毕业设计（论文）基于DSP有源滤波器的设计与应用研究.doc

各专业完整优秀毕业论文设计图纸 基于DSP有源滤波器的设计与应用研究 摘要 本文先分析了谐波产生的原因，以及各种无源滤波和有源滤波技术，并进行了对比。再在分析有源滤波的基本原理以及分类的基础上，介绍了电力有源滤波器的系统构成分类，以及谐波检测方法，并选用基于瞬时无功理论的ipiq检测算法进行电力有源滤波器的谐波检测。本文还提出了基于DSP的有源电力滤波器的硬件设计方案。对有源滤波器硬件系统的同步信号以及锁相环倍频电路进行了详细的说明；结合信号前端处理的电路原理图，设计了本系统的模拟信号采集系统，IPM功率单元模块驱动电路，以及实验装置供电电源板等。关键词：有源电力滤波器；数字信号处理器；瞬时无功功率；谐波检测 ABSTRACT This article first analyzes the causes of harmonics, and a variety of passive filter and active filter technology, and compared. Further analysis of the basic principle of active filtering and classification based on active power filter presented constitute a classification system, and the harmonic detection method and selection based on instantaneous reactive power theory of ip-iq active power detection algorithm Filter harmonic detection. This paper also proposed the active power filter based on DSP hardware design. Hardware system on the active filter and phase locked loop frequency synchronization signal to a detailed description of the circuit; combination of front-end signal processing circuit diagram, designed the system analog signal acquisition system, IPM power module driving circuit unit, and Experimental device power supply board.Key words: active power filter, digital signal processor, instantaneous reactive power, harmonic detection目录摘要IABSTRACTII第1章 引言- 1 -1.1 谐波研究现状- 1 -1.2谐波的产生原因- 2 -1.3 谐波源主要包括哪些设备- 3 -1.3.1 电力电子- 3 -1.3.2 可饱和设备- 3 -1.3.3电弧炉设备及气体电光源设备- 3 -1.4谐波的危害- 4 -1.4.1 谐波对电网的污染- 4 -1.4.2 谐波引发各种电力电子设备出现故障- 4 -1.4.3 对开关和继电保护的危害- 5 -1.4.4 谐波对IT设备的危害- 5 -第2章 谐波抑制方法- 6 -2.1 降低谐波源的谐波含量- 6 -2.1.1 增加整流器的脉动数- 6 -2.1.2脉宽调制法- 6 -2.1.3 三相整流变压器采用Y或Y的接线- 6 -2.2 在谐波源处吸收谐波电流- 6 -2.2.1 无源滤波器- 7 -2.2.2 有源滤波器- 7 -2.2.3 防止并联电容器组对谐波的放大- 7 -2.3 改善供电环境- 8 -2.4传统谐波抑制方法的不足- 8 -2.5 有源电力滤波技术及其优点- 9 -第3章 有源滤波器- 10 -3.1 有源滤波器发展现状及前景- 10 -3.2 有源滤波器的基本原理- 10 -3.3 