分類號 密級 碩 士 學 位 論 文 光伏并網(wǎng)的有源電力濾波器的研究 學 位 申 請 人： 學 科 專 業(yè)： 電力系統(tǒng)及其自動化 指 導 教 師 ： 教授 二一三年五月 A of A of 443002, 2013 I 三峽大學學位論文 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。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。 學位論文作者簽名： 日 期 ： 容 摘 要 作為新能源發(fā)電技術(shù)之一的光伏并網(wǎng)發(fā)電隨著能源 危機的愈演愈烈，近年來得到了快速廣泛的發(fā)展。隨著電網(wǎng)中電力電子器件等非線性負載的日益增多，諧波污染是目前亟待解決的問題 。 有源電力濾波器是 新型的治理諧波的有效裝置， 克服了無源濾波器的缺點，是未來諧波治理的發(fā)展方向 ，但是由于其較高的運行成本制約了它的應(yīng)用。 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的逆變器白天進行光伏發(fā)電，夜晚處于停機的閑置狀態(tài)，這是一種資源的浪費。 光伏并網(wǎng)逆變器和有源電力濾波器 雖然用途 不同，但是二者主電路結(jié)構(gòu)一致， 都屬 受控電流源，都是電壓源型逆變器，因此研究光伏并網(wǎng)和諧波抑制相結(jié)合的控制方法，不僅可以有效地進行光伏 發(fā)電， 而且可以 進行有源濾波， 節(jié)省 了 相應(yīng)設(shè)備的投資，具有極大的應(yīng)用價值。 本文主要研究了并聯(lián)型有源電力濾波器的原理、拓撲結(jié)構(gòu) 及其控制策略， 在此基礎(chǔ)上研究了光伏并網(wǎng)逆變器和并聯(lián)型有源電力濾波器統(tǒng)一控制的可行性，給出了控制策略， 并搭建了仿真模型。 首先介紹了有源電力濾波器的基本原理，重點分析了三相四線制有源電力濾波器的拓撲結(jié)構(gòu)，并對其補償原理、諧波和無功補償?shù)目刂撇呗赃M行了詳細的分析研究，包括指令電流和直流側(cè)電壓的跟蹤控制。介紹了各種諧波電流檢測技術(shù)，詳細推導了基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測方法 。 然后，介紹了光伏 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) ，并對最大功率點跟蹤（ 控制方法進行了研究。 對比了光伏并網(wǎng)逆變器和并聯(lián)型有源電力濾波器的異同，從結(jié)構(gòu)上證實 了具有光伏并網(wǎng)發(fā)電和有源電力濾波功能的逆變器是 可以實現(xiàn)的，給出 了 一種逆 變器 的統(tǒng)一 控制策略，就指令電流的合成提出了相應(yīng)的算法。 最后， 利用 立了三相 四線 并聯(lián)型有源電力濾波器的仿真模型，在此基礎(chǔ)上建立了光伏并網(wǎng) 的 有源電力濾波 器仿真模型，仿真結(jié)果驗證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略 的正確性 。 關(guān)鍵詞：光伏并網(wǎng) 有源電力濾波器 諧波檢測 仿真 s of of is in of is a is a of to of is of of is in of at is a of to of be of on of is is of of of of of C of on is is of is A is of of is of of of V 目 錄 引言 1 1 緒論 2 伏發(fā)電現(xiàn)狀與發(fā)展前景 2 波治理的背景和意義 4 源電力濾波器技術(shù)的發(fā)展 5 文的主要工作 5 2 有源電力濾波器 7 源電力濾波器的基本原理 7 源電力濾波器的 分類 8 相 四線并聯(lián) 有源電力濾波器的拓撲結(jié)構(gòu) 9 波抑制和無功補償?shù)目刂?策略 11 章小結(jié) 15 3 諧波及無功電流檢測 16 見的諧波和無功電流檢測方法 16 于瞬時無功功率理論的諧波和無功電流檢測 18 相四線制系統(tǒng)中的諧波及無功電流檢測 21 章小結(jié) 21 4 光伏并網(wǎng)與有源電力濾波的統(tǒng)一控制研究 22 伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) 22 伏并網(wǎng)發(fā)電最大功率點跟蹤（ 25 伏并網(wǎng)逆變器與有源電力濾波器的比較 30 伏并網(wǎng)與有源電力濾波器的統(tǒng)一控制策略 32 于諧波補償電流限幅的指令電流合成策略 33 章小結(jié) 36 5 系統(tǒng)建模與仿真 37 波源負載模塊 37 波和 無功檢測模塊 39 聯(lián)型有源濾波器仿真 40 光伏并網(wǎng)仿真 41 伏并網(wǎng)的有源電力濾波器仿真 42 章小結(jié) 43 結(jié)與展望 44 參考文獻 45 后記 48 附 錄 49 三 峽 大 學 碩 士 學 位 論 文 1 引 言 能源危機與環(huán)境污染 是 進入 21 世紀的人類社會 需要迫切解決的兩大重要問題 。