能源测试论文

内蒙古工业大学2014-2015学年第一学期《能源测试》结课作业（课程代号：010215041）班级测控12-1，学号201210107026，姓名谷树波，完成时间2015.11.27题目：有源电力滤波装置控制和检测[摘要]目前，伴随大量电力电子设备的广泛应用，能源利用效率得到极大提高，但是其不利方面-谐波污染也引起广泛关注。在治理谐波的诸多设备中，有源电力滤波装置以其优良的动态特性和补偿效果，成为今后一段时期内研究的焦点。本文论述了有源电力滤波装置的概念、原理及其发展过程，并提出一种实用的谐波电流实时检测的补充算法，该方法由瞬时无功功率理论和功率平衡原理推导而来，不仅可以获得高精度的检测结果，而且还有效地避开了繁琐的计算过程，提高检测的实时性；其次对有源电力滤波装置的控制环节进行了优化，通过引入变结构控制模型，加快有源电力滤波装置主电路输出的动态响应过程；最后给出了架构并联型有源电力滤波装置的具体过程，关键词：谐波；有源电力滤波装置；变结构控制；功率模块Title：ControlandDetectingMethodforActivePowerFilter[Abstract]Recently,energyefficiencyisgreatlyincreasedduetotheapplicationofmanypowerelectronicequipmentsinelectricpowersystem.However,theharmonicpollutioncausedbythosefacilitieshascatchedpeople’sattention.Inthesefacilitiesusedtoreduceharmonicpollution,activepowerfilter(APF)willbecomethefocusinthefuturestudybecauseofitsfavorabledynamicresponseandcompensatingcharacteristics..Inthisdissertation,first,theAPF’sconcept,principleanddevelopmentareseparatelydescribedindetail,andapracticalityreal-timeprecisionharmoniccurrentdetectingmethodispresented,whichisbasedontheinstantaneousreactivepowertheoryandthebalanceofpowerandnoneedtotakecomplexcomputation.Secondly,thecontrolloopofAPFisoptimizedandavariablestructurecontrolmodelisadopted,sothedynamicresponseofpowercircuitisameliorated.FinalytheconcreteprocessofconstructingashuntAPFisgiven.KeyWords:harmonic,activepowerfilter,variablestructurecontrol,powermodule1.引言伴随着科学技术的发展和国民生活水平的提高，电力扮演的角色越来越重要，引起了广泛的关注，因此如何有效地利用电能，成为近代研究人员不懈努力的方向。但是由于电力电子设备普遍具有非线性、冲击性及不平衡性，在其从电网吸收能量维持正常工作的同时，会将一部分能量以谐波电流的形式注入到电网，造成系统电压电流波形畸变，引发一系列的严重问题，直接导致供电质量下降，对供电网络和终端用户带来越来越多的影响和干扰，因此需要对电力谐波进行控制和检测。2.谐波问题及处理方法2.1谐波问题谐波问题是影响电能质量的关键因素之一，其影响及被关注程度与国民经济的发展有一定的关系，国内外的发展水平相差悬殊。