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1、-有源电力滤波器控制器的研制及其应用硕士学位论文硕士学位论文有源电力滤波器控制器的研制及其应用姓名：赵特申请学位级别：硕士专业：系统工程指导教师：罗安20070401-第 87 页湖南大学摘要有源滤波装置在消除电网谐波方面具有独特的优势，因而得到了广泛的应用。 本论文以某铜箔厂的谐波治理为背景，以并联混合型有源滤波器（HAPF）的工 程实现为主线，研究内容包括有源电力滤波器控制器的硬件设计、谐波检测算法、 控制器系统软件设计以及主电路参数设计。同时，该装置的研制成功也将为有源 滤波器在国内的早日普及应用奠定理论和技术基础，为高压、大中等功率混合型 有源滤波器的工程应用积累经验。本文在有源电力滤
2、波器控制器国内外研究的基础上，提出了一种基于数字信 号处理器（DSP）的控制器硬件结构，并对控制器的实时性、可靠性和兼容性作 了详细的分析。为满足智能功率模块（IPM）对死区时间的要求，在对电路仿真 分析的前提下，论文在控制器硬件中设计了独立的硬件死区延时电路。谐波检测是有源滤波器的一个关键环节，而其中的计算延时和许多谐波检测 方法中的低通滤波都会对有源滤波器控制和系统性能造成很大的影响。本文提出 了一种基于离散傅立叶变换的滑窗迭代检测算法，该算法能简化计算，实时有效 的检测出谐波参考指令电流。论文从频域滤波器的角度在理论上证明了该算法的 可行性和有效性。控制器的系统软件设计分为液晶显示菜单程
3、序和控制程序。液晶菜单实现了 实时电压电流波形显示、频谱和控制参数显示；控制程序实现了信号采样分析、 PWM 脉冲调制和触发、控制参数的在线修改等功能。论文详细阐述了程序设计 思想和实现过程。论文结合有源电力滤波器控制器在江西某铜箔厂的应用实例，详细说明了系 统拓扑结构、主电路设计、元件参数设计和输出滤波器设计，并给出了现场应用 效果。关键词：有源电力滤波器，数字信号处理，谐波检测，滑窗迭代AbstractAPF (Active Power Filer) has been extensively applied in harmonic eliminating of power network.
4、 Taking the harmonic elimination of a Copper Foil Company as object of study, the thesis is focused on the application of HAPF (Hybrid Active Power Filter) and expands the hardware design of controller, harmonic detection methods and software design of controller, as well as parameter design. The re
5、search of HAPF will also build solid base for its universal application in our country, and accumulate experience for its high-voltage and high-power application.The hardware structure of APF controller based on DSP (Digital Signal processor)has been presented, referring to the research achievement
6、inland and aboard. The real-time performance and reliability, as well as compatibility of controller have been analyzed in detail. In order to meet the requirement of dead-time that IPM (Intelligence power module) demands, independent hardware circuit for generating dead-time is designed in this the
