三电平有源电力滤波器的设计与仿真文献综述
2020-04-15 09:04
1．目的及意义
随着经济的迅速发展，非线性负载造成的电力系统谐波现象日渐严重，电能质量问题已经成为国家电力机构和用户所关注的重大问题。通常用电网在公共连接点对电力用户的供电电压质量及用户对电网的干扰水平来衡量电能质量。供电电压质量通常可用多种参数描述，如电压偏差、频率偏差、电压暂降、电压暂升、谐波电压、电压脉冲、电压震荡和三相电压不平衡度等。而用户对电网的干扰水平即用电质量可用谐波电流、零序电流、无功电流、负序电流和有功冲击等参数描述。当今社会用电负荷日益多样化和复杂化，不控整流、逆变、变频调速设备等具有非线性、谐波丰富和冲击性的电力电子设备的广泛使用，严重影响了电网质量。另外，基于微处理器控制的精密设备在各行各业中都有着广泛的使用，这些设备对供电质量非常敏感，很容易受到影响而不能工作，这就对电网质量提出了更高的要求。
目前，我国有供电电压波动、电压偏差和闪变、电力系统频率偏差、三相电压不平衡和公共电网间谐波这五项电能质量国家标准。这几项国家标准的发布很大程度上促进电能质量的改善，对治理电网污染的新型电力电子设备的研发、制造提供了依据。面对电网电能质量问题，国家采取了一定的措施治理电能质量污染现象。如“十二五”规划，对电机系统提出明确要求，尽快淘汰落后电机设备, 优化电机系统;对大功率的机电设备进行改造;传统电机系统升级为电力节能改造的新型电机系统。国家电网公司也针对电能质量问题，提出相关政策:建设智能型配电网、提高配电网综合电压合格率、提升配电网运行水平、降低线损率。目前，国家电网主要应用的技术手段有三相不平衡处理、无功补偿、谐波补偿，同时也要求用多种手段对数据进行收集、分析、处理，从而综合提高供电质量。
有源电力滤波器(Active Power Filter, APF)是谐波补偿的最有效装置，使得电网污染现象得以大大改观。经过多年的研究和发展，有源电力滤波器在低压配电场所逐渐成熟，但在高压大功率应用却存在弊端。当今在高压大功率场合下主要采用无源滤波方式来进行谐波治理。随着高压大功率电力电子装置的广泛使用，大功率有源电力滤波器成为近年来学着们研究的热点。从目前功率器件的水平来看，上万伏耐压的器件短时间还不太可能出现在市场上，而多电平技术是解决问题的一个有效途径，同时在高压直流输电的趋势下，多电平技术在电力输配电方面也有着举足轻重的作用。
三电平有源电力滤波器具有开关频率较低、功率容量大、响应速度快、电磁兼容性好、输出谐波小等一系列优点。相对于两电平APF,三电平APF有更低的谐波畸变率，可以承受更高的电压，更少的开关损耗和更低的开关频率，比较适用于高压大功率场合。
上世纪80年代至今，随着各种半导体器件的成熟,以及各种控制技术的突破，APF得到了广泛的应用。特别是上世纪80年代日本学者A.Nabae提出的中点箝位式三电平结构,使得有源电力滤波器在高压大功率谐波补偿的场合中得以应用成为可能。
能否实现有源电力滤波器对谐波有效的补偿，谐波检测和电流跟踪算法的实现是两个关键环节。早期采用模拟滤波器来实现谐波提取，但由于这种方法提取的谐波误差大，对元器件参数和电网频率很敏感，已很少被人采用。如今，谐波的检测方法很多，如傅立叶分析谐波检测法，快速傅立叶变换法，基于瞬时无功功率理论的谐波检测法，多重因子自适应谐波检测法，人工神经网络法，小波变换法等。其中，傅立叶分析方法至少需要一个工频周期的电流信号，且需要两次变换，计算量大，实时性较差，不太适合用在APF中;快速傅立叶变换减少了计算量，提高了运算速度，但对于非整数次的谐波检测，FFT算法存在频谱泄漏和栅栏效应:基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法，将三相谐波源电流进行坐标变换，求得直流分量再进行坐标反变换得到基波电流，随之便求得负载电流中的谐波电流。实验证明该方法具有很好的实时性，在APF中得到广泛的应用。人工神经网络的谐波检测方法具有出色的逼近与学习功能，目前已有多种采用人工神经网络谐波算法提出，但这种方法局限于软件仿真研究，硬件实现的研究还比较薄弱。因此神经网络的检测方法受到了很大程度的限制，没有充分体现其特点和实用价值。综上所述，基于瞬时无功功率理论的谐波检测算法是目前应用最广泛的方法，也可与其他方法混合来改善系统性能。
电流跟踪控制技术是APF的核心。能否有效的跟踪指令电流决定了APF性能的高低。谐波指令电流的谐波成分高、变化率大，因此要求具有很高响应速度的控制策略。目前使用的补偿电流跟踪技术方法很多，也有新的方法不断提出。诸如滞环控制、PI控制、单周期控制。谐振控制、重复控制、无差拍控制等。其中，滞环控制的开关频率不是固定的，从而增加了设计难度:PI控制不能准确跟踪谐波指令信号:单周期控制容易受到环境的影响，参数误差很小的情况下，也可能会导致系统不能正常工作。