在一 次能源的不斷 被 消耗 的同時， 人類對能源 的需求卻在 持續(xù)增長 ，這已 經(jīng) 成為威脅人類社會進步的 一 對尖銳矛盾。 不斷 探索 新能源， 大力發(fā)展可再生能源， 逐步提高可再生能源在能源消費結(jié)構(gòu)中所占的比例，走可持續(xù)發(fā)展 道路， 是人類在地球上賴以生存的長久之計 。 太陽能作為 一種非常理想的 可再生 清潔能源，其 普及應(yīng)用 已 受到人們的 日益 重視。 我國 光伏產(chǎn)業(yè) 平均年增長率在 40 以上，已成為迅速 發(fā) 展 的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。光伏 發(fā)電 是電力電子技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)成為近年來的 研究熱點，隨著光伏 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)成本的不斷降低 ，其應(yīng)用也愈來愈廣泛 。 于此同時 ，由于電網(wǎng)和負載的復雜性，特別是電力系統(tǒng)中 電力電子器件等非線性負載的 日益 增多，諧波 和無功功率的不良影響 對電力系統(tǒng)的污染日益嚴重。 有源電力濾波器是 治理諧波的 新型 電力電子 裝置， 克服了 傳統(tǒng)的 源濾波器 只能補償固定次數(shù)諧波的缺點 ， 能夠 動態(tài)抑制諧波、補償無功 ，已越來越受到人們的關(guān)注 。 通過單獨 給電網(wǎng)串并聯(lián)有源濾波裝置 來抑制諧波 ， 設(shè)備投資 成本 高， 且運 行時需要消耗大量電能， 很難得到推廣 。 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的逆變器和有源電力濾波器雖然用途不同，但是兩 者在逆變 電路結(jié)構(gòu) 上是 相同 的 ， 都屬 受控電流源 ，都是電壓源型逆變器，因此研究光伏并網(wǎng)和諧波抑制相結(jié)合的控制方法，設(shè)計一種在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上還可以進行有源濾波的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 不僅可以有效地進行光伏 發(fā)電、減少功率損耗、提高供電質(zhì)量，而且可以節(jié)省設(shè)備投資，具有良好經(jīng)濟性和巨大的 應(yīng)用價值 。 三 峽 大 學 碩 士 學 位 論 文 2 1 緒論 伏發(fā)電現(xiàn)狀與發(fā)展前景 隨 著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，對能源的需求越來越大。 電能的發(fā)現(xiàn)和利用 ， 標志著人類已進入現(xiàn)代社會文明 ， 隨著社會的發(fā)展，科技的進步，各種用電設(shè)備與日俱增，電能的需求越來越多。但是， 目前，世界各國大多以石油、天然氣和煤炭等傳統(tǒng)一次能源用于發(fā)電， 這必將導致能源的日益枯竭與環(huán)境的嚴重污染，能源與環(huán)境已成為21 世紀人類面臨的兩項重大難題 1。 資源是緊缺的，經(jīng)濟的發(fā)展也不能以犧牲環(huán)境為代價，大力探索與發(fā)展 可再生的清潔能源 勢在必行 ，因此 ，近年來，有關(guān) 太陽能、風能、水能、 潮汐 能、地熱能等在內(nèi)的可再生能源的 研究越來越多 2。 太 陽能無處不在，資源清潔，取之不盡，用之不竭， 最大化利用 太陽能 ，尤其是將其有效地轉(zhuǎn)化為電能來使用， 理應(yīng)成為未來的重點研究方向。 自從 1954 年世界上第一塊太陽能電池誕生于貝爾實驗室 以來 ， 有關(guān)光伏發(fā)電技術(shù)的研究從來沒有中斷 。1957 年首顆人造衛(wèi)星升空 ， 光伏發(fā)電技術(shù) 率先成功應(yīng)用于 太空領(lǐng)域， 直到現(xiàn)在， 科技的進步已使得光伏發(fā)電技術(shù)遍布人們生活的 各個方 面。 