三相有源电力滤波机控制系统的研制

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1、三相有源电力滤波机控制系统的研制1绪论1.1课题背景及意义随着电力电子技术的发展，电力电子装置已成为我们日常生活中不可或缺的一部分。人们在享受电力电子装置带给我们方便的同时也承受着随之而来的谐波污染问题的烦恼，电力电子装置已经超越变压器成为电力系统最主要的谐波源。另外，现代工业、商业及居民用户的用电设备对电能质量更加敏感，对供电质量提出了更高的要求；仅依靠无源滤波技术治理谐波已不能满足要求，人们渴望新的技术来更好的治理谐波，掀起了一股研究新技术和开发新产品的热潮[1-5]。APF被公认为是治理电网谐

2、波污染、提高电能质量最有效的手段。相比于PF(PassiveFilter,无源滤波器)，APF能够实现对谐波和无功功率的动态补偿，补偿特性受电网影响不大，既能实现单独补偿又能实现集中补偿，具有PF所无可比拟的优越性[6-10]。但是APF在国内的应用远没有到成熟阶段，还有很多问题等待研究和解决。本文的研究课题为企业合作项目27.5kV电气化铁路混合有源综合补偿装置。该企业已经完成了APF主电路的设计，受其委托，本文就其控制系统立项开展研究，目的是为该企业研制具有自主知识产权的控制系统提供工程参考，主

3、要包括硬件的设计和软件的设计，具有一定的工程应用意义。1.2国内外研究现状1.2.1电网电能质量问题主要解决措施电力系统中谐波产生的影响可以归结为以下几点[11-13]：谐波会增加用电设备的损耗，同时大大降低输、发电以及用电设备的效率。大量的3次谐波电流流经三相四线制系统的中线时，中线会出现过热现象，进而造成事故。谐波会使电网中电气设备无法正常工作。谐波使电气设备产生不必要的损耗、发热，从而缩短绝缘材料的使用寿命、加速用电设备的老化。谐波会影响继电保护装置的正常工作以及电表等测量仪表测量准确性。谐波

4、会干扰邻近的通信系统，产生噪声降低其通信质量，甚至导致信息丢失使通信系统无法正常工作。谐波会使电力系统中的PF产生谐振，放大谐波，进而加大谐波的危害，甚至引起严重的事故。电力系统中的谐波直接影响着系统的正常运行，谐波能够引发各种故障和事故，严重影响用户对电能的使用，因此，谐波的危害越来越引起人们的关注。如何准确的检测和抑制谐波成为了重要的研究课题。目前，被动治理措施的一个重要趋势是采用APF。APF是一种能够动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能对频率和幅值都是变化的谐波和无功电流进行补偿，补偿

5、特性不受电网阻抗的影响，克服了无源滤波的缺点[16-20]，因而受到广泛的关注，并已经在日本、美国等少数发达国家和地区获得了广泛应用。2APF工作原理及分类2.1APF的工作原理APF的系统原理图如图2.1所示，其中为电网电流，为负载电流，为补偿电流。负载电流可以分解为基波分量和谐波分量SiLi4CiL1i(2,3,)Lihh，由图2.1可知，各电流关系满足式2.1，APF控制系统主要由指令电流运算电路和补偿电流发生电路（由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成）两大部分组成[6]。通过检测

6、补偿对象的电压和电流，计算出补偿电流的指令信号，再根据指令信号控制变流器输出补偿电流，如果补偿电流，则hiiCLSL1ii，即电网电流只含有基波分量，使电源电流与电源电压为同相位的正弦波，且功率因数为1。2.2APF的分类APF可以从不同的角度分类，通常将APF按照接入系统方式、主电路结构及供电系统方式进行分类。APF按接入电力系统的方式，将APF分为串联型[32]、并联型[33]、串并联组合型[34]以及有源与无源混合型四种。串联型APF如图2.2所示。串联型APF与负载串联接入电网，相当于一个可

7、控的电压源，通过向电网中注入补偿电压，使负载两端的电压为期望的波形（纯正弦的基波），适合于对电源电压敏感的场合。串联型APF的主要缺点在于它必须通过所有的负载电流，使滤波器的电流等级、功率损耗、体积和重量大大增加，从而增加了系统的造价且不能补偿负载的无功电流，因此，串联型APF目前应用较少。并联型APF由SasakiH.于1971年提出，是APF中最基本的构成方式，其主接线方式如图2.3所示[35]。并联型APF与负载并联接入电网，相当于一个可控的电流源，控制其产生与电网中谐波电流幅值相等、极性相反

8、的谐波电流，从而抵消谐波源所产生的谐波以及无功，达到电源电流为正弦波且与电源电压同相位的目的，电网功率因数为1。过滤波器的电流仅仅是补偿电流，负载的有功电流不经过滤波器，但是，电源电压直接接加在逆变桥上，因此，对开关器件的电压等级要求较高。通过不同的控制可以实现补偿谐波、无功及负序分量，目前技术上已经相当成熟，工业上已投入运行的APF多采用此方案。串并联组合型APF是AkagiH.等人于1994年提出的一种综合了串联型APF和并联型APF的混合型有源滤波器，其主接线方