7、sis.Harmonic detection is a very important part of APF. Control strategy and performance of APF will be greatly influenced by calculation delay and low-pass filter in many harmonic detection methods. Then an algorithm based on a simplified sliding-window Fourier is presented in this thesis, which ma
8、kes calculation of harmonic current in APF simply and detects referenced current effectively. And then, the effectivity and feasibility of this algorithm have been proved in the theory of frequency-domain filter.The software design of controller is divided into menu program and control program. The
9、menu program is composed of the display about real-time voltage wave, current wave, spectrum and control variable; the control program includes the sampling and signal analysis, the modulation and triggering of signal and the modification of control variable. At last, the thought and realization of
10、system program are formulated in this thesis.With the appliance of HAPF in Jiang Xi Copper Foil Company, the system topology structure, main circuit design, parameters computation and output filter design are discussed. Furthermore, the feasibility of this equipment has been validated by applying ef
11、fectiveness.Keywords: active power filter, digital signal processing, harmonic detection, sliding-window Fourier.湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。 除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期： 年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了
12、解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并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。本人授权湖南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、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保密 ，在 年解密后适用本授权书。2不保密。(请在以上相应方框内打”)作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日第 1 章 绪论随着现代工业的发展，一方面企业对用电质量要求越来越高，另一方面电力 电子装置的大量应用，工业电网中非线性负载越来越多，严重影响了工业用电的 质量，这二者形成严重的矛盾，使得谐波问题引起人们越来越多的关