有源滤波器的系统构成和主电路形式- 12 -3.3.1 单独使用的有源滤波器的系统构成- 12 -3.3.2 有源滤波器的主电路形式- 14 -3.3.3 多重化的主电路形式- 15 -3.4 有源滤波器的谐波电流检测方法- 17 -3.4.1 基于频域分析的模拟带通或带阻滤波器检测法- 17 -3.4.3基于瞬时无功理论的谐波快速检测法- 18 -3.5并联型有源电力滤波器- 20 -3.5.1 指令运算电路- 21 -3.5.2 电流跟踪控制电路- 22 -3.6串联型有源电力滤波器- 31 -3.6.1 串联型有源电力滤波器的结构和基本原理- 31 -3.6.2 串联型有源电力滤波器的控制方式- 32 -3.6.2 串联型和并联型有源电力滤波器的对比- 37 -第4章 有源滤波器的硬件和软件设计- 38 -4.1 三相四线制有源滤波器的系统结构- 38 -4.2 APF系统框图- 38 -4.3 DSP控制板电路设计- 40 -4.3.1 CPU及总线结构- 41 -4.3.2存储器配置- 42 -4.3.3事件管理器模块- 42 -4.3.4 片内集成外设- 43 -4.4 电压电流采样电路设计- 45 -4.4.1同步信号以及锁相环倍频电路- 45 -4.4.2电流采样电路- 50 -4.5 IPM功率单元设计- 51 -4.6 供电电源电路设计- 54 -第5章 总结与展望- 55 -5.1 全文总结- 55 -5.2今后的工作与展望- 56 -结 束 语- 57 -致 谢- 58 -参考文献- 59 -第1章 引言1.1 谐波研究现状在环境保护问题日益受到关注的今天，人们已经认识到电力系统环境净化的必要性。在电网污染日益严重的情况下，对电网质量的研究和保护自然具有十分重要的意义，而电力系统的谐波是衡量电能质量的一项重要指标。电力系统谐波和无功的来源主要是源自电网中的非线性负载，如电弧炉、变压器、电力电子装置等，随着这类设备日益广泛的应用和单机容量的不断增大，电力电子装置的谐波污染问题已经成为电气电子工程领域关注和研究的焦点问题之一。不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统和电力电子设备谐波的标准和规定，这有力的促进了学术界和工程界对谐波抑制技术的研究。本文将对有源滤波器产生的背景，有源滤波器的优点，原理，主电路的设计等进行研究。正是由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置的日益广泛应用，谐波污染的日趋严重，谐波问题已在世界范围内得到了广泛的关注。1982年，国际电工委员会第一次制定了通用电器设备产生谐波的限制标准 IEC-55，并且在以后的执行过程中不断地进行了修订和完善，是一部最早的最具权威的谐波限制标准，在欧美等发达国家已被强制执行MI。1993年，美国电气和电子工程师学会在以上标准的基础上进行了修改和补充，制定了IEEE-519谐波限制标准 。另外，国际大电网会议、国际供电会议等国际性学术组织，也相继成立了专门的电力系统谐波工作组，并已制定出了限制电力系统谐波的相关标准。国际国内召开了多次有关谐波问题的学术会议，探讨和交流谐波治理的方法和经验。新的谐波检测方法层出不穷，如Akagi H等学者提出的基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法，该方法具有较好的实时性，而且既能治理谐波又能补偿无功功率；又如基于傅立叶变换的谐波检测方法，该方法具有检测精度较高、实现简单、功能多和使用方便等诸多优点，因而在频谱分析和谐波检测两个方面均得到了比较广泛的应用。针对现有的各种谐波电流检测方法都存在延时问题，近年来提出了一些新型谐波电流预测方法，如基于加权一阶局域理论的谐波电流预测方法。这些成果的取得无疑促进了有源电力滤波技术的发展，特别是进入80年代以后，由于新型电力半导体开关器件的出现，PWM控制技术的发展，以及新型谐波电流检测方法的提出，有源电力滤波技术(Active Power Filter简称APF)得以迅速发展。国外有源电力滤波器的研究以日本为代表，1982年第一台实用的有源电力滤波器装置投入实际运行，现已步入实用化阶段。尽管如此，由于APF初期投入大，补偿容量难以做大等原因，使得APF未能普及应用。