界光伏發(fā)電的 現(xiàn)狀 與前景 近年來，世界 光伏產(chǎn)業(yè) 發(fā)展迅猛 ， 1996 2001 年太陽能電池 產(chǎn)量 的年平均增長率 為 ， 2001 2005年這一數(shù)值達到了 ， 2007年 較 2006年增長 了 ，近 10 年，全球光伏產(chǎn)業(yè)年均增長 ，近 5 年為 。 2005 年世界光伏電池產(chǎn)量達到 1727中日本生產(chǎn) 795 46 ； 歐洲生產(chǎn) 503 ；美國生產(chǎn) 150 ；其他國家生產(chǎn) 279 34。 促使產(chǎn)量增長的關(guān)鍵因素是光伏電池造價的不斷降低， 20 世紀 60 年代第一個地面用光伏組件售價高達 300 美元 /著科技的進步，到 21 世紀初下降 到 元/預測 到 2020 年，光伏發(fā)電的 成本有可 能降低到與火力發(fā)電 相 當 56。 技術(shù)的進步 不僅使光伏發(fā)電成本不斷降低，而且讓 單晶硅電池的實驗室最高效率已經(jīng)從 20 世紀 50年代的 6提高到目前的 多晶硅電池的實驗室最高效率也達到了 20，薄膜電池、染料敏化電池、有機電池等的研究也不斷取得新進展。實際應(yīng)用中的 商品化光伏電池效率由 20 世紀九十年代的 10 左右提高到目前的 18 。 并網(wǎng)發(fā)電在光伏市場中的份額逐年增加并占據(jù)主導地位， 2007 年并網(wǎng)發(fā)電的市場份額達到 80，這標志著光伏發(fā)電由邊遠地區(qū)和特殊應(yīng)用向城市過度、由補充能源向替代能源過度。 2010 年世界光伏系統(tǒng)的總裝機容量超過 142011 年全球光伏產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)量 達到了 即便在去年世界經(jīng)濟大蕭條、光伏行業(yè)低迷慘淡的行三 峽 大 學 碩 士 學 位 論 文 3 情下，全球光伏裝機 容量 依然有將近 40 的年增長率 7。 國光伏發(fā)電的 現(xiàn)狀 與前景 1958 年 我國科學家開始研制光伏 電池， 1959 年 誕生了 第一塊有實用價值的 光伏電池， 1971 年 3 月首次在 科學試驗衛(wèi)星 應(yīng)用光伏電池作為 電源， 1973 年首次 應(yīng)用光伏電池在燈浮標上進行 供電實驗 8。 20 世紀 70 年代末到 80 年代中期，我國一些半導體器件廠開始利用半導體工業(yè)廢次單晶 生產(chǎn)單晶硅 太陽能電池，我國光伏工業(yè)進入萌發(fā)期。 80 年代中后期，我國一些企業(yè)引進成套 單晶硅電池 /組件生產(chǎn)設(shè)備以及非晶硅電池生產(chǎn)線，使我國光伏電池 /組件年 生產(chǎn)能力達到 W，我國光伏產(chǎn)業(yè)初步形成。 90 年代中后期， 隨著設(shè)備的不斷更新，產(chǎn)量逐年增加， 我國光伏產(chǎn)業(yè) 進入 穩(wěn)定發(fā)展 時期 。 近 年來，在我國“送電到鄉(xiāng)”工程及國際市場推動下，一批電池生產(chǎn)線、組件封裝線、晶硅錠 /硅片生產(chǎn)線相繼投產(chǎn)和擴產(chǎn)，使我國光伏產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)能力大幅度上升，我國光伏產(chǎn)業(yè)進入全面快速 發(fā)展時期。 到 2007 年底我國太陽能電池 年 產(chǎn)量達到了 1088 居世界第 一 。2011 年全球太陽電池產(chǎn)量 23我國光伏組件產(chǎn)量達到 11 世界總產(chǎn)量的近 50%9， 10,11。 于此同時， 近 年來 我國在光伏發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)工作也 進展迅速 。 許 多 研究單位、企業(yè) 、高校 先后開展了單晶硅和多晶硅高效電池、非晶硅和 多晶硅薄膜電池、 膜電池的相關(guān)研究，碩果累累，并在 應(yīng)用系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究 方面取得重要突破 。 經(jīng)過“九五”和“十五”的國家科技攻關(guān) ,我國 在 光伏 并網(wǎng)逆變的關(guān)鍵技術(shù)方面 也 有 所突破，并具有自主知識產(chǎn)權(quán) ，開發(fā)出了獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)用的 逆變效率大于 90%的 10 100弦波逆變器 12。 在國家、地方政府以及各方面的支持下，隨著可再生能源法的貫徹實施，中國光伏發(fā)電應(yīng)用市場正在 不斷擴大 。 