13、注。随着电 力电子技术的发展，谐波抑制技术也取得了一些突破性的进展。本章首先介绍了 电力系统谐波，简要叙述了谐波抑制的主要方法，介绍了有源滤波器的发展状况 并就有源电力滤波器的控制器的一些技术性能作一些说明，最后介绍了论文的研 究背景和主要内容。1.1 电力系统谐波目前，世界各国电力工业中，几乎都是采用正弦供电方式。在理想的电力系 统中，电源以单一恒定频率（50Hz 或 60Hz）的正弦变化规律向电网供电，系统 中各点的电流、电压都是以单一恒定的供电频率随时间按正弦规律变化的量。一 般来说，一个实际的电力系统基本上能满足理想电力系统的条件。但随着技术的 发展，电力系统中的非线性负载的比重不断增
14、加，理想电力系统的近似程度变差， 直接表现是电力系统中的电流和电压波形产生畸变。从频域的观点，在这些电流 和电压的波形中，不仅包含与供电电源同频率的正弦量（称为基波分量），而且 出现一系列频率为基波频率整倍数的正弦波分量（称为高次谐波分量），这一系 列正弦分量统称为电力谐波。在 IEEE 标准 519-1981 中谐波定义为：“谐波为一 周期波或量的正弦波分量， 其频率为基波频率的整数倍 ”。在国际电工标准 （IEC555-2）与国际大电网会议(CIGRE)的文献中定义：“谐波分量为周期量的 傅立叶级数中大于 1 的 h 次分量”。1.1.1 电力系统谐波产生的原因在早期的电网中，电力传输线路
15、中谐波含量并不高，可以忽略不计，但是随 着科技的进步，现代电网中谐波的含量比例越来越高。电网谐波主要来自于 3 个 方面：一是电源质量不高产生谐波；二是输配电系统产生谐波；三是用电设备产 生的谐波。其中用电设备产生的谐波最多。发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀 一致和其他一些原因，发电机也会产生一些谐波，但一般来说很少。这种谐波电 动势的频率和幅值只取决于发电机本身的结构和工作情况，基本与外接负载无关， 可以看作谐波电压源。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段
16、上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路 的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线 性越远，谐波电流也就越大，其中 3 次谐波电流可达额定电流的 0.5%。用电设备产生的谐波是由与电力系统相连的各种非线性负载产生的1 。这些非线性负载主要是整流器、交流调压电路以及频率变换器等电力电子装置，由于 这些电力电子装置都为可变结构非线性电力负荷，工作于非线性状态，在高效利 用电能的同时也向电网注入大量的非线性电流，给公共电网的电能质量带来了隐 患。另外，工业用的电弧炉、电石炉也是个比较大的谐波源，由于加热原料时电 炉的三相电极很难同时接触到高低不
17、平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷 不平衡，产生谐波电流，经变压器注入电网。其中主要是 2 次谐波和 7 次谐波。 除 此以外 ,其它像电视机、电池充电器等装置也会产生谐波。虽然单个装置的功耗 不大 ,但由于数量很多 ,因此它们给供电系统注入的谐波分量也不容忽视。1.1.2 电力系统谐波危害谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网时一种污染。在电力电子设备广泛 应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波 污染还不严重，没有引起足够的重视。近几十年来，各种电力电子设备的迅速普 及和广泛应用使谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种事故不断发生，如：广西 苹果铝厂 1996