因此， 目前在理论和应用两方面都存在许多问题，需要进一步研究和解决。近10多年来，对电力谐波问题的研究已经大大超过了电力系统自身的研究范围，渗透到电工理论、非线性系统理论、数字信号处理、电力电子等学科领域，对电力谐波的研究已取得了前所未有的进展，并有了许多重要发展。谐波问题逐渐被认识和了解，对其产生的原因，计算方法的分析，危害与影响的机理，测量与评估标准的制定，以及研究综合治理措施等方面的探索也在不断深入。但由于谐波问题复杂，涉及领域宽，目前仍有大量问题需要解决。谐波研究工作概括起来可以划分为4个方面。1)谐波功率理论研究；2)谐波及其危害和影响的分析，制定限制谐波的标准；3)谐波有关的测量问题；4)谐波的补偿和抑制。1.2谐波的产生原因 电网中的谐波主要是由各种大量电力和用电变流设备以及其它非线性负载产生的。当正弦基波电压(当电源阻抗为零阻抗时)施加于非线性负荷时，负荷吸收的电流与施加的电压波形不同，畸变的电流影响电流回路中的配电设施。在实际存在系统电源阻抗时，畸变电流将在阻抗上产生电压降，因而产生畸变电压，畸变电压将对负载产生影响。系统中的主要谐波源可分为两大类:含半导体非线性元件的谐波源；由于PWM变换器的数学模型为非线性时变耦合的多阶系统，基于线性系统的现代控制理论算法很难获得完全理想的控制效果。因此，工程使用上不如前述几种通用的控制策略。 1.3 谐波源主要包括哪些设备 1.3.1 电力电子电力电子设备主要包括整流器、变频器、开关电源、静态换流器、晶闸管系统及其他SCR控制系统等。由于工业与民用电力设备常用到这类电力电子设备和电路如整流和变频电路，其负载性质一般分为感性的容性两种，感性负载的单相整流电路为含奇次谐波的电流型谐波源，其谐波含量与电容值大小有关，电容值越大，谐波含量越大。变频电路谐波源由于采用的是相位控制，其谐波成分不仅含有整流倍数的谐波，还含有非整流倍数的间谐波。 1.3.2 可饱和设备 可饱和设备主要包括变压器、电动机、发电机等。可饱和设备是非线性设备，其铁心材料具有非线性磁化曲线的磁滞回线，在正弦波电压的作用下，励磁电流为对称函数，并满足：f（wt+）=-f（wt） 应用傅立叶级数分解时仅含有奇次项，对于三相对称的变压器，3次谐波的奇数倍(3次、6次、9次) 谐波均匀为零序，可认为变压器是只产生奇次谐波的电流源型谐波源。变压器的谐波次数还受到一、二次侧接线方式的影响，谐波的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关，变压器空载时，铁心的饱和程度超高，谐波电流就越大。与电力电子设备的电弧设备相比，可饱和设备上的谐波在未饱和的情况下，其谐波的幅值往往可以忽略。 1.3.3电弧炉设备及气体电光源设备 电弧炉在熔炼金属过程中的非线性影响将产生大量的谐波。气体电光源包括荧光灯、卤化灯、霓虹灯等。根据这类气体放电光源的伏安特性，其非线性十分严重，同时含有负的伏安特性。而气体灯具工作时要与电感性镇流器相串联，并使其综合伏安特性不再为负才能正常工作。由于镇流器的非线性相当严重，其中三次谐波含量在20%以上，其特性为对称函数，只含有奇次谐波，所以气体电光源设备属于电流型谐波源。1.4谐波的危害谐波的危害是多方面的，对不同的主体会造成不一样的危害。简单归纳为一下几个方面。1.4.1 谐波对电网的污染1造成电网的功率损耗增加，设备寿命缩短，接地保护功能失常，遥控功能失常，线路和设备过热等，特别是三次谐波会产生非常大的中性线电流，使得配电变压器的零线电流甚至超过相线电流值，造成设备的不安全运行。谐波对电网的安全性、稳定性可靠性电流影响还表现在可能引起电网发生谐振，使正常的供电中断、事故扩大、电网解裂。 2. 引起变电站局部并联或串联谐振，造成电压互感器设备损坏;造成变电站系统中的设备元器件产生附加的谐波损耗、引起电力变压器、电力电缆、电动机等设备发热，电容器损坏，并加速绝材料的老化;造成断路器电弧熄灭时间的延长，影响断路器的开断容量;造成电子元器件的继电保护或自动装置误动作;影响电子仪表和通信系统的正常工作，降低通信质量;增大附加磁场的干扰等。1.4.2 谐波引发各种电力电子设备出现故障1.谐波使系统中的元件产生附加的谐波损耗，除降低了发电、输配电和其他用电设备的效率以外，在三相四线制的电路中，由于大量的零序谐波电流，特别是3次谐波电流流过中线，会引起中线过热，有引发火灾的危险。