国外以美国日本等为代表的发达国家对谐波和电能质量的研究比较早，已经建立起完整的理论基础和评价体系，并不断地延伸相关概念的内涵，提出新的电能质量标准；同时针对谐波治理和电能质量控制研发出一系列的设备，并投入工程应用，真正起到抑制谐波和提高电能质量的作用。在这些名目繁多的装置设备中,比较成熟的包括有源电力滤波装置(APF,ActivePowerFilter)和统一电能质量调节器或称为电能质量控制器(PQC,PowerQualityController)。目前，一些国际电力设备供应商比如ABB和西门子等已经有相应设备投放我国市场。2.2谐波处理方法利用各种谐波补偿装置补偿系统谐波，使电网波形不再畸变，该方式无容量限制且对各种谐波源都适用。2.2.1无源滤波方式无源滤波方式是传统的谐波治理手段。通常采用由电力电容器、电抗器和电阻器构成的带阻尼LC单谐调振荡电路，对某次谐波呈现低阻抗，就地吸收谐波源产生的谐波电流。这种方式投资少、效率高、结构简单、运行可靠和维护方便，而且不仅可以补偿谐波，还可以吸收谐波，是我国现阶段广泛采用的无功补偿和谐波抑制手段。但是这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，容易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，谐波电流过大会使滤波装置过载甚至烧毁，且无源滤波装置只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用，有时滤波要求和无功补偿、调压要求难以协调，另外无源滤波装置的有效材料消耗比较多，体积比较大。2.2.1有源滤波方式有源滤波方式是伴随电力电子技术和数字信号处理技术的发展，产生的一种主动式谐波补偿手段。实现这种补偿手段的装置通常被称为有源电力滤波装置(APF)，是在20世纪70年代提出的。其原理是首先检测出电网电流的谐波分量，然后控制由全控型电力电子器件构成的逆变器产生与谐波分量幅值相等而极性相反的补偿分量注入电网，抵消电网电流中的谐波分量，使其只含有基波分量，从而达到实时补偿谐波电流的目的。这种滤波装置不仅能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，还能抑制闪变，补偿无功和电网不对称，而且补偿特性不受电网阻抗的影响。3.有源电力滤波装置有源电力滤波装置是一种能够实现动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子设备，可以对幅值和频率都动态变化的谐波和无功电流进行补偿，有效克服了传统无源滤波及无功补偿装置的缺点。有源电力滤波装置根据分类标准的不同有多种分类方式，根据接入电网方式的不同，可以将其分为并联型有源电力滤波装置和串联型有源电力滤波装置两大类；根据直流侧储能元件的不同，又可以将其分为电压型有源电力滤波装置和电流型有源电力滤波装置两大类型。尽管有源电力滤波装置分类不同，但其组成机构基本相同，主要包含两部分：谐波电流检测和补偿电流输出，二者同为有源电力滤波装置的技术难点所在。一个实用的有源电力滤波装置必须满足两方面的要求，即正确检测出电网中的谐波电流，并在有效的时间内产生补偿电流的输出，注入电网抵消电网电流中的谐波。3.1并联型有源电力滤波装置并联型有源电力滤波装置是最常用的一类有源电力滤波装置，目前，运行的有源电力滤波装置几乎全是并联型的。这类有源滤波装置在技术上已经比较完善，但是由于其与系统的联接方式的限制，主电路中变流器的容量难以满足补偿大容量谐波源的要求，从而限制了其应用范围。3.1.1单独使用的并联型有源电力滤波装置单独使用的单相并联型有源电力滤波装置的系统构成如图3-1所示。由示意图可以看出：变流器和与其相连的电感、直流储能元件构成的单相有源电力滤波装置的主电路，与谐波源负载并联接入电网，称之为并联型有源电力滤波装置，在这种方式图3-1单独使用的并联型APF下有源电力滤波设备单独承担全部补偿电流，因此要取得较好的补偿效果需要将其容量做地比较大，成本比较昂贵。但是可以采用适当的控制方法，将这种有源电力滤波装置任意组合，实现多种补偿的目的，即有效降低了成本，又实现了灵活补偿。