有源电力滤波器多跟踪的指令信号是补偿带宽内的所有次谐波电流，稳态时可以实现无静差跟踪。最初有学者为了改善系统稳定性能，增加稳定裕度，将积分反馈乘以小于I的常数。后又有学者通过改进内模发生器来提升系统动态响应速度。有许多学者针对电网频率发送波动时重复控制效果不佳的现象展开研究。
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在对有源电力滤波器的发展历史及现状调研的基础上，分析用户具体需求，设计出一款补偿容量为100KVA的三电平有源电力滤波器，分析三电平变换器结构，确定本系统主电路拓扑结构，确定其谐波检测方法和电流跟踪控制策略，完成系统设计。并利用仿真软件建模仿真，验证设计的正确性。
作为主电路的PWM变流器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作，但它并不仅仅是作为逆变器而工作的，如在电网向有源电力滤波器直流侧贮能元件充电时，它就作为整流器工作。也就是说，它既工作于逆变状态，也工作于整流状态，且两种工作状态无法严格区分。
图中所示有源电力滤波器的基本工作原理是，检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。
要完成上述方案，拟需解决的关键问题和措施如下：
1.指令电流运算电路的设计。拟采用谐波和无功电流实时检测的方法进行设计。
2.电流跟踪控制电路的设计。由于并联型APF产生的补偿电流应实时跟随其指令电流信号的变化，要求补偿电流有很好的实时性，因此电流控制拟采用跟踪型PWM控制方式进行设计。
3.主电路的设计。主电路形式拟采用电压型，之后确定电路参数、开关器件、容量等问题。
4.APF控制方式的选择。逐个分析检测负载电流控制方式、检测电源电流控制方式、符合控制方式这三个控制方式，选择最佳。
5.对APF稳定性的分析。通过计算以及仿真进行具体的分析，使结果符合方案。3. 参考文献
随着经济的迅速发展，非线性负载造成的电力系统谐波现象日渐严重，电能质量问题已经成为国家电力机构和用户所关注的重大问题。通常用电网在公共连接点对电力用户的供电电压质量及用户对电网的干扰水平来衡量电能质量。供电电压质量通常可用多种参数描述，如电压偏差、频率偏差、电压暂降、电压暂升、谐波电压、电压脉冲、电压震荡和三相电压不平衡度等。而用户对电网的干扰水平即用电质量可用谐波电流、零序电流、无功电流、负序电流和有功冲击等参数描述。当今社会用电负荷日益多样化和复杂化，不控整流、逆变、变频调速设备等具有非线性、谐波丰富和冲击性的电力电子设备的广泛使用，严重影响了电网质量。另外，基于微处理器控制的精密设备在各行各业中都有着广泛的使用，这些设备对供电质量非常敏感，很容易受到影响而不能工作，这就对电网质量提出了更高的要求。
目前，我国有供电电压波动、电压偏差和闪变、电力系统频率偏差、三相电压不平衡和公共电网间谐波这五项电能质量国家标准。这几项国家标准的发布很大程度上促进电能质量的改善，对治理电网污染的新型电力电子设备的研发、制造提供了依据。面对电网电能质量问题，国家采取了一定的措施治理电能质量污染现象。如“十二五”规划，对电机系统提出明确要求，尽快淘汰落后电机设备, 优化电机系统;对大功率的机电设备进行改造;传统电机系统升级为电力节能改造的新型电机系统。国家电网公司也针对电能质量问题，提出相关政策:建设智能型配电网、提高配电网综合电压合格率、提升配电网运行水平、降低线损率。目前，国家电网主要应用的技术手段有三相不平衡处理、无功补偿、谐波补偿，同时也要求用多种手段对数据进行收集、分析、处理，从而综合提高供电质量。
有源电力滤波器(Active Power Filter, APF)是谐波补偿的最有效装置，使得电网污染现象得以大大改观。经过多年的研究和发展，有源电力滤波器在低压配电场所逐渐成熟，但在高压大功率应用却存在弊端。当今在高压大功率场合下主要采用无源滤波方式来进行谐波治理。随着高压大功率电力电子装置的广泛使用，大功率有源电力滤波器成为近年来学着们研究的热点。从目前功率器件的水平来看，上万伏耐压的器件短时间还不太可能出现在市场上，而多电平技术是解决问题的一个有效途径，同时在高压直流输电的趋势下，多电平技术在电力输配电方面也有着举足轻重的作用。
三电平有源电力滤波器具有开关频率较低、功率容量大、响应速度快、电磁兼容性好、输出谐波小等一系列优点。相对于两电平APF,三电平APF有更低的谐波畸变率，可以承受更高的电压，更少的开关损耗和更低的开关频率，比较适用于高压大功率场合。
上世纪80年代至今，随着各种半导体器件的成熟,以及各种控制技术的突破，APF得到了广泛的应用。特别是上世纪80年代日本学者A.Nabae提出的中点箝位式三电平结构,使得有源电力滤波器在高压大功率谐波补偿的场合中得以应用成为可能。
