混合型有源电力滤波器结构和控制算法的研究与实现

第２８卷第３期　电力电容器　Ｖｏ１．２８　Ｎｏ．３　２００７年６月　Ｐｏｗｅｒ　Ｃａｐａｃｉｔｏｒ　Ｊｕｎ．２００７　混合型有源电力滤波器结构和　‘　控制算法的研究与实现　张佳，曾国宏，许晶菁　（北京交通大学电气工程学院。北京１０００４４）　摘　要：讨论了混合型有源电力滤波器的设计思路及实现方案。混合型有源电力滤波器由无　源补偿器和有源滤波器共同组成，采用了混合控制补偿的方法，实现了宽范围、大容量、动态补　偿的设计要求。同时，其基于ＤＳＰ的高性能数字化控制平台，改进的控制算法，优化的控制策　略，大大提高了补偿设备的实时性及补偿的效率和质量。　关键词：混合型有源电力滤波器；　无源补偿器；有源滤波器　中图分类号：ＴＮ７１３．１文献标识码：Ｂ文章编号：１００２－０３４９（２００７）０３－００２９－０４　Ｓｔｕｄｙ　ａｎｄ　Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｆｒａｍｅ　ａｎｄ　Ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ　ｏｆ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆｉｌｔｅｒ　ＺＨＡＮＧ　Ｊｉａ，ＺＥＮＧ　Ｇｕｏ—ｈｏｎｇ，ＸＵ　Ｊｉｎｇ－ｊｉｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００４４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｎｏｖｅｌ　ｈｙｂｒｉｄ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ（ＨＡＰＦ）ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｉｔ　ｉｓ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｏｆ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ（ＡＰＦ）ａｎｄ　ｐａｓｓｉｖｅ　ｆｉｌｔｅｒ（ＰＦ），ｕｓｅｓ　ｔｈｅ　ｈｙｂｒｉｄ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ　ｍｅｅｔｓ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｄｅｍａｎｄｓ　ｏｆ　ｗｉｄｅｒ　ｒａｎｇｅ，ｍｏｒｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ．ＨＡＰＦ　ｂａｓｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ＤＳＰ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ．Ａｎｄ　ｉｔｓ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ　ａｎｄ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｗｈｉｃｈ　ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ｔｈｅ　ｓｐｅｅｄ，ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｙｂｒｉｄ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ（ＨＡＰＦ）；Ｐａｓｓｉｖｅ　Ｆｉｌｔｅｒ（ＰＦ）；Ａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆｉｌｔｅｒ（ＡＰＦ）　１前言　存在工作点固定、体积大、容易与电网发生谐振等　随着现代工业的发展，电力系统中非线性负　自身难以克服的缺点。