具有优良的综合电磁性能,在高频工作时损耗很小,温升很低,在不同的频率下无噪声产生,其导磁率较低且稳定,饱和磁通高。有源电力滤波器补偿各次谐波电流,以补偿次谐波为例,则电流频带是,器件的开关频率在 之间,电感的工作在从低频到高频很宽的频率范围内,流过电感的电流实际上是一系列不等幅的高频脉动电流,且脉动幅度较大,这就使得电感工作时的铜损耗和铁心损耗都比较大,温升比较高,是在设计时需要重点考虑的问题。因此铁氧体不适合用作有源电力滤波器输出电感铁心。薄硅钢片可以用于输出滤波电感铁心,但是高频时还是有一定的涡流损耗。铁硅铝和非晶态合金具有较好的高频和低频性能,都具有高饱和磁通,山东大学硕士学位论文但非晶态合金的磁导率很高且磁导率不稳定,磁化曲线陡直,铁心易饱和,铁硅铝磁芯的磁导率适中且非常稳定,不易饱和,可以容易的精确绕制电感。综合考虑选择综合电磁性能最好的铁硅铝磁性材料做输出滤波器的铁心。表各种磁芯特性比较表.输出滤波电感的设计设计参数:逆变器直流侧电压:主电路开关频率:工谐波电流有效值:,二将以上参数代入式.得:.;代入式.得:.。取。选用北京七星飞行电子的铁硅铝环形磁芯.,其参数为:蠡饱和磁通:,电感系数:/奢饵磁路长度:。已知所设计的电感。在磁环参数已知的情况下,可通过下式求得磁芯需要的绕线匝数。.式中,的单位是,。的单位是/。初步选个磁环并联,由上式得:山东大学硕士学位论文压?.鬲划舶取。设计电感时必须进行验证,防止电感工作磁通密度过高。导致电感饱和。本文中的逆变器与低压电网相连,一旦饱和,后果严重。因此必须对所设计的电感进行验证。根据磁路定理。,得:掣。式中,日是磁场强度,单位/。将、上。和,的值代入,考虑电感工作在交流状态,取三倍的电流裕量,得/;,”、:?/:.。得到电感的最大工作磁场强度后,对照铁硅铝磁环的磁化曲线一日,如图.,可知电感的最大工作磁通密度一,小于该磁环饱和磁通密度。的一半,因此电感留有充分的安全裕量,设计合理。为减小趋附效应带来的影响,电感线圈选用多股绕制。绕线材料选用.的铜漆包线,允许的电流密度为万/,电流取.倍裕量,则需要铜线的匝/.,取刀。.主电路直流侧电容的设计有源电力滤波器直流侧电容及电容电压的选取是有源电力滤波器系统设计的重要环节之一卯。直流侧电容主要是为提供一个稳定的直流电压,它可以缓冲高次谐波电流和负序电流在逆变器直流侧造成的能量脉动以及由于电力开关器件的作用和交流侧电感储能造成的能量波动。相同条件下,当取较大值时,直流侧电压脉动小,谐波补偿效果好且具有较强的补偿负载无功的能力;当取值较小时,直流侧电压会有较大波动,谐波和无功补偿效果会受到直接影响,因此直流电容的设计在合理的范围内,可适当取