能否实现有源电力滤波器对谐波有效的补偿，谐波检测和电流跟踪算法的实现是两个关键环节。早期采用模拟滤波器来实现谐波提取，但由于这种方法提取的谐波误差大，对元器件参数和电网频率很敏感，已很少被人采用。如今，谐波的检测方法很多，如傅立叶分析谐波检测法，快速傅立叶变换法，基于瞬时无功功率理论的谐波检测法，多重因子自适应谐波检测法，人工神经网络法，小波变换法等。其中，傅立叶分析方法至少需要一个工频周期的电流信号，且需要两次变换，计算量大，实时性较差，不太适合用在APF中;快速傅立叶变换减少了计算量，提高了运算速度，但对于非整数次的谐波检测，FFT算法存在频谱泄漏和栅栏效应:基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法，将三相谐波源电流进行坐标变换，求得直流分量再进行坐标反变换得到基波电流，随之便求得负载电流中的谐波电流。实验证明该方法具有很好的实时性，在APF中得到广泛的应用。人工神经网络的谐波检测方法具有出色的逼近与学习功能，目前已有多种采用人工神经网络谐波算法提出，但这种方法局限于软件仿真研究，硬件实现的研究还比较薄弱。因此神经网络的检测方法受到了很大程度的限制，没有充分体现其特点和实用价值。综上所述，基于瞬时无功功率理论的谐波检测算法是目前应用最广泛的方法，也可与其他方法混合来改善系统性能。
电流跟踪控制技术是APF的核心。能否有效的跟踪指令电流决定了APF性能的高低。谐波指令电流的谐波成分高、变化率大，因此要求具有很高响应速度的控制策略。目前使用的补偿电流跟踪技术方法很多，也有新的方法不断提出。诸如滞环控制、PI控制、单周期控制。谐振控制、重复控制、无差拍控制等。其中，滞环控制的开关频率不是固定的，从而增加了设计难度:PI控制不能准确跟踪谐波指令信号:单周期控制容易受到环境的影响，参数误差很小的情况下，也可能会导致系统不能正常工作。
有源电力滤波器多跟踪的指令信号是补偿带宽内的所有次谐波电流，稳态时可以实现无静差跟踪。最初有学者为了改善系统稳定性能，增加稳定裕度，将积分反馈乘以小于I的常数。后又有学者通过改进内模发生器来提升系统动态响应速度。有许多学者针对电网频率发送波动时重复控制效果不佳的现象展开研究。
2. 研究的基本内容与方案
{title} 设计研究基本内容：在对有源电力滤波器的发展历史及现状调研的基础上，分析用户具体需求，设计出一款补偿容量为100KVA的三电平有源电力滤波器，分析三电平变换器结构，确定本系统主电路拓扑结构，确定其谐波检测方法和电流跟踪控制策略，完成系统设计。并利用仿真软件建模仿真，验证设计的正确性。
完成上述设计任务，拟采用的设计方案如下：
图1有源电力滤波器系统构成原理图
作为主电路的PWM变流器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作，但它并不仅仅是作为逆变器而工作的，如在电网向有源电力滤波器直流侧贮能元件充电时，它就作为整流器工作。也就是说，它既工作于逆变状态，也工作于整流状态，且两种工作状态无法严格区分。
图中所示有源电力滤波器的基本工作原理是，检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。
要完成上述方案，拟需解决的关键问题和措施如下：
1.指令电流运算电路的设计。拟采用谐波和无功电流实时检测的方法进行设计。
2.电流跟踪控制电路的设计。由于并联型APF产生的补偿电流应实时跟随其指令电流信号的变化，要求补偿电流有很好的实时性，因此电流控制拟采用跟踪型PWM控制方式进行设计。
3.主电路的设计。主电路形式拟采用电压型，之后确定电路参数、开关器件、容量等问题。
4.APF控制方式的选择。逐个分析检测负载电流控制方式、检测电源电流控制方式、符合控制方式这三个控制方式，选择最佳。
5.对APF稳定性的分析。通过计算以及仿真进行具体的分析，使结果符合方案。3. 参考文献
[1]王兆安等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社，2012.
[2]吴竞昌，孙树勤，宋文南等.电力系统谐波[M].北京:水利电力出版社，1988.
[3]林海雪，孙树勤电力网中的谐波[M].北京:中国电力出版社，1998.
[4]金红元，邹云屏，林磊等.三电平PWM整流器双环控制技术及中点电压平衡控制技术的研究[D].中国电机工程学报，2006.
[5]周京华.多电平逆变器拓扑结构及调制策略的研究[D].西安:西安交通大学，2005.
[6]李永东，肖曦，高跃.大容量多电平变换器[M].北京:科学出版社，2005.
[7]张崇巍. PWM整流器及其控制[M].机械工业出版社，2003.
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