而有源滤波器虽然能够实　荷大量增加。各种非线性和时变性电子装置如逆　现动态补偿，但其容量有限，不能满足大容量设备　变器、整流器及各种开关电源大规模的应用，其负　的补偿要求。基于以上因素，促成了混合型电力　面效应也日益明显。电力电子装置的开关动作向　有源滤波器（ＨＡＰＦ）的产生与应用。　电网中注入了大量的谐波和次谐波分量，导致了　２　混合型有源电力滤波器的原理　交流电网中电压和电流波形的严重失真，从而代　混合型有源电力滤波器，由有源补偿网络和　替了传统的变压器等铁磁材料的非线性装置引起　无源补偿网络组成，其结构如图１所示，系统采用　的谐波，成为最主要的谐波源。电能质量的下降，　了有源滤波器和无源补偿器并联接人的方案。在　严重影响着供、用电设备的安全经济运行，降低了　这种结构中，无源补偿器可以包括多组单调谐滤　人们的生活质量。谐波治理是电能质量问题的核　波器或高通滤波器，负担了主要的补偿工作，而有　心内容之一，也是现代电力生产发展的迫切要求。　源滤波器只需补偿无源滤波器未能补偿的谐波和　目前，谐波抑制的主要手段之一是在谐波源　无功，补偿能量较小，因此只需提供很小的补偿电　上加装滤波装置，其中以无源滤波器居多。但其　流，大大减小了所需的变流器容量。　图２所示为补偿系统的电路原理图，补偿装　置针对三相四线制系统，图中矩形框内的部分即　｝收稿日期：２００６－１１．１３　・２９・　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２８卷第３期　２００７年６月　电力电容器　Ｐｏｗｅｒ　Ｃａｐａｃｉｔｏｒ　Ｖｏ１．２８　Ｎｏ．３　Ｊｕｎ．２００７　为混合型有源电力滤波器的结构图。其中ＰＨＣ　和ＨＳＶＣ为无源补偿网络，分别表示无源谐波补　偿和无源无功补偿。４ＱＣ是四象限变流器，它是　有源补偿网络的主体，其中开关器件由ＤＳＰ主控　板产生的ＰＷＭ信号控制通断，从而产生相应的　补偿电流。系统进行谐波和无功分析计算需要的　电源电压和负载电流信息是通过分布在电路中的　电压电流传感器采样获得的。　川个　Ｔ　４ｎ　图１　混合型有源电力滤波器原理框图　Ｉ　ｎ　ｄ　ｎＴＴ　ＴＴａ１，ｒ’　ＴｒａｎＡ　Ｂ　ｎ／１Ａ　ａ　　‘—３　『　●　④　Ｔ。Ｔ　ｔ　Ｔ！　ｏ　Ｖ　岔　ｌｋ　【　】　｝　（　＾　ｌ　⑥　—　Ｃ　Ｘ　ｙ　ｚ　ｃ　一　广－Ｃ　ｂ入ｐ　。＿－　Ｏ　【　冲　厂、　Ｊ　Ｌ，。　窖　七Ｉ　¨¨　　Ｔ：　Ｔ　Ｔ　Ｔ　图２　混合型有源电力滤波器结构图　２．１无源补偿器　图３表示了三相电路其中一相的无源补偿电　路，分别相当于图２的ＨＳＶＣ和ＰＨＣ的一个阻抗　本系统采用了并联型结构。同时四象限变流器采　用了电压源型结构，相比电流源型结构，它具有结　构简单、重量轻、损耗小、价格便宜以及容易多重　化等优点。　元件。在ＨＳＶＣ电路中，为了实现无功的无级调　节，将晶闸管投切的电容器（ＴＳＣ）分成三个部分　分别控制，各部分的容量需要与系统的总补偿容　量及有源滤波器的容量统一考虑，在此系统中，总　的补偿容量为５００ｋＶＡ，而有源滤波器的容量为　１００ｋＶＡ，因此，三条支路的容量分别为２００ｋＶＡ、　２００ｋＶＡ、１００ｋＶＡ，这样可以根据实时检测到的需　要补偿的容量来选择晶闸管投切。为了满足三相　不对称负载的补偿要求，ＨＳＶＣ电路中还配备了　晶闸管控制的电抗器（ＴＣＲ）。ＰＨＣ电路由３、５、７　次单调谐滤波器和高通滤波器组成。为了实现过　图３无源补偿网络　从结构上看，有源滤波器的控制系统由两大　载保护及波形记录和显示的功能，ＨＳＶＣ和ＰＨＣ　的各支路分别设置分流器，利用微处理器的Ａ／Ｄ　通道采集电流波形。　部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生　电路。