另外，异常的、过大的中线电流的增加，会导致电网中线对地线的电压突增，将危及数据处理系统的安全。2.谐波对于旋转电动机来说，除了增加损耗和引起发热以外，还会产生机械振动、噪声和谐波过电压，对电动机的寿命造成严重的影响。3.谐波电流流入变压器，对变压器而言，谐波电流可导致铜损和杂散损增加，谐波电压则会增加铁损。与纯正基本波运行的正弦电流和电压相较，谐波对变压器的整体影响是温升较高。须注意的是，这些由谐波所引起的额外损失将与电流和频率的平方成比例上升，进而导致变压器的基波负载容量下降。而当你为非线性负载选择正确的变压器额定容量时，应考虑足够的降载因数，以确保变压器温升在允许的范围内。还应注意的是用户由于谐波所造成的额外损失将按所消耗的能量(千瓦小时)反应在电费上，而且谐波也会导致变压器噪声增加。4. 谐波电流流经电力电缆，在导体中非正弦波电流产生的热量与俱有相同均方根值的纯正弦波电流相较，则非正弦波有较高的热量。该额外温升是由众所周知的集肤效应和邻近效应所引起的，而这两种现象取决于频率及导体的尺寸和间隔。长期的过热运行将导致电缆的绝缘老化，甚至产生漏电和短路现象。1.4.3 对开关和继电保护的危害 谐波电流也会引起开关之额外损失，并提高温升使承载基波电流能力降低。温升的提高对某些绝缘组件而言会降低其使用寿命。低压断路器之固态跳脱装置，系根据电流峰值来动作，而此种型式之跳脱装置会因馈线供电给非线性负载而导致不正常跳闸。1.4.4 谐波对IT设备的危害在计算机机房中，大量使用PC、服务器、交换机等整流滤波型非线性负载，它们向电网注入零序电流，使电网受到污染。反过来，电网的低功率因数会影响IT设备的正常运行第2章 谐波抑制方法    在电力系统中对谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流，以便把谐波电压控制在限定值之内，抑制谐波电流主要有三方面的措施：2.1 降低谐波源的谐波含量 也就是在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极，能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有：2.1.1 增加整流器的脉动数 整流器是电网中的主要谐波源，其特征频谱为：nKp±1，则可知脉冲数p增加，n也相应增大，而InI1n，故谐波电流将减少。因此，增加整流脉动数，可平滑波形，减少谐波。2.1.2脉宽调制法    采用PWM，在所需的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲可以达到抑制谐波的目的。2.1.3 三相整流变压器采用Y或Y的接线这种接线可消除3的倍数次的高次谐波，这是抑制高次谐波的最基本的方法。2.2 在谐波源处吸收谐波电流    这类方法是对已有的谐波进行有效抑制的方法，这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。主要方法有以下几种：2.2.1 无源滤波器    无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、C、R元件构成谐振回路，当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在着许多缺点，如滤波易受系统参数的影响；对某些次谐波有放大的可能；耗费多、体积大等。因而随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。2.2.2 有源滤波器    早在70年代初期，日本学者就提出了有源滤波器APF（Active Power Filter）的概念，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。    与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点；在性价比上较为合理；滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。目前在国外高低压有源滤波技术已应用到实践，而我国还仅应用到低压有源滤波技术。