基于基波磁通补偿的串联混合型有源滤波器研究

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1、摘要电力系统冲击性、非线性负载容量的不断增加使电力系统出现了电压电流波形畸变、电压波动、闪变和三相不平衡等电能质量问题，而现代化生产过程中所使用的各种先进的精密仪器与设备对供电质量要求越来越高。在全面总结现有研究成果的基础上作者将变压器理论和现代电力电子技术的结合，研究了用于电力系统动态谐波抑制的有源滤波器和电力系统中可以实现多种功能的可调电抗器，并对几种含有变压器的柔性输电装置进行了分析，主要研究成果为：1)对电力系统谐波电压(或电流)进行了分析，得出基于连续信号傅立叶级数的各次谐波系数的计算公式，并根据欧拉公式推导了该计

2、算公式与Matlab中的FFT函数计算出的谐波系数的关系，实例应用证明了这种分析的正确性。通过仿真解释了两种典型的谐波源的物理本质和分类依据。简要分析了包含无源滤波器在内的串联混合型有源滤波系统的整体参数设计方案。2)介绍了一种基于磁通可控的可调电抗器，这种可调电抗器中包含一个串联变压器，当在变压器的二次侧采用有源的方式注入一个与一次侧电流频率相同、相位相反的电流时，随着注入电流的幅值的变化，变压器的主磁通会发生连续变化，从而可以实现变压器的一次侧阻抗的连续无级可调。本文详细分析了二次侧注入电流与一次侧注入电流在相位和幅值变

3、化时所必需满足的稳定性条件，根据该稳定性条件解释了该可调电抗器之所以能稳定工作的原因。当基于磁通可控的可调电抗器的两种特殊工作状态应用到有源滤波器时，可以得到一种基于基波磁通补偿的混合型有源电力滤波器。这种滤波方案通过检测变压器一次侧的基波电流，并采用电压型PWM逆变器来产生一个基波补偿电流。将此基波补偿电流注入串联变压器的二次侧，当二次侧注入基波电流和电网电流中的基波成分满足基波补偿条件时，串联变压器对基波呈现变压器一次侧漏阻抗，而对谐波呈现励磁阻抗。这种有源滤波器通过提高了系统对谐波的阻抗从而迫使谐波电流流入无源滤波器支

4、路，真正起到了谐波隔离的作用。与国内外现有串联型有源滤波器方案完全不同，这种方案只需检测、跟踪基波电流，补偿基波磁通，因此对电流跟踪控制方式的频带要求很低，且性能稳定，电路结构简单，易于在工程中实现。本文还分析了有源滤波系统在什么条件下可以不加高次无源谐波滤波器和高通滤波器，同时对这种基于基波磁通补偿有源电力滤波器如何用于三相谐波源的滤波做了详细介绍。3)为了解决大容量有源滤波器，提出了一种变压器二次侧采用多绕组的结构的方案。这种变压器结构二次侧采用