18、年 6 月因谐波超标，导致电容器爆炸，损坏高压开关和主变压器， 造成大面积停电；湖南涟钢 1998 年 7 月，因 5 次谐波超标，导致豹南山 110KV 变电站停电 16 小时；由于电气化铁路产生的负序电流和谐波电流的影响，郑州电 网继电保护误动，致使京广线中断数小时。因此，谐波的危害的严重性才引起人 们的高度重视。大体上说，谐波危害主要表现在以下几个方面1-89-14：（1）电力电容器引起的谐波放大。由于电容器的容抗与频率成反比，因此在 谐波电压作用下的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多，从而使谐波电流的 波形畸变更比谐波电压的波形畸变大得多，即便电压中谐波所占的比例不大，也 会产生显著
19、的谐波电流。特别是在发生谐振的情况下，很小的谐波电压就可引起 很大的谐波电流，导致电容器因过流而损坏。（2）增加旋转电机的损耗。谐波电压或电流会在电机的定子绕组、转子回路 以及定子和转子铁芯中引起附加损耗。由于涡流和集肤效应的关系，定子和转子 导体内的这些附加损耗要比直流电阻引起的损耗大。另外，谐波电流还会增大电 机的噪音和产生脉动转矩。（3）增加输电线的损耗，缩短输电线寿命。谐波电流一方面在输电线路上产 生谐波压降，另一方面增加了输电线路上的电流有效值，从而引起附加输电损耗。在电缆输电的情况下，谐波电压以正比于其幅值电压的形式增强了介质的电场强度，这影响了电缆的使用寿命，据有关资料介绍，谐波
20、的影响将使电缆的使用寿 命平均下降约 60。（4）增加变压器的损耗。变压器在高次谐波电压的作用下，将产生集肤效应和邻近效应，在绕组中引起附加铜耗，同时也使铁耗相应增加。另外，3 的倍数 次零序电流会在三角形接法的绕组内产生环流，这一额外的环流可能会使绕组电 流超过额定值。对于带不对称负载的变压器来说，如果负载电流中含有直流分量， 会引起变压器的磁路饱和，从而会大大增加交流激磁电流的谐波分量。（5）造成继电保护、自动装置工作紊乱。谐波能够改变保护继电器的动作特 性，这与继电器的设计特点和原理有关。当有谐波畸变时，依靠采样数据或过零 工作的数字继电器容易产生误差。谐波对过电流、欠电压、距离、周波等
21、继电器 均会起拒动和误动的影响，保护装置失灵和动作不稳定。零序三次谐波电流过大， 可能引起接地保护误动作。（6）引起电力测量的误差。测量仪表是在纯正弦波情况下进行校验的，如果 供电的波形发生畸变，仪表则容易产生误差。比如，感应式电能表对设计参数以 外的频率的响应不灵敏，频率越高，误差越大，而且为负误差，当频率约为 1000 Hz 时，电度表将会停止转动。（7）干扰通讯系统。供电系统中的静止变流器在换相期间电流波形发生急剧 变化，该换相电流会在正常供电电压中注入一个脉冲电压，该脉冲电压所包含的 谐波频率较高，甚至达到 1 MHz ，因而会引起电磁干扰，对通信线路、通信设备 会产生很大的影响。比如
22、电力载波通信、远动装置信号以及与架空线平行的通讯 线路，谐波的影响都很大。（8）延缓电弧熄灭。在超高压长距离输电线路上，较大的谐波电流会使潜供 电弧熄灭延缓，导致单相重合闸失败，扩大事故。在消弧线圈接地系统中较大的 谐波分量同样会延迟或阻碍消弧线圈的灭弧作用。谐波分量还会使电流过零时的 di / dt 值过大，导致断路器断弧困难，影响断流能力。（9）对其它设备的影响。谐波还会对下列设备产生影响：导致功率开关器件控制装置误动作；导致功率开关器件故障而损坏；使日光灯的镇流器及补偿用电容器过热和损坏；对计算机产生干扰；影响互感器的测量精度；使熔断器在没有超过整定值时就熔断；影响功率处理器的正常运行；
23、影响电视机的画面质量；影响电子显微镜的清晰度；影响其它换流设备或其它任何由电压过零所控制的设备的同步。1.1.3 电力系统谐波研究现状电力系统谐波是由于波形畸变产生的，从交流电出现、应用发展到现在，如 何将波形畸变限制在一定的范围内一直是电力工程师关心的问题。在 20 世纪 20 年代和 30 年代的德国，研究者由静止变流器引起的波形畸变提出了电力系统谐波 的概念。当时最有影响的是 Rissik H.所著的The Mercury Arc Current Converter 15，另一篇有关静止变流器产生谐波的经典论文是 Read J. C.在 1945 年发表的The Calculation