從 2008 年開始 ， 我國 政府對屋頂和大型地面光伏并網(wǎng)發(fā)電示范項目進行補貼 ； 2009 年初甘肅敦煌 10大型荒漠 光伏 并網(wǎng) 發(fā) 電站 完成招標 ，相繼推出了 “金太陽示范工程” 與太陽能屋頂計劃等 財政補貼項目； 2010年西部五省 13 個項目 共計 280光伏發(fā)電工程 完成 招標 ，相關(guān)建設(shè)項目已 開始啟動； 2011 年 8 月，國家發(fā)改委 發(fā)布了“光伏發(fā)電上網(wǎng)電價法”，規(guī)定上網(wǎng)電價為 1元 /度 13； 2012 年 12 月 ，中央財政撥付 70 億元支持啟動光伏發(fā)電應(yīng)用規(guī)范。 這一系列的政策措施 有力的促進了中國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 。 三 峽 大 學 碩 士 學 位 論 文 4 波 治理的背景和意義 “ 諧波 ”一詞源于聲學， 國際 上 普遍的諧波定義是 :諧波是一種正弦波，具有 周期 性的 電氣量 ，其頻率是 基波頻率的整數(shù)倍。 在 電力系統(tǒng) 的 有些暫態(tài)過程 中， 也 會出現(xiàn)一些非整數(shù)次的諧波， 比 如間諧波、次諧波等，本文 中出現(xiàn)的 諧波都是指整數(shù)次諧波。 早在 上世紀 20 年代和 30 年代 ， 電力系統(tǒng)諧波問題就引起了人們的注意。 當時 在德國 ，有于使用靜止汞弧變流而使 電網(wǎng)電壓和電流波形發(fā)生畸變，這 對公共電網(wǎng) 是一種污染 14。電力系統(tǒng)中的 諧波主要來源于三個方面：一是 由于 電源質(zhì)量不高 而 產(chǎn)生的 諧波；二是輸電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波；三是 負載中的 非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波。其中以負載端 非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波最多 15。 電力電子裝置等非線性裝置，也消耗無功功率。特別是 周波變流器和相控整流器等相控裝置，在工作時基波電流相位滯后于電壓 相位 ，要消耗大量的無功功率。另外，這些相控裝置也會產(chǎn)生大量的諧波電流，一般來說，諧波電流都是要消耗無功功率的。 理想電網(wǎng)提供的電壓，應(yīng)該有單一固定的頻率以及符合規(guī)定的電壓幅值。 而 諧波的頻率和電壓具 有不確定性，它的出現(xiàn) 對電網(wǎng)是一種污染，不僅 將 電網(wǎng)中的 用電設(shè)備所處的環(huán)境惡化 ，而且 對周圍的通信系統(tǒng)帶來危害。 電網(wǎng)中諧波的危害 主要有 以下幾個方面 1617： （ 1） 諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，影響 電氣設(shè)備正常 安全 工作，使電氣設(shè)備產(chǎn)生 機械振動、 噪聲 和過電壓 ， 使之過熱并加速 絕緣老化， 減少 使用壽命 ，引發(fā)故障，甚至 燒毀。 （ 2） 諧波會引起電網(wǎng)局部 發(fā)生 串聯(lián)或并聯(lián) 諧振，使諧波含量 增多，造成過電流，影響 電網(wǎng)的穩(wěn)定性，甚至導致重大 事故。 （ 3） 諧波還會導致繼電保護等自動 設(shè)備 誤動作，同時也會導致電器測量儀表計量 出現(xiàn)錯誤 。 （ 4） 大 量三次及其倍數(shù)次的諧波 電 流 通 過供電系統(tǒng)中 性 線會 導致中 性 線過熱 ，甚至引發(fā) 火災。 （ 5） 電力系統(tǒng) 中的 諧波與 通信線路中傳輸?shù)?信號相比，在頻帶上具有一定的重疊性， 但是 二者功率 卻相差懸殊，這 會對鄰近的 的通信 系統(tǒng) 造成 干擾 ，甚至導致通信系統(tǒng)無法正常工作。 電力電子技術(shù)在未來科學技術(shù)發(fā)展中占有重要地位， 然而， 電網(wǎng)中的 電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波污染已成為 電氣工程領(lǐng)域迫切需要解決的問題， 這就要求 相關(guān) 研究人員 必須對諧波問題 展開 更為 深入 有效的研究。 三 峽 大 學 碩 士 學 位 論 文 5 源電力濾波器技術(shù)的發(fā)展 有源電力濾波器 (一種新型的濾波器裝置， 其基本思想早在上世紀六七十年代就已形成， 1969 年， 在 表的論文中描述 了有源電力濾波器的 基本思想 18； 1971 年，日本的 次完整的闡述 了有源電力濾波器的基本原理 19； 1976 年，美國 制變流器構(gòu)成 的有源電力濾波器，確定了 有源電力濾波器 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諧波 補償電流發(fā)生電路 ，奠定了有源電力濾波器的基礎(chǔ) 20。 