其中，指令电流运算电路的主要功能是由　补偿对象的电流中提取所需补偿的谐波和无功等　电流分量，即所谓的谐波检测电路，它是通过ＤＳＰ　对电压电流信号实时采样分析实现的。补偿电流　发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的　补偿电流参考信号，通过四象限变流器，构造实际　的补偿电流。如图２中所示，变流器采用了四桥　臂机构，其中Ｔ７和Ｔ８组成的桥臂主要用来调节　和稳定有源滤波器的中线电流，控制上与其它三　２．２有源滤波器　有源滤波器根据其与被补偿对象连接的方式　不同而分为并联型和串联型两种。与串联型有源　电力滤波器相比，并联型有源电力滤波器通过耦　合变压器并入系统，不会对系统运行造成影响，具　有投切方便灵活以及各种保护简单的优点，所以　・３０．　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２８卷第３期　２００７年６月　电力电容器　Ｐｏｗｅｒ　Ｃａｐａｃｉｔｏｒ　Ｖｏ１．２８　Ｎｏ．３　Ｊｕｎ．２００７　个桥臂类似。四象限变流器的直流侧电容的作用　是为变流器提供电压支撑；而逆变器与外界电力　系统之间的耦合采用了隔离变压器，使得补偿器　和补偿对象之间没有直接的电气连接，便于不同　工作电平之间的耦合。　３指令电流的计算和补偿电流的生成　为了快速检测电流波形中的谐波，人们已经　发展出了很多方法，如基于快速傅立叶变换　（Ｆｎ）的数字分析法和基于瞬时无功功率的各种　快速检测方法及其衍生的方法。由于ＦＦｖｒ算法　需要对误差信号进行重构，运算较为复杂，故有一　定的延时，实时性较差。而基于瞬时无功功率的　谐波检测方法虽然能够迅速、准确地检测出被检　电流中的谐波分量和无功分量，但是当系统的电　压波形发生畸变时，０检测的精度将随之降低。所　　以本文针对三相四线制系统，讨论了一种改进的　＝　＝　谐波检测方法。—　．．．．．。．．２—．．　．．．．．．．３　．．．．．。Ｌ　２—３　．＿Ｓ　．：Ｓ　Ｓ　　Ｃ　Ｃ　Ｃ　由于三相四线制的三相电压和电流都是相互　ｎ　ｎ　ｎ　Ｏ　Ｏ　Ｏ　独立的，所以必须用三维向量才能给出完整的描　１●，，●●●●ｊ　一　＋　述，因此要检测三相四线制系统三相电流的谐波，２　２　　也必须利用三维空间向量的正交性，即正序向量　与正序向量的点积为直流分量，负序向量与负序　向量的点积为直流分量，零序向量与零序向量的　点积含有直流分量和交流分量，不同序向量的点　积要么为零，要么只有交流分量。一般，三相四线　制系统中由基波和谐波构成的电压或电流信号，　都可以表示为同次的正序信号、负序信号和零序　信号之和。　以基波为例，若已知三相电流信号分别为　。，　，　，则定义三相电流向量为　［ｓｉｎｔｏ　ｔ＝　ｓＬ　ｓｉｉｎｎ（（　２　ｔｏｔ　＋２１　）Ｔ／３）Ｊ　ｌ　（２）　川ｒｃｏｓｅｏｔ　］　－３／ｃｏｓ（ｔｏｔ　＋２＂ｒｒ／　／３）Ｌｃｏｓ（ｔｏｔ　一２１Ｔ３））ｊＪ　框　（３）　将两组虚拟单位向量分别与三相电流向量作　Ｆ　Ｆ　Ｆ　Ｆ　Ｆ　点积可以得到：　～Ｐ～Ｐ～Ｐ～Ｐ～Ｐ～Ｐ　ｎ　挖　加　殂　∞　厶　６．１　２　０　ｌ　２　）　　ｆ５６｝　叩　　ｆ厶‰　６　．‘．瑾　．５暑　．厶Ⅱ　．吼　．厶　‰　Ⅱ　弓暑　＋　＋　＋　＋　＋　＋　一　一　一　～　～　１　０　１　２　０　对式（４）得到的各点积结果进行低通滤波，　则得到点积结果中的直流分量ｐ　Ｐ一　，Ｐ一　。，一Ｐ　，　，Ｐ＿　。。于是可以求出基波的正序、负序和零序　分量为：　ｓｉｎ［ａ￣＋ａＩ℃掘ｎ（Ｐ２１　１）］　］　ｓｉｎ［ｔｏｔ＋ａｒｃｔａｎ（Ｐ＿２１／　１）］一２，ｒｒ／３］ｌ　ｓｉｎ［ｔｏｔ＋ａｒｃｔａｎ（Ｐ＿２１／　１）］＋２＂ｒｒ／３］Ｊ　・３ｌ・　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２８卷第３期　２００７年６月　电力电容器　Ｐｏｗｅｒ　Ｃａｐａｃｉｔｏｒ　Ｖ０１．２８　Ｎｏ．３　Ｊｕｎ．