24、of Rectifier and Converter Performance Characteristics16，至今 仍被研究者广泛引用。50 年代和 60 年代在高压直流输电方面推进了变流器谐波 的研究。在这一时期发表了大量的论文。Kimbark E. W.在其著作Direct Current Transmission17中对此进行了总结，该书包括了电力系统谐波方面 60 篇以上的 参考文献。70 年代以后，国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，其中从 1984 年开始，每两年召开一次的电力系统谐波国际会议（ICHPS）极大地推动了谐波 领域的研究和交流，不少国家和国际学术组织都制定了限
25、制电力系统谐波和用电 设备谐波的标淮和规定，同时对谐波治理问题的研究也蓬勃发展起来。我国对电力系统谐波问题的研究起步较晚。吴竞昌等在 1988 年出版的电力 系统谐波1 一书是我国有关谐波问题早期较有影响的著作。随后，许克明等也 于 1991 年出版了电力系统高次谐波18，张一中等 1992 年出版了电力谐波 2，夏道止等 1994 年出版了高压直流输电系统的谐波分析及滤波3，林海 雪等 1998 年出版了电力网中的谐波4，这些著作都对人们认识和研究谐波作 出了很大的贡献。此外，唐统一等和容健纲等分别于 1991 年和 1994 年独立翻译 了 Arrilaga J.等的电力系统谐波5 6，也
26、在国内有较大的影响。1998 年，王兆 安等出版的谐波抑制和无功功率补偿12是国内迄今为止较为全面的介绍谐波 分析和治理方法的著作，特别是其中关于有源滤波器的分析和阐述，被国内许多 研究者广泛引用和参考。近些年来，国内期刊和有关会议上发表的谐波相关问题 的研究论文也非常多，谐波问题已经成为研究热点。因此可以说，我国对谐波问 题的研究起步于 80 年代，在整个 90 年代有了长足的发展，与国外研究水平的差 距正在不断减小。另外，谐波标准做为电力系统谐波的一个分支也在蓬勃的发展之中。美国海 军早在 20 世纪 70 年代就发现谐波影响并第一 个制订了谐波限制标准 US MIL-STD-461 ，目
27、前仍然被美国军方广泛使用。 1982 年国际电工委员会 IEC（International Electro-technical Commission 简写为 IEC）第一次指定了通用电器 设备产生谐波的限制标准，即 IEC-55，并在其后的执行过程中修订完善，目前已经被世界许多国家承认和接受，在欧、美等发达国家已经成为强行执行的标准。1993 年美国电气与工程协会（IEEE）进一步完善了 IEC-55 标准，并在其基础上 补充了对高压、大功率用电负荷产生谐波的限制标准，这就是 IEEE/ANSI Standard519 谐波限制标准。我国原水利电力部于 1984 年根据原国家经济委员会批转的全
28、 国供电用电规则的规定，制定并发布了 SD126-84电力系统谐波管理暂行规定 19。国家技术监督局于 1993 年又发布了中华人民共和国国家标准 GB/T14549-93电能质量 公用电网谐波20，从 1994 年 3 月 1 日开始实施。该标准对 50Hz、110KV 及以下的公用电网各次谐波电压极其供电的电力用户注入的谐波电流作 了明确的规定。对 220KV 以上的电网及其供电用户，以 110KV 电网的规定作为 参考标准，或者以保证 220KV 下一级电网符合标准的要求为依据。该标准还规定 了谐波测量和测量数据处理以及确定谐波水平的方法21,22。1998 年，为了进一步 限制电网谐波
29、，我国颁发了 GB17625.1-1998低压电气及电子设备发出的谐波电 流限制（设备每相电流小于 16A），即 IEC 6100-3-2 标准，对低压电气以及电 子设备发出的谐波电流进行了限制。1.2 电力系统谐波治理方法谐波治理的措施主要有三种：一是受端治理，即从受到谐波影响的设备或系 统出发，提高它们抗谐波干扰能力；二是主动治理，即从谐波源本身出发，使谐 波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波；三是被动治理，即外加滤波器，吸收 谐波源产生的注入电网的谐波，或者阻碍电力系统的谐波流入负载端。受端治理的措施主要有以下几种：（1）选择合理的供电方式。将谐波源由较大容量的供电点或由高一级电压的 电