由于當時電力電子技術(shù)的發(fā)展水平不高，全控型器件功率小、頻率低，因而有源電力濾波器僅局限于實驗研究，未能在工業(yè)中應(yīng)用。 進入 80 年代，隨著電力電子技術(shù)的迅猛 發(fā)展 、 制技術(shù)的進步，尤其是1983 年赤木泰文等人提出的 瞬時無功功率 理論 21，極大的促進了有源電力濾波器的發(fā)展。依賴 于電力電子技術(shù)的發(fā)展， 有源電力濾波器 于 80 年代 成功應(yīng)用于供電系統(tǒng)進行諧波抑制和無功補償。 隨著容量的 不斷 提高，其應(yīng)用范圍也從 單一 補償 配電端 自身的諧波 進而 向改善整個電力系統(tǒng)電能質(zhì)量 的方向發(fā)展。隨著電力電子技術(shù) 的 大功率化技術(shù)的進步、控制技術(shù)的不斷完善，有源電力濾波裝置成本的逐步 降低，加上其卓越的濾波性能， 必 有廣闊的應(yīng)用前景 22。 有源電力濾波器根據(jù) 接入電網(wǎng)的方式，系統(tǒng)構(gòu)成 可分為 串聯(lián)型和并聯(lián)型兩大類。其中， 串聯(lián)型濾波器 主要 用于補償電壓諧波 問題，而 并聯(lián)型濾波器 主要用于補償電流諧波問題 。因?qū)嶋H中解決諧波電壓問題 時 ，需要有源電力濾波器 具有 較大的容量，且成本高， 損耗大， 目前應(yīng)用較少 。工業(yè)中應(yīng)用較多的是并聯(lián)型有源電力濾波器，根據(jù)直流側(cè)儲能元件的不同，并聯(lián)型 分為電壓型 （儲能元件為電容） 和 電流型 （儲能元件為電感）。 目前 ，由于 電感儲能技術(shù)還不夠成熟，特別是并聯(lián) 容量較大 時存在問題，因此電壓型有源電力濾波器 的 應(yīng)用 更為 廣泛。根據(jù)日本電氣學會的調(diào)查，在實際應(yīng)用中 ， 電壓型， 僅有 電流型 2324。本文 的研究對象 以并聯(lián) 電壓 型有源電力濾波器為主。 三 峽 大 學 碩 士 學 位 論 文 6 文的主要工作 由前面的敘述可知，我國 擁有巨大的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) 裝機容量， 并且仍以飛快的速度不斷發(fā)展 ，但 由于 受環(huán)境 因素影響， 導致 多數(shù)并網(wǎng) 逆變器 經(jīng)常工作在額定功率以下， 利用率不高，造成了巨大的浪費。另一方面 ，電力系統(tǒng) 諧波 問題的 治理 日益迫切，有源電力濾波器 可以有效地抑制諧波 ，但是 較高 的 成本 阻礙了它的推廣應(yīng)用 。 光伏并網(wǎng)逆變器和有源電力濾波器 雖然用途不同，但 都 屬于 電壓源型逆變器 ，兩者主電路結(jié)構(gòu)一致 。 因此研 究 設(shè)計一種 光伏并網(wǎng)的 有源電力濾波器，使逆變 器 既能 實現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電 ， 又能利用剩余容量進行有源電力濾波 ， 不需要額外的設(shè)備投資 ， 僅通過優(yōu)化控制算法 ， 具有極大 的 應(yīng)用價值和經(jīng)濟效益 。本 文的主要工作有以下幾部分： （ 1） 闡述了有源電力濾波器的基本原理 ， 介紹了有源電力濾波器的分類， 重點研究了 三相四線并聯(lián) 有源電力濾波器的拓撲結(jié)構(gòu)， 并對其補償原理、諧波 和無功補償?shù)目刂撇呗赃M行了詳細的分析研究。 （ 2） 諧波及無功電流檢測 ， 對幾種常規(guī)檢測方法進行了分析比較， 確定了采用基于瞬時無功功率 理論的 算方式。 （ 3） 研究了光伏并網(wǎng)與有源濾波的統(tǒng)一控制， 在光伏并網(wǎng)發(fā)電中的最大功率點跟蹤（ 現(xiàn)方面，分析比較了 幾種 常用的最大功率跟蹤控制方法 ， 綜合各種方法的優(yōu)缺點， 確定了采用 一種改進型的 法 變步長電導增量法 ，這種方法在系統(tǒng)響應(yīng)速度和控制精度上 都有很大的提高； 在對光伏并網(wǎng)逆變器 與有源電力濾波進行比較的基礎(chǔ)上，研究了對二者進行統(tǒng)一控制的策略，對于指令電流的合成，提出了一種基于諧波補償電流限幅的指令電流合成策略。 （ 4） 利用 本文所設(shè)計的系統(tǒng)進行 建模與仿真。 三 峽 大 學 碩 士 學 位 論 文 7 2 有源電力濾波器 傳統(tǒng)的 波器只能補償固定次數(shù)的諧波，隨著當今電力系統(tǒng)負載的 日益 復雜化，其發(fā)揮的補償效果已 越來越有限。 有源電力濾波器 的出現(xiàn)，使得 動態(tài) 抑制諧波和補償無功 成為可能 ， 它適用于幅值變化的各次諧波 。 