随着容量的不断提高，有源滤波技术作为改善电能质量的关键技术，其应用范围也将从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统的电能质量的方向发展。2.2.3 防止并联电容器组对谐波的放大 在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用，危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，还可以采取限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。 快速变化的谐波源，如：电弧炉、电力机车和卷扬机等，除了产生谐波外，往往还会引起供电电压的波动和闪变，有的还会造成系统电压三相不平衡，严重影响公用电网的电能质量。在谐波源处并联装设静止无功补偿装置，可有效减小波动的谐波量，同时，可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡，还可补偿功率因数。2.3 改善供电环境 选择合理的供电电压并尽可能保持三相电压平衡，可以有效地减小谐波对电网的影响。谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电，承受谐波的能力将会增大。对谐波源负荷由专门的线路供电，减少谐波对其它负荷的影响，也有助于集中抑制和消除1 。2.4传统谐波抑制方法的不足在实际应用中，无源滤波器存在下面几个问题：(1) 只能抑制按设计要求规定的谐波成分，有时由于高次谐波成分复杂，必须同时加入多个滤波电路，这会使整个无源滤波装置的容量和体积增大，损耗增加。同时考虑到成本问题，不可能仅靠增加无源滤波器数量的办法来提高滤波效果。(2) 谐波电流过大时可能造成无源滤波器的过载，损坏设备。(3) 无源滤波器的滤波效果将随系统的运行情况而变化，特别是对电网阻抗和频率的变化十分敏感，在这种情况下难以保证滤波效果。在一个复杂的电力系统中，这两个参数的变化规律很难精确预知的，因此一个实际的无源滤波器要达到理想的滤波效果是很难的。(4) 对特殊的谐波或系统阻抗和频率变化时，有可能因为与电源阻抗在电源侧发生并联谐振而产生“谐波电流放大”现象，从而使无源滤波装置无法正常工作，严重时会损害无源滤波器。(5) 可能与电力系统发生串联谐振，造成电压波形畸变而产生附加的谐波电流流进无源滤波器，影响滤波效果2。2.5 有源电力滤波技术及其优点目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器(APF)，APF其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含与电网电压同相的基波成分。APF是一种动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置，它能对频率和幅值都变化的谐波和无功进行补偿，可以弥补无源滤波器的不足，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的谐波补偿装置。与无源电力滤波器相比，有源电力滤波器具有以下优点:(1) 实现了动态补偿。有源电力滤波器可对频率和幅值都变化的谐波进行补偿，对补偿对象有极快的响应.(2) 可同时对谐波、无功和负序电流进行补偿，也可单独补偿谐波、无功或负序电流，补偿无功的程度可连续调节。(3) 在实际应用中，有源电力滤波器的贮能元件容量很小。(4) 即使需要补偿的电流超过其额定值，也不会发生过载情况，并能在其额定容量内继续正常工作。(5) 受电网阻抗的影响较小，不易与电网阻抗发生谐振。(6) 能跟踪谐波频率的变化，补偿性能不受谐波频率的影响。随着开关器件的制造技术、谐波检测技术和电流控制技术的发展，有源电力滤波器的技术会不断进步，应用会不断增加。第3章 有源滤波器3.1 有源滤波器发展现状及前景有源电力滤波器作为改善电能质量的关键技术,其开发和应用得到全世界特别是发达国家的重视。从目前研究现状和应用水平看出APF的发展趋势为如下几个方面: 增大器件容量,提高开关频率,以实现电流的快速控制,提高补偿效果。