30、网供电，可以减小谐波对系统和其它用电设备的影响，这必须在电网规划和设 计阶段考虑。（2）避免电容器对谐波的放大。改变电容器的串联电抗器，或将电容器组的 某些支路改为滤波器，或限定电容器组的投入容量，可以有效地减小电容器对谐 波的放大并保证电容器组的安全运行。（3）提高设备抗谐波干扰能力。改进设备性能，使其在谐波环境中能够正常 工作，当然这是有一定限度的，谐波较大时设备仍将受到严重影响。（4）改善谐波保护性能。对谐波敏感设备采用灵敏的谐波保护装置，这能够 保证在谐波超标情况下，设备不致于损坏，但不能保障设备的正常工作。主动治理谐波的措施主要有以下几种：（1）增加变流装置的相数或脉冲数。改造变流装
31、置或利用相互间有一定移相 角的换流变压器，可有效减小谐波含量，其中包括多脉整流和准多脉整流技术 2324，但是装置更加复杂。（2）改变谐波源的配置或工作方式。具有谐波互补性的装置应集中，否则应适当分散或交替使用，适当限制会大量产生谐波的工作方式。（3）采用多重化技术。将多个变流器联合起来使用，用多重化技术将多个方 波叠加，以消除频率较低的谐波，得到接近正弦波的阶梯波，但装置复杂，成本 较高。（4）谐波叠加注入。利用三次倍数的谐波和外部的三次倍数的谐波源，把谐 波电流加到产生的矩形波形上3233，可用于降低给定的运行点处的某些谐波。缺 点是必须保证三次倍数的谐波源与系统的同步，且谐波发生器的功率
32、消耗常常高 达整流器直流功率的 10。（5）采用 PWM 技术。采用脉宽调制 PWM（Pulse Width Modulation）技术， 使得变流器产生的谐波频率较高、幅值较小，波形接近正弦波，只适用于自关断 器件构成的变流器。（6）设计或采用高功率因数变流器。比如采用矩阵式变频器、四象限变流器 等，可以使变流器产生的谐波非常少，且功率因数可控制为 1。被动治理谐波的措施主要有以下几种：（1）采用无源滤波器 PF（Passive Filter）。在谐波源附近或公用电网节点装 设单调谐及高通滤波器，可以吸收谐波电流，同时还可以进行无功功率补偿，运 行维护也简单。（2）采用有源滤波器 APF（A
33、ctive Power Filter）。在谐波源附近和公用电 网节点装设并联型或串联型 APF，可以有效地起到补偿或隔离谐波的作用，并联 型还可以进行无功功率补偿，但装置造价较高。（3）采用混合型有源滤波器 HAPF（Hybrid Active Power Filter）。HAPF 兼 具 PF 成本低廉和 APF 性能优越的优点，属于 APF 的分支和发展。HAPF 的种类 很多，大致可分为与 PF 的混合、与其它变流器的混合等两类。1.3 有源电力滤波器的发展现状有源电力滤波器的基本工作原理是由 HSasaki 和 HMachida 于 1971 年首先提 出的25。他们首次提出了有源滤波
34、器的原始结构模型，并建立了有源滤波器的基 本理论。有源电力滤波器向电网注入一个与负载谐波电流幅值相等、相位相反的 电流，从而抵消了电网中的谐波电流。但由于当时是采用线性放大的方法产生小 补偿电流，其损耗大，成本高，因而仅在实验室研究，未能在工业中实用。1976 年，LGyugyi 和 ECStyaula 提出了用 PWM 逆变器构成的有源电力滤波器26 。这 些采用 PWM 逆变器构成的有源电力滤波电路现已成为有源电力滤波器的基本结 构。20 世纪 80 年代，随着电力电子技术和 PWM 控制技术的发展，对有源电力 滤波器的研究逐渐活跃起来，成为电力电子技术领域的研究热点之一。1983 年赤木
35、泰文等人提出的“ 三相电路瞬时无功功率理论”27 极大的推动了有源电力滤波器的发展及其工程应用。 在国外，有源电力滤波器已开始在工业和民用设备上得到广泛使用，并且谐波补偿的次数逐步提高，有的可以高达 25 次谐波；单机装置的容量逐步提高。如 在日本和美国，应用领域可以接受的 APF 的容量已增加到 50MVA，其应用领域 从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展。我国在有源电力滤波器的应用研究方面，继日本、美国、德国等之后，得到 学术界和企业界的充分重视，并投入了大量的人力和物力，到目前为止，国内对 有源电力滤波器的研究基本上都局限于仿真研究和小型试验装置，工程实践应用 仅仅也