本章主要介紹了有源電 力濾波器的 基本 原理， 重點分析了 三相四線制 并聯(lián)型 有源電力濾波器的拓撲結(jié)構(gòu)，并對其補償原理、諧波和無功補償?shù)目刂撇呗赃M行了詳細的分析研究 ，包括 指令 電流和直流側(cè)電壓的 跟蹤 控制 。 源電力濾波器的基本原理 有源電力濾波器 的系統(tǒng)構(gòu)成及基本原理 25,26,27如圖 示， 系統(tǒng)側(cè)一般為電網(wǎng)，諧波源負載為非線性 的 阻感負載， 它產(chǎn)生諧波并消耗無功 。 有源電力濾波器的構(gòu)成包括畸變電流檢測電路、控制電路以及補償電流發(fā)生電路三個部分。其中，畸變電流檢測電路的作用是把諧波源中的畸變電流成分（諧波及無功等電流分量）分離出 來，作為指令信號?？刂齐娐穭t按照指令信號產(chǎn)生控制補償電流發(fā)生電路工作的 制信號。 補償電流發(fā)生電路負責產(chǎn)生補償電流并入電網(wǎng)，此電流與檢測出的畸變電流幅值相等，相位相差 180，從而與電網(wǎng)中的畸變電流相抵消，使得電網(wǎng)只含基波電流。 諧 諧 諧諧 諧 諧 諧諧 諧 諧 諧諧 諧諧 諧諧 諧 諧 諧諧 諧 諧 諧諧 諧 諧 諧 諧 諧 諧 諧 A P F 諧有源電力濾波器的 系統(tǒng) 構(gòu)成 圖 示的 有源電力濾波器的工作原理 圖中 ，畸變電流檢測電路 從 負載電流離出 諧波電流 將 它 反相 ， 產(chǎn)生出 控制 補償電流的指令信號 ，即 *c ，* 制電路產(chǎn)生出觸發(fā)脈沖，使逆變器產(chǎn)生出補償電流 蹤 * 使三 峽 大 學 碩 士 學 位 論 文 8 *，所以 L hi i i(*s L c L c L L h L fi i i i i i i i (于是 電網(wǎng)電流有基波分量因此實現(xiàn) 了 抑制 諧波的功能 。 如果要求有源電力濾波器同時具備補償諧波和無功的功能，只需把與負載電流基波無功分量反相的成分加入到補償電流的指令信號中 即可。 有源電力濾波器正常工作時， 作為 電路 主結(jié)構(gòu) 的 流器， 它實際上工作在兩種狀態(tài) ： 當產(chǎn)生補償電流時， 它工作在逆變狀態(tài) ；在 吸收 電網(wǎng) 有功功率 向有源電力濾波器直流側(cè) 電容 儲能時，它 工作在整流狀態(tài) 。 源電力濾波器的分類 有源電力濾波器 根據(jù)接入電網(wǎng)的方式及系統(tǒng)構(gòu)成，可 分為 并 聯(lián)型、 串 聯(lián)型和混合型 ，如圖 示。 有源諧力諧波器諧 諧 諧諧 諧 諧諧 L C 諧 諧諧 諧 諧 諧諧 諧 諧 諧諧 U P Q 諧諧 諧 諧諧 諧 諧 諧L C 諧 諧諧 諧 諧 諧L C 諧 諧圖 有源電力濾波器的分類 每一種類型的有源電力濾波器結(jié)構(gòu) 各有其特點，其工作原理、特性也不同 。 目前，工業(yè)上投入運行的 多為 并聯(lián)型有源電力濾波器 ，主要 用 于電流源型感性負載的諧 波 治理 ， 經(jīng)過 了實際應(yīng)用的驗證，功能相對完善， 技術(shù) 也較為 成熟 ， 其 基本 結(jié) 構(gòu)如圖 聯(lián)型有源電力濾波器通過 電感或藕合變壓器 接入 系統(tǒng)， 投切方便， 不 會 影響系統(tǒng)運行 ， 而且 具有功能豐富 、保護簡單 等 優(yōu)點 28。 三 峽 大 學 碩 士 學 位 論 文 9 諧 諧 諧 諧 諧 諧 諧 諧諧諧諧流A P 并聯(lián)型 有源電力濾波器的基本結(jié)構(gòu) 相四線 并聯(lián) 有源電力濾波器的拓撲結(jié)構(gòu) 按照 相數(shù) , 并聯(lián)型有源電力濾波器 可分為單相和三相 兩種類型 ， 其中 三相又分三相三線和三相四線兩種 結(jié)構(gòu) 。在民用 供電 、商業(yè)供電 的低壓配電系統(tǒng)中， 廣泛采用的是三相 四線制 29。 隨著辦公自動化的 推廣 和家用電器的普及，城市電網(wǎng) 中 民用和商業(yè)用戶的比例越來越大 ，已成為電力諧波污染的一個重要來源。 三相四線 并聯(lián)型有源濾波器經(jīng)過特別設(shè)計，能補償中性線電流（零序電流分量）， 使三相電流對稱， 并具有三相三線有源濾波器的所有補償特性 ， 因此 針對目前 大量存在的 三相四線制 系統(tǒng)， 即能 抑制 諧 波電流又能 消除 三相不平衡的并聯(lián) 型 有源電力濾波器 更具有研究價值 ， 本節(jié)對 三相四線 制 并聯(lián) 型 有源電力濾波器的主電路 拓撲結(jié)構(gòu) 進行了 分析 研究。 根據(jù) 對零線電流補償方 式 的不同， 三相四線 制 并聯(lián) 型 有源電力濾波器 的主電路結(jié)構(gòu)和控 制方式 也有所區(qū)別， 常 見 主電路的拓撲結(jié)構(gòu) 有 四 柱式變流器和 三 柱式 變流器兩種 30。 