此外,应用多重化技术也能提高器件等效开关频率,实现对高次谐波有效补偿; 降低价格,提高性价比;有源滤波器能消除高次谐波,提高系统稳压性、抑制闪变和补偿无功等;一机多用符合当今电力系统发展需要,提高性价比是APF实用方向之一。随着电力电子器件制造水平提高和发展,混合型系统成本优势逐渐消失,于功能强大,将是一种有发展前途的有源滤波器; 降低损耗,提高系统的可靠性方面研究:包括采用合理的开关频率,选择适当的吸收回路,以提高装置使用效率,采用过流、过压保护技术,故障诊断技术以使系统工作可靠等都是有待进一步发展的方向。我国在有源电力滤波器方面研究起步较晚,目前还主要以理论研究和实验为主,今后加强引进发达国家技术,提高器件制造水平;发展适合我国电力系统标准的控制技术,研制开发低损耗、低价格、大容量的APF;是加快APF在生产实际的应用,改善电能质量的有效途径 3 。3.2 有源滤波器的基本原理 图3-1所示为最基本的有源电力滤波器系统的原理图。有源电力滤波器系统主要由两大部分组成，即指令电流检测电路和补偿电流发生电路。下文根据并联型有源滤波器的系统结构对有源滤波器的基本原理进行讨论。 有源滤波器系统由两大部分组成，即指令运算电路和补偿电流发生电路（有电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成）。其中指令电流检测电路的功能主要是从负载电流中分离出谐波电流分量和基波无功电流，然后将其反极性作用后发生补偿电流的指令信号。电流跟踪控制电路的功能是根据主电路产生的补偿电流，计算出主电路各开关器件的触发脉冲，此脉冲经驱动电路 图3-1 并联型有源滤波器系统构成后作用于主电路。这样电源电流中只含有基波的有功分量，从而达到消除谐波与进行无功补偿的目的。根据同样的原理，电力有源滤波器还能对不对称三相电路的负序电流分量进行补偿4。例如，当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象负载电流的谐波分量，将其反极性后作为补偿电流的指令信号，由补偿电流发生电路产生的补偿电流，即与负载电流中的谐波分量大小相等、方向相反，因而两者互相抵消使得电源电流中只含基波，不合谐波。这样就达到了抑制电源电流中谐波的目的。(3-1)(3-2)(3-3)(3-4) 公式描述： 3.3 有源滤波器的系统构成和主电路形式 最早的有源电力滤波器为单独使用的并联型有源电力滤波器，经多年的发展，为尽量发挥有源电力滤波器的特长、提高其件能，并尽量减小其容量提出了串联混合利有源电力滤波器、并联混合型有源电力滤波器等，为适应不同的补偿村象，提出了串联型电源电力滤波器等。并联和串联是按有源滤波器接入电网的方式来分类的。具体分类如图 图3-2 有源滤波器的系统构成分类3.3.1 单独使用的有源滤波器的系统构成 图3-3 并联型有源滤波器    图3-3所示为单独使用的并联型有源滤波器的基本结构。它主要适用于电流源型非线性负载的谐波电流抵消、无功补偿以及平衡三相系统中的不平衡电流等。目前并联型有源滤波器在技术上已较成熟，它也是当前应用最为广泛的一种有源滤波器拓补结构。图3-4串联型有源滤波器 图3-4所示为单独使用的串联型有源滤波器的基本结构。它通过一个匹配变压器将有源滤波器串联于电源和负载之间，以消除电压谐波，平衡或调整负载的端电压。与并联型有源滤波器相比，串联型有源滤波器损耗较大，且各种保护电路也较复杂，因此，很少研究单独使用的串联型有源滤波器，而大多数将它作为混合型有源滤波器的一部分予以研究。图3-5混合型有源滤波器    图3-5所示为混合型有源滤波器的基本结构。它是在串联型有源滤波器的基础上使用一些大容量的无源L-C滤波网络来承担消除低次谐波，进行无功补偿的任务。而串联型有源滤波器只承担消除高次谐振及阻尼无源LC网络与线路阻抗产生的谐波谐振的任务。从而使串联型有源滤波器的电流、电压额定值大大减少(功率容量可减少到负载容量的5%以下)，降低了有源滤波器的成本和体积。从经济角度而言，这种结构形式在目前是一种值得推荐的方案。但随着电力电子器件性能的不断提高，成本不断下降，混合型有源滤波器可能被下面一种性能价格比更高的有源滤波器代替。图3-6 串并联型有源滤波器    图3-6所示为串并联型有源滤波器的基本结构。它组合了串联有源滤波器和并联有源滤波器的优点，能解决电气系统发生的大多数电能质量问题，所以又称之为万能有源滤波器或统一电能质量调节器(UPQC)，该类有源滤波器的主要问题是控制复杂、造价较高7。