36、只是小功率的应用28,29，而正式投入电网运行的几乎为零30 ，只有几台类 似产品投入工业试运行，如华北电力试验研究所、冶金部自动化研究院和北京供 电公司联合开发、研究的有源高次谐波抑制装置于 1992 年在北京木材厂中心变电 站投入工业运行，该装置采用了三个单相全控桥逆变器（功率开关为 GTR），用 于低压电网单个谐波源的谐波补偿，装置容量小,且只能补偿几个特定次数的谐波（5、7、11、13 次）,调制载波的频率（3.3kHz）不高；河南电力局与清华大学联 合开发的 200MVA 静止无功发生器（包含有源谐波器）在郑州孟砦变电站进行300kVA 中间工业样机试运行，该样机主电路由 18 脉冲
37、电压逆变器、直流储能电 容器、9 台曲折绕组变压器及系统的连接变压器组成，18 脉冲逆变器分为 3 个 6 单相脉冲电压逆变器（功率开关为 GTO），系统结构复杂，尺寸庞大，功耗大， 价值昂贵，很难推广应用；华南理工大学研制了混合型有源电力滤波器用于牵引 变电站的谐波治理，该装置在减小滤波器有源部分容量和技术实现上有一定的改 进，但其滤波效果和隔离基波电压的无源网络阻抗存在矛盾，也就是说，无源网 络的阻抗大，则有源部分的容量小但系统滤波效果不好，无源网络的阻抗小，则 滤波效果好但有源部分的容量大；西安交通大学提出了四重化变流器作为大容量 有源电力滤波器主电路的方法，该方法有效地解决了大容量和开
38、关频率的矛盾， 但该方法的成本高、技术实现难度大，且未见有实际应用的报道。总的来说，国内有源电力滤波器的应用技术和电子工业发达的国家相比有一 定的差距。最早的有源电力滤波器是单独使用的并联型有源电力滤波器，经过多 年的发展，为了尽量发挥有源电力滤波器的特长，提高其性能并尽量降低其容量， 结合无源电力滤波器的特点发展成了串联混合型有源电力滤波器、并联混合型有 源电力滤波器等等，为了适应不同的补偿对象，发展了各种各样的有源滤波器形式。根据有源滤波器和电网的连接方式，APF 可以分为并联型和串联型两大类。1986 年 Akagi H.提出了并联型 APF 单独使用方式27，它是最早期的有源滤波装 置
39、。谐波源 AP F变流 器图 1.1 单独使用的并联型 APF这种方式的主电路结构简单，但由于逆变器直接承受基波电压，所以其成本 高且不适合高电压系统的补偿。为降低成本、减小逆变器的容量和适应高电压的 要求，人们利用 PF 的成本低的优点，提出了各种 APF 与 PF 混合使用方式。1987年 Takeda M.等人提出用并联型 APF 和并联 PF 相结合的混合型 APF31。谐波源 AP FPF 变流 器图 1.2 并联型 APF并联 PF 的 HAPF该方式利用无源部分滤除了大部分的谐波，所以其有源部分的谐波容量较小， 且 PF 能够提供一定的无功功率，但逆变器仍然直接承受了基波电压，所
40、以功率 开关器件的耐压等级并没有降低。1990 年 Fujita H.等人提出将 APF 与 PF 相串联 后与电网并联的混合型方案32。谐波源 PF AP F变流 器图 1.3 APF 与 PF 串联后并联接入电网的 HAPF这种方式利用无源部分承受了大部分的基波电压，所以逆变器承受的基波电 压小，适合于高电压系统的应用。但由于流过无源部分的基波电流都流入逆变器， 所以不能利用 PF 提供大容量的无功功率。利用无源元件 LC 的串、并联谐振特性， 人们提出了注入式 APF 的结构33,34 。将 LC 对基波串联谐振电路作为有源部分的 注入电路，能够大大降低 APF 承受的基波电压和容量，且
41、可以利用无源元件提供无功功率，但其谐波容量相对较大，而且所能提供的无功容量有限。随着电力电子技术的发展，全控型功率开关器件（如可关断晶闸管 GTO 和绝缘栅双极性晶 体管 IGBT）的电压和电流额定值不断提高，成本不断降低，人们从双或多逆变 器的方向提出了各种 APF 的拓扑结构，来满足工业应用的要求。1994 年，Akagi H. 等提出一种将串联型 APF 和并联型 APF 进行混合的方式，也称为统一电能质量调节器（Unified Power Quality Conditioner，UPQC）35。谐波源UPQC图 1.4 并联型 APF串联型 APF 的 HAPF这种方式从理论上讲，可以