3.1.1与无源滤波装置并联使用的并联型有源电力滤波装置与无源滤波装置并联使用的并联型有源电力滤波装置的系统构成如图3-2所示。该种方式可以有效减少有源电力滤波装置容量，降低装置的成本，其基本思想是有源电力滤波装置和无源滤波装置与负载谐波源并联在电网中，利用无源滤波装置分担了一部分补偿电流。由于无源滤波装置结构简单、易实现且成本低，与有源电力滤波装置灵活的补偿性能相结合，各取其长，既降低了大容量有源电力滤波装置的成本，又使整个系统具有良好的补偿性能。图2-2中的无源滤波装置可以设计成高通滤波器，一方面可以消除有源电力滤波装置产生的开关谐波，另一方面可以滤除负载中的高次谐波。此时无源滤波装置只分担了补偿高次谐波的任务，有效降低了有源电力滤波装置中电力电子器件的开关频率，但对降低有源电力滤波装置的容量起不了明显的作用。图3-2与无源滤波器并联使用的混合型并联APF另外，无源滤波装置也可以设计成多组单调谐滤波器及高通滤波器的混合，这样可以承担绝大部分补偿任务，而有源电力滤波装置的作用只是改善整个系统的性能，所需的容量可以大大的降低。尽管在理论上无源滤波装置有和电网阻抗发生谐振的可能，但只要对有源电力滤波装置进行有效的控制，即可避免谐振的发生。3.1.3与无源滤波装置串联使用的并联型有源电力滤波装置图3-3与无源滤波器串联使用的混合型并联APF图3-3为并联型有源电力滤波装置与无源滤波装置串联使用的结构示意图。这也是一种可以有效减小有源电力滤波装置容量的组合方式。在这种方式中，谐波和无功率主要由无源滤波装置补偿，有源电力滤波装置的作用是改善无源滤波装置的滤波特性，克服无源滤波装置易受电网阻抗影响，易与电网阻抗发生谐振的缺点。图中，有源电力滤波装置只承担部分电网电压，因此其容量很小。3.2串联型有源电力滤波装置由于串联型有源电力滤波装置可以做到仅承受谐波电压且仅流过谐波电流，容量很小，因此对大容量谐波源的补偿而言，采用串联型有源电力滤波装置是比较理想的方案。故深入研究串联型有源电力滤波装置对解决有源电力滤波装置容量的瓶颈问题，拓展其应用范围具有重要的现实意义。3.2.1单独使用的串联型有源电力滤波装置图3-4是单独使用的串联型有源定子电流,测试的精度要求。电力滤波装置的系统构成示意图。其主电路是由和储能元件连接的变流器、低通滤波器和串联在电网中的串联变压器组成，其特点是有源电力滤波装置为电压源串联在电源和谐波源之间输出补偿电压，叠加在电网电压上，从而补偿负载电流中的谐波分量，从电侧看去，负载谐波源和有源电力滤波装置组成一个线性系统。图3-4单独使用的串联型APE3.2.2与无源滤波装置混合使用的串联型有源电力滤波装置与无源滤波装置混合使用的串联型有源电力滤波装置的系统构成如图3-5所示。这种方式是在并联的负载和无源滤波装置与电源之间串入有源电力滤波装置。其特点与并联图3-5与无源滤波器混合使用的串联型APE混合型有源电力滤波装置相类似，谐波和无功由两个滤波装置共同补偿。4.有源电力滤波装置的谐波检测及控制策略4.1检测方法-瞬时无功功率理论设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为ae、be、ce和ai、bi、ci为分析问题的方便，按照公式(4-1)、(4-2)把它们分别变换到α−β两相正交的坐标系中，得到α、β两相的瞬时电压e、e和α、β两相的瞬时电流i、e式中：式中：则三相电路瞬时有功功率p和瞬时无功功率q可被定义为电压矢量与瞬时有功电流和瞬时无功电流的乘积如3-9所示以上述理论为基础的有源电力滤波装置的谐波检测。4.2有源电力滤波装置的控制原理在有源电力滤波装置中，控制环节用于实现主电路输出的补偿电流实时地跟踪指令信号的变化，是影响有源电力滤波装置性能优劣的关键因素之一。目前，比较常用控制方式有滞环控制、无差拍控制等4.2.1滞环控制滞环控制是一种采用瞬时值比较的控制方式，其原理如图4-1所示。这种控制方法是把谐波补偿电流的指令信号与实际补偿电流进行比较，二者的偏差进行比较作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生