3.3.2 有源滤波器的主电路形式 图3-7和图3-8分别示出了应用于单相系统的电压型和电流型两种主电路形式。下面简要概括电压型和电流型两种主电路的一些基本特点。（1） 电压型PWM变流器的直流侧接有大电容，在正常工作时，其电压基本保持不变，可看作电压源；电流型PWM变流器的直流侧接有大电感，在正常工作时，其电流基本保持不变，可看作电流源；（2） 对于电压型PWM变流器，为保持直流侧电压不变，需要对直流侧电压进行控制；对于电流型PWM变流器，为保持直流侧电流不变，需要对直流侧电流进行控制。（3） 电压型PWM 变流器的交流侧输出电压为PWM波，电流型PWM变流器的交流侧输出电流为PWM波。电压型有源滤波器的优点是损耗较少，效率高，是目前国内外绝大多数有源滤波器采用的主电路结构。电流型有源滤波器由于电流侧电感上始终有电流流过，该电流在电感内阻上将产生较大损耗，所以目前较少采用。 图3-7电压型有源滤波器图3-8电流型有源滤波器 3.3.3 多重化的主电路形式 由于电力系统中主要的谐波源如各种大型整流装置的容量很大，而对于办公及民用建筑所产生的谐波又只能采取集中补偿的力法，容量也很大。这就相应地要求有源电力滤波器的容量要大。目前电力半导体器件尤其是全控利器件的容量有限，容量越大的器件工作频率越低，因而单个器件的容量不易满足有源电力滤波器大容量的需要。解决这个问题的一种办法是将器件串并联，但是其难度大，且无法充分发挥单个器件的容量。为此，另一种解决方法是采用多重化的主电路形式。采用多重化主电路，最基本的一点是容易实现大容量，此外，还可以提高有源电力滤波器的等效开关频率，从而改善补偿电流的跟随性能。从另方画看，由于等效开关频率提高，可以降低单个器件的工作频率，而这既可以降低对器件工作频率的要求，又可减小器件的开关损耗。以下就对有源电力滤波器中采用的几种多重化主电路形式作简要介绍。 1串联电抗器多重化方式 这种方式的原理如图3-9所示。这种方式中，直接将各个有源电力滤波器通过其交流侧的电感并联起来，它是最容易实现的种接线形式。2 采用平衡电抗器的多重化方式 这种方式的原理如图3-10所示；这种方式中，在各个有源电力滤波器之间加入平衡电抗器，抑制有源电力滤波器之间的环流。当有源电力滤波器的开关频率低时，会有较大的环流，因而这种方式适合用于开关平率低的情况。 图3-9 串联电抗器多重化方式 3-10 采用平衡电抗器的多重化方式 3使用变压器的串联多重化方式 这种方式的原理如图3-11所示。这种方式中，通过变压器二次绕组将有源电力滤波器的输出串联起来。变压器必须采用二次侧为多绕组的特殊形式。由于有源电力滤波器输出的PWM波直接经过变压器叠加，使得变压器会有较大的铁损耗。 图3-11 采用变压器的多重化方式以上只是对多重化主电路形式作了简单介绍，由于全书篇幅的限制以后不再进一步讨论.实际上，多重化技术是电力电子技术研究中的一个共性问题。它所涉及的内容十分有用，而且并不简单9。3.4 有源滤波器的谐波电流检测方法谐波检测是有源电力滤波器非常关键的一环,因为只有检测到了谐波才能进行合理的补偿 。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 (FFT)的数字分析法和基于瞬时无功功率的各种快速谐波检测方法及其衍生的方法 ,这些方法的核心思想基本上可以归结为以下两类。 (1)如何从电流中提取基波分量或者同时提取基波分量和谐波分量 ,快速FFT方法就是基于该思想的谐波检测法。 (2)利用系统电压和电流的关系快速提取电流中的谐波分量 ,基于瞬时功率理论的检测方法都属于这类。以下将对几种谐波检测方法进行简述。3.4.1 基于频域分析的模拟带通或带阻滤波器检测法用模拟带通 (或带阻)滤波器检测谐波电流的方法 ,其原理是在检测的信号中提取出基波分量 ,它与原信号之差就是电网中的畸变电流 ,即所需补偿的谐波电流 。该检测方法的优点在于电路结构简单、造价低廉、输出阻抗低 、品质因数易于控制 。但是该方法误差大、对电网频率波动较敏感。3.4.2 基于FFT的数字分析法 其原理是将检测到的一个周期的谐波信号用 FFT分解,得到各次谐波的幅值和相位,从而得到了各次谐波的表达式 。