42、抑制电压闪变、电压波动、不对称和谐波，但由 于采用了双逆变器，所以存在控制复杂和成本高的缺点。上述描述了并联型 APF 的发展现状，有源滤波器还有另外一大类串联型APF,图 1.5 为典型的串连 APF 拓扑结构36。谐波源APF变流器图 1.5 单独使用的串联型 APF串联型 APF 单独使用方式能有效滤除电网的谐波电压，具有有源装置容量小 和运行效率高等优点，但存在绝缘强度高、难以适应线路故障条件以及不能进行 无功功率动态补偿等缺点，且负载的基波电流全都流过连接用的变压器，其工程 实用性受到限制。在串联型 APF 单独使用方式基础上发展出的串联型 APF 混合 型结构37,38，也都同样存
43、在绝缘强度高和难以适应线路故障的缺点，本文在此就 不一一阐述了。1.4 有源电力滤波器控制器的技术特点虽然有源滤波器发展至今，其主电路拓扑结构和控制策略都发生了变化，但 都是从最早期的并联型 APF，根据对偶原理或通过混合逐步演变而来的。所以，存在对 APF 的一般性定义：将系统中所含有害电流（电压）检出，并产生与其相反的补偿电流（电压），以抵消输电线路中的有害电流（电压）的半导体电力变 换装置1,39 。有源滤波器一般由三大部分组成：检测电路、控制电路和功率变换 电路。 其中控制电路的实现方式也是最多样化的，它的多样化也体现了控制方法 的多样性，而有源电力滤波器的控制器也是各种控制电路的集合
44、。有源电力控制器一般包括硬件电路和软件算法两部分。随着电子元器件技术 的发展，控制器硬件也经历了分立元件集成电路单片机DSP（digital signal process）芯片的一个发展历程；同样软件算法也从早期的与硬件电路捆绑 变成如今的独立模块，可以单独开发，而且算法也在不断的改进，它体现出的实 时性，稳定性也越来越强。设计一个好的控制器会从如下几个方面来考虑问题：c 控制器的实时性 d 控制器的可靠性 e 控制器的兼容性f 控制器的可操作性 一个性能完备的控制系统要求动态跟踪性能快和稳态误差小，从动态特性方面考虑，控制器的实时性也就是控制器的响应速度必须要满足系统的要求，具体 而言，一个
45、性能优良的有源电力滤波器控制器的响应速度一般在一个工频周期也 即 20ms 的时间之内。要满足控制器响应速度快的要求，这就要从硬件和软件上 综合考虑，硬件上要选用处理速度快的处理器，现今的 DSP 芯片最高主频可以达 到 150MHz 的速度，这里所讲的芯片侧重控制芯片而不是通常意义的偏重于计算 的芯片；软件上要选用时间效率高的算法，在有源电力滤波器中，关键是设计谐 波检测算法和控制算法，这两个算法是控制器的核心部分。控制器的可靠性是适应工业上的要求，对于电气设备都是全天候的工作，所 以控制器的工作场合也必须是时间连续，而且要求控制精度的准确性，这也就是 控制器的可靠性。实现控制器的可靠性，必
46、须先满足硬件的上的可行可靠，在硬 件设计方面就要首先考虑，防止通讯干扰，设备的静电屏蔽，强电弱电的耦合等 等方面，这是第一个层面要考虑的；另外，还需在软件设计上对程序做一个合理 的跟踪，比如设计看门狗电路，防止程序跑飞以及不可预见的事件，系统自检报 警程序等都是可以行之有效的方法。控制器的兼容性设计是工业技术设计方面经常用到的准则，好比今天使用的 PC 机，无论是硬件设备还是软件协议，驱动配置都是要求有兼容性的要求，不然 就没有办法实现当今 internet 的飞速发展。在有源电力滤波器控制器的设计中的 兼容性是指在设计的初期要能准确的预测将来技术的走向，或者对于功能的全面 性有一个事先的考虑
47、，在系统的设施上给将来的扩展留下接口和一些裕量，具体 而言，可以将电力保护的单元逐渐集成到有源电力滤波器中，以增加系统的兼容性；其次，在软件的设计上可以采用模块化设计，方便功能的修改和调整。控制器的可操作性是指它的友好的人机操作界面。因为现在的技术水平还不 能达到工业设备的完全智能化的要求，所以在操作一台设备时候，友好的人机界 面能够在操作人和机器之间建立一个沟通的桥梁，对于指令的准确执行起着很大 的作用。现在固定的装置或者便携设备基本都是采用 LCD 模块来设计，正在逐步 取代模拟时代的发光二极管的显示方式，这也是顺应科技发展的一个技术趋势。 至于界面的设计它又是多样化的，可操作性和便于理解的使用性是最先考虑的。1.5 本文的研究背景及主要内容本文的研究课题属于国家 863 计划引导项目配电网智能型无功自动补 偿、电能质量和负荷监视一体化系统（2004AA001032），同时也属于国家自然科 学基金（60474041）支持项目，还得到了湖南省发展计划委员会重点项目基金和 湖南省电力公司重大科技项目基金的大力支持。研究的目的是应用混合注入式有 源电力滤波器对江西某