柱式變流器結(jié)構(gòu)形式 顧名思義，此結(jié)構(gòu)形式的三相四線制并聯(lián)型 關(guān)器件的布局呈四個橋柱，四柱式變流器 電路 結(jié)構(gòu)及與電網(wǎng) 的連接 方式如圖 示 。 四柱式變流器 結(jié)構(gòu)形式的 路中，四 根 橋柱 各司其職 ， 互不影響，其中， 第 1、 2、 3 根橋 柱 的作用是分別 產(chǎn)生 A、 B、 C 三 相 的補償電流， 單獨設(shè)有 第 4 根 橋柱用來產(chǎn)生對 零線的補償電流。 三 峽 大 學 碩 士 學 位 論 文 10 四柱式 變流器 與電網(wǎng) 連接原理圖 實際上， 這種電路結(jié)構(gòu) 是對 A、 B、 C 相及零線的補償電流分別單獨跟蹤控制 ，所以 各相的 補償效果 都 十分理想 。 這里，諧波及無功補償?shù)目刂撇呗约澳孀兤?直流側(cè)電容電壓 的 控制 可 參考三相三線制系統(tǒng) 中的 控制方法 31，這部分內(nèi)容會在 中有單 獨的討論。 柱式變流器結(jié)構(gòu)形式 三相四線 并聯(lián)型 有源電力濾波器的主電路也 可 采用 三柱式 變流器結(jié)構(gòu) 形式 ，其 原理圖如圖 示。 圖 圖 根本 區(qū) 別是兩者所用的功率半導體器件的數(shù)目及 零線的連接方式。 三柱式結(jié)構(gòu)比四柱式少用了一根橋柱，即節(jié)省了一對 半導體開關(guān)器件。三相四線制電力系統(tǒng)中的 零線 ，一種方式是連接在四柱式變流器結(jié)構(gòu)中的一根橋柱上 ，另一種方式則從 三柱式變流器 結(jié)構(gòu)中的直流側(cè)兩個電容之間引出 ， 通過 這里給零線電流 的補償 提供通道。 三相四線并聯(lián)型 有源電力濾波 器不僅可以對各相的諧波電流、無功 電流 進行補償，還能消除中線上的零序電流分量， 而 這些補償電流的產(chǎn)生 均需要 各個橋柱上半導體器件的開關(guān)動作來完成。采用三柱式 變流器結(jié)構(gòu)形式的三相四線制 控制三個橋柱動作時，既要考慮諧波電流、無功電流、零序電流成分，還要考慮直流側(cè) 電壓的控制，不僅要維持直流側(cè)兩個電容的 總壓幅值穩(wěn)定， 而且各自的分壓132,于是相應(yīng)的控制策略要 比四柱式變流器結(jié)構(gòu) 復雜一些。 因此， 圖 示的四柱式變流器拓撲 結(jié)構(gòu) 比圖 示的三柱式變流器拓撲 結(jié)構(gòu) 具有更好的可控性。但是，在 實際應(yīng)用中 ，傳統(tǒng)的三柱式變流器更受青睞，因為它三 峽 大 學 碩 士 學 位 論 文 11 所用的功率半導體器件數(shù)更少， 因而更經(jīng)濟 ，所以 本 文 采用 三柱式變流器結(jié)構(gòu) 。 圖 三柱式 變流器 與電網(wǎng) 連接原理圖 在 三相三線制 電力 系統(tǒng) 中，并聯(lián)型有源電力濾波器 采用的是三柱式變流器結(jié)構(gòu)形式， 三根橋柱產(chǎn)生的補償電流分別對應(yīng)補償對象的三相電流，假如不考慮零線電流的補償，這種電路結(jié)構(gòu)形式的補償策略可拓展應(yīng)用到三相四線制電力系統(tǒng)中 ，相關(guān)研究體現(xiàn)在 中 。 波抑制和無功補償?shù)目刂撇呗?按功能劃分， 有源電力濾波器 電路的構(gòu)成可分為指令電流運算部分和補償電流跟蹤控制部分，它們具體功能的實現(xiàn)通過以下幾個 主要 部件： 逆變器、 直流側(cè) 儲能 電容 、交流側(cè) 濾波 輸出 電感 等。 自 有源電力濾波器 誕生 以來，國內(nèi)外學者對它的研究從未停止，他們 的 工作的焦點內(nèi)容大多在以下幾個方面：畸變電流（ 諧波 及無功 電流 ） 檢測、補償電流指令信號 的跟蹤控制以及逆變器直流側(cè) 電容 電壓的 跟蹤 控制。 其中， 畸變電流的準確檢測和直流側(cè)電壓的穩(wěn)定控制是保證 常工作的前提，而 合理有效地跟蹤控制 指令電流 是 揮良好補償功能的 關(guān)鍵 。 關(guān)于 畸變電流 （ 諧波 及無功電流 ） 檢測 的研究工作將 在 第三章 單獨 介紹，本節(jié)的研究內(nèi)容是 有 源電力濾波器諧波抑制和無功補償?shù)目刂撇呗?， 也就是 補償電流 指令 信號以及 逆變器直流側(cè)電壓的 跟蹤 控制 。 三 峽 大 學 碩 士 學 位 論 文 12 令電流的跟蹤控 制 脈沖寬度調(diào)制技術(shù) ， 正是 由于它在逆變電路中的成功應(yīng)用，而成為電力電子技術(shù)的重要組成部分。 