２００７　ｓｉｎ［ｔｏｔ＋ａｒｃｔａｎ（　／Ｐｌ２）］　ｓｉｎ［ｔｏｔ＋ａｒｃｔａｎ（　１　不变的，但由于有源滤波器本身要消耗功率，会引　起电容的电压波动，所以为了保持电容电压不变，　设置一个参考量　，与之比较，用以补偿有源滤波　器消耗的功率。　４控制策略及实验波形　ｓｉｎ［ｏｔｔ＋ａｒｃｔａｎ（　／一Ｐ，２）］＋２＂ｒｒ／３］ｌ　２）］＿２＂ｒｒ／３］．Ｊ　睡　］　ｓｉｎ［ｔｏｔ＋ａｒｃｔａｎ（　／Ｐ，０）］１　有源滤波器系统的控制策略，可归结为在指令　电流已知的情况下，如何控制变流器桥臂的状态，　使电源电流能跟随指令电流变化，并且在开关频率　一定的前提下使跟随误差最小，或在跟随误差一定　ｓｉｎ［ｏｔｔ＋ａｒｃｔａｎ（　／Ｐ一，０）］ｌ　ｓｉｎ［ｏｔｔ＋ａｒｃｔａｎ（　／＿Ｐｌ０）］．Ｊ　所以可以求出三相电流中的谐波分量，即　（５）　的前提下使开关频率最低，或制定一定的控制目　标，使跟随误差与开关频率的综合指标最优。　变流器补偿电流的产生通常采用基于ＰＷＭ　的电压型变流器，从采用的电流控制方法看，主要　有三角载波线性控制、滞环比较控制和无差拍控制　三种。由于本系统采用的是高性能的ＤＳＰ控制系　统，所以选用了基于全数字化控制技术的无差拍控　制法，其基本思想是根据系统当前的状态，预测系　［　三］：［至］一［　三］一［　］一［　三］　ｃ６　用同样的方法，只要定义相应次序的虚拟向　量，便可以抽取三相四线制系统三相电流中的任　统在随后一段时间内的所有开关状态。利用以上　计算出的指令电流，采用无差拍控制，由ＤＳＰ产生　ＰＷＭ控制波形，控制四象限变流器产生实际的补　电　偿电流。本系统的实验波形如图４所示。　波　形　意次谐波的正序、负序和零序分量。因此，这种谐　波检测方法可以用于消除特定谐波的控制。对于　分离基波正序分量，将检测到的电源电压的相位　作为虚拟向量的基准相位，幅值的２／３作为系数，　将其与电流信号做点积，再通过低通滤波，就能得　出瞬时有功功率。　使用上面的方法已经分离出了基波正序电　流，而在实际补偿中，四象限变流器还要消耗一部　分功率，所以在电源提供实际有功分量中还应该　把这一部分加进去。指令电流的产生如图４所　示。　Ｖ　———————————，——｛——————————————————————————————．．．．—１　ｌ　１００　０．０　｝８８　Ｏ　０　｝８８　０．０　１００　Ｏ　篆象　茎　卜叵　指　Ｅ三三笔笼　ｖ　（Ａ）：ｔ（ａ）　１００　ｌｏｓ　Ｓ　Ｏ　０　１００　ｌ００　（Ａ）。ｔ（ａ）　善ｏ　０　１ｏｏ　１００　：＿ｌ　０ｌ２　０ｌ４　０ｌ６　０ｌ８　０　２　０　２２　ｔｔｓ）　善０　０　ｌ　ｌ００　０　０　０　０２　０　０４　０　０６　００８　０ｌ　丕丕　］　…　（ｃ）补偿后的电源电流波形　其中Ｖｄｃ是四象限变流器直流侧电容两端的　图４仿真波形　（下转第４５页）　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２８卷第３期　２００７年６月　电力电容器　Ｐｏｗｅｒ　Ｃａｐａｃｉｔｏｒ　Ｖｏ１．２８　Ｎｏ．３　Ｊｕｎ．２ｏ０７　都发展得很快。目前，在这一研究领域主要存在两　方面的问题：（１）理论还不够完善。对于非正弦电　路中的功率问题，还没有一个能够使各方面都能接　受的理论。这样就影响到了功率的检测、计量，也　使谐波抑制的性能受到影响。（２）工程实现上还　存在问题。主要表现在电力电子器件的性能方面。　起的谐波计算方法［Ｊ］．电力系统及其自动化学　报，１９９３，５（１）．　［３］Ｇｅｏｒｇｅ　Ｊ．Ｗａｋｉｌｅｈ，Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｈａｒｍｏｎｉｃｓ：　Ｆｕｎｄａｍｅｎｔｌｓ，Ａｎａｌａｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｆｉｌｔｅｒ　Ｄｅｓｉｇｎ，徐政译　北京：机械工业出版社，２００５．　［４］卢志海，厉吉文等．