采用FFT快速算法可以很快检测到测量波形中的各次谐波 ,但这种方法的缺点是需要一个周期的采样数据 ,所以具有较大的延时,不能称为快速检测法。目前通用的方法是采用移动窗口方法,即每采样得到一个新的数据 ,则剔除一个时间最早的数据 将新数据与其它数据一起构成新的数据窗 ,进行FFT分析得到各次谐波 。这样每个采样点即可计算得到各次谐波 。看起来似乎是快速检测谐波的方法,但由于新的采样点是逐步加入进来的,当系统谐波含量发生突变时 ,必须经一个周期的测量 ,FFT分析得到的基波及谐波才能完全跟上系统谐波的变化 。该方法思路比较简明 ,对所补偿的谐波可以进行有目的地选择 ,适用于各种情况 。但缺点是由于需要对误差信号进行重构 ,运算较为复杂,并要求被补偿的波形是周期性变化的,所以限制了其适用范围。3.4.3基于瞬时无功理论的谐波快速检测法 基于瞬时无功理论的谐波检测法 (Ins-tantaneous Reactive Power Theory),是日本学者Akagi H.于1984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 ,从而为有源滤波器提供参考的补偿电流 。后来发展的很多谐波快速检测的方法都是基于该方法的思想。这一检测方法在有源电力滤波器的发展过程中具有划时代的意义 ,是目前有源电力滤波器中应用最广的一种检测方法。该方法将三相电气矢量变换到 、坐标,并重新定义瞬时有功 、瞬时无功等 ,再将这些功率逆变为三相补偿电流 。主要有ip、iq运算方式和 p-q运算方式。p-q方法参与运算的量为三相瞬时相电压和瞬时线电流,而ip、iq方法参与运算的不是三相瞬时相电压本身 ,而是与它们同步的三相对称单位正弦量和余弦量 。当电源电压对称无畸变,负载电流对称时 ,两种方法都准确检测出基波电流有功分量 、无功分量和谐波电流分量 。当电源电压和负载电流均畸变时,ip、iq运算方式仍能准确检测出谐波电流,而p-q运算方式就存在误差 。但是,当三相电压或三相电流不对称时 ,直接应用ip、iq运算方式或 p-q运算方式都存在检测误差。ipiq检测方法的原理如图3-12所示 图3-12中 （3-5） 该检测方法中，使用了与a相电网电压 同相位的正弦信号sint和对应的余弦信号-cost。它们由一个锁相环（PLL）和一个正、余弦信号发生电路得到。根据瞬时无功功率理论可以计算出瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq，经LPF滤波得出 ip、 iq直流分量、，对、进行反变换即可计算出基波有功分量、，进而计算出谐波分量、。当要检测谐波和无功电流之和时，只需断开图3-12中计算iq的通道即可。而如果只需检测无功电流，则只要对iq进行反变换。与pq运算方式相比，ipiq运算方式的优点在于，由于只选取sint，-cost参与运算，畸变电压的谐波成分在运算过程中不出现，、是由、产生的，所以该算法的检测结果不受电压波形畸变的影响。而且将基波分量变换到零频率处，用数字低通滤波器提取基波信号可以消除模拟低通滤波器的相位问题，而且不会造成对有些频率分量的增大或衰减。因此文中选用该方法来检测谐波电流10。由图3-12可以得出ipiq算法的变换公式 （3-6）反变换推算基波电流分量的公式：（3-7）3.5并联型有源电力滤波器 在各种有源电力滤波器中，单独使用的并联型有源电力滤波器是最基本的 种，也是工业实际中应用最多的种，它集中地体现了有源电力滤波器的特点，因此下文首先详细介绍单独使用的并联型有源电力滤波器。有源电力滤波器中的一些共性问题在这部分给出详细介绍。在此基础上，介绍并联型有源电力滤波器与LC滤波器混合使用的两种方式。实际应用中用于三相的占多数，故在此主要讨论适用于三相三线制系统的情况。对于单相或三相四线制的系统，只需在三相三线制情况的基础上适当变化，主要是主电路、指令电流运算电路作适当的改变即可，对此不再详细介绍。图3-13示出了本节讨论的并联型有源电力滤波器系统的原理图。图中负载为谐波源，这里采用了电力系统中的一种典型谐波源三相桥式全控整流器，整流器的直流侧为阻感负载。该系统的基本工作原理已在32节中作过介绍，本节将分别就系统的各个部分及一些特殊问题进行讨论。 图3-13单独使用的并联型有源电力滤波器系统3.5.1 指令运算电路 指令电流运算电路的作用是根据有