并聯(lián)型 作時就是應(yīng)用了 蹤控制技術(shù)，其基本思想是：以期望 產(chǎn)生 的補償電流 為 指令信號 *以實際生成的電流實時地比較兩者的差值，從而控制逆變電路各半導體開關(guān)器件的通斷，使得實際產(chǎn)生的補償電流實時跟蹤指令電流信號而變化。 目前 ， 有源電力濾波器應(yīng) 用較多 的 蹤控制 方 式 主要有兩種，即 三角波比較 方式 33和瞬時值 滯環(huán)比較 方式 34。 角波比較 方式 A*- + 諧P W M 諧 諧圖 三角波比較方式原理圖 傳統(tǒng) 用三角波作載波的 將補償電流指令信號 *三角波 信號 進行比較， 而 有源電力濾波器常采用的是如 圖 示的這種方式 ， 它與傳統(tǒng)方法的區(qū)別在于： 首先求出補償電流 指令 信號 *出的 補償電流 然后對這個差值進行比例放大或比例積分放大 ， 得出的信號 與 三角波 信號通過比較器 進行比較后生成 形 ，作為 控制 逆變電路 開關(guān)器件 通 斷的 信號， 產(chǎn)生合適的補償電流 。 此閉環(huán)控制系統(tǒng)的核心思想是控制偏差電流求達到最小 ， 這里， 放大環(huán)節(jié)中 比例 參 數(shù)或 積分參 數(shù) 的選擇將決定著 有源電力濾波器的 電流跟蹤特性 。 三角波比較 控制方式具有如下特點： （ 1） 硬件 電路 比較復雜； （ 2） 跟蹤誤差 較大； （ 3） 逆變器輸出的補償分量中包含與所采用的三角載波頻率相等的諧波成分，因此三角波的頻率將直接影響著補償效果； （ 4） 放大器的增益有限； （ 5） 逆變電路中半導體開關(guān)器件的通斷 頻率固定，且 與 三角 載波的頻率 相等 ； （ 6） 補償電流 響應(yīng) 實時性較差 。 綜上所述，對于 補償電流指令 信號快速變化的 統(tǒng)， 如果采用三角波比較方式的 控 制策略，補償效果并不理想 。 三 峽 大 學 碩 士 學 位 論 文 13 時值滯環(huán)比較方式 *- P W M 諧 諧諧 諧 諧 諧 諧圖 瞬時值滯環(huán)比較方式 原理圖 采用瞬時值滯環(huán)比較方式的 電流跟蹤型 制原理如 圖 示 。 此方式與三角波比較方式相比，取消了影響跟蹤性能的放大器環(huán)節(jié)，且無需 與 固定頻率的三角載 波 相比較 ，取而代之的是一個滯環(huán)比較器。 這種方式產(chǎn)生 制信號的 基本原理是： 首先通過減法器求得補償電流 指令信號 *償電流時值 偏差 將此偏差電流 輸入到 滯環(huán)比較器 之中 ， 如果設(shè)定 滯環(huán)比較器 的環(huán)寬 H 為 2那么控制 在 *和 *的范圍內(nèi)，呈鋸齒狀地跟蹤指令電流 * 由以上原理可知， 滯環(huán) 比較器環(huán)寬 H 的 取值將直接決定 控制電路 的跟蹤 性能 。如果 環(huán)寬 H 設(shè)定的 過寬， 逆變電路 開關(guān) 器件通斷 頻率 較 低， 開關(guān)損耗小，但是 跟蹤誤差大 ，導致 補償電流中 含有較多的 高次諧波 ； 反之， 環(huán)寬 H 設(shè)定 的 過窄 時， 可使得跟蹤結(jié)果更為精確 ，但 是開關(guān)器件通斷 頻率過高，開關(guān)損耗增大 。 因此，應(yīng)根據(jù)實際情況和補償?shù)闹笜艘螅瑱?quán)衡考慮，選擇合適的 滯環(huán) 比較器環(huán)寬 。 采用 瞬時值 滯環(huán)比較方式的 流跟蹤 控制 電路有如下特點 ： （ 1） 硬件電路結(jié)構(gòu) 簡單； （ 2） 補償電流響應(yīng)的實時性好 ； （ 3）不需要載波， 因此 逆變器的輸出 電壓 中不含 不需要 的 諧波分量； （ 4） 具有所有跟蹤型 制方式的共同點 閉環(huán)控制； （ 5） 若滯環(huán) 比較器 的 環(huán) 寬 H 不變 ， 那么 補償電流跟蹤 誤差大小 是固定的 。 有源電力濾波器 的補償效果受 對 諧波補償電流指令信號 的 跟蹤性能的 影響， 而指令信號是根據(jù)諧波及無功檢測的結(jié)果不斷變化的 ， 因此對指令電流的控制，除滿足精度要求外，還要具備良好的實時性。 根據(jù)上述兩種 流跟蹤 控制方式的分析與比較， 應(yīng)該 采用瞬時值滯環(huán)比較方式 ，因為與 三角波 比較 方式相比，此方式 跟蹤誤差更小，而且 補償量響應(yīng)速度 更 快。 三 峽 大 學 碩 士 學 位 論 文 14 變器直流側(cè)電壓 的跟蹤控制 逆變器直流側(cè)電容 的作用是 為逆變器電路 正常工作提供穩(wěn)定的直流電壓，如果 直流側(cè)電壓波動較大， 那么 脈寬調(diào)制 (動電路 就 不能發(fā)出 正確的開關(guān)信號， 就可能出現(xiàn) 欠補償或 過補償 ， 導致諧波補償效果降低 。 其中，欠補償 導 致補償不徹底，補償對象中依然殘留較多的諧波成分； 過補償 則有可能 導致 有源電力濾波器 反而成為一個新的諧波源，