电气化铁路对电力系统的　要改善电力系统供电质量，就需要大容量的设备。　影响［Ｊ］．继电器，２００４，３２（１１）．　电力电子器件的性能会对电力电子装置的性能产　［５］王兆安，杨君等．谐波抑制和无功功率补偿　生重大的影响。目前电力电子器件的发展水平使　［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００４．　大容量电力电子装置的发展受到制约。　［６］李建华，豆风梅，夏道止．韶山ＩＶ型电力机车　由于电力电子装置在中、小功率领域中的广　谐波电流的分析计算［Ｊ］．电力系统自动化，　泛应用，谐波污染问题１３益严重，而在这一领域，　１９９９，２５（１６）．　电力电子技术比较成熟。因此，谐波抑制应当首　［７］朗维川．供电系统谐波的产生、危害及其防护　先在这一领域应用。最为根本的措施是发展不会　对策［Ｊ］．高电压技术，２００２，２８（６）．　对电网造成较大污染的电力电子设备，而不是被　［８］郭知彼．电气化铁路电能质量的综合治理　动地先污染，再治理。单位功率因数电力电子设　［Ｊ］．变流技术与电力牵引，２００６（２）　备应当是以后的发展趋势。本文的整流一斩波方　［９］Ｍａｌｉｎｏｗｓｋｉ　Ｍ，Ｋａｚｍｉｅｒｋｏｗｓｋｉ　Ｍ　Ｐ．Ｓｉｍｕｌａ—　案，正是基于这一思想，并考虑到电气化铁路供电　ｔｉｏｎ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｆｌｕｘ　Ｂａｓｅｄ　Ｄｉｒｅｃｔ　Ｐｏｗｅｒ　Ｃｏｎ—　系统的特殊性提出的。　ｔｒｏｌ　ｆｏｒ　Ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ　ＰＷＭ　Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓ．Ａｎｎｕａｌ　Ｃｏｎ—　随着谐波抑制技术的发展，电力系统的供电　ｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＩＥＥＥ，２０００：２６２０—２６２５　质量必将会有很大的提高。　作者简介：　参考文献：　徐淑文（１９８１一），女，山东德州人，硕士研究生，主要研究　［１］林海雪，孙树勤．电力网中的谐波［Ｍ］．北京：　方向为电力系统运行与控制。　中国电力出版社，１９９８．　栾兆文（１９６０一），男，山东龙口人，教授，主要研究方向为　［２］李建华，夏道止．铁道电气化在电力系统中引　电力系统运行与控制稳定分析与控制，计算机及信息技　术在电力系统中的应用。Ｅｍａｉｌ：ｗｅｎｗｅｎｘｕ６６＠１６３．ｃｏｍ　（上接第３２页）　５结语　参考文献：　本文主要对混合型有源滤波器的原理、系统　［１］王兆安，杨君，刘进军．谐波抑制和无功功率　构成和主电路形式作了讨论，针对谐波的补偿提　补偿［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９８．　出了指令电流产生的同步检测法，并在分析基于　［２］曾国宏．基于Ｚ／单相平衡变换的铁道新型　三相四线制系统的混合型有源滤波器拓扑结构的　牵引供电系统研究［Ｊ］．北京交通大学博士学位　基础上提出了三相电流综合误差最小的开关控制　论文，２００２．　策略。混合型有源滤波器集合了无源补偿器和有　［３］姜齐荣，赵东元，陈建业．有源电力滤波器　源滤波器的优点，从实验波形来看，补偿后的系统　［Ｍ］．北京：科学出版社，２００５．　电流电压波形已经基本符合补偿要求。同时，因　为采用ＤＳＰ数字化控制，所以系统调试方便，控　作者简介：　制方案设置灵活，可以迅速修改控制方法和算法，　张佳（１９８１一），男，山东人，主要从事电能质量控制方　因此，混合型有源滤波器在电能质量控制领域有　面的研究。Ｅｍａｉｌ：ｄｑｚｈａｎ西＠ｍａｓｔｅｒ０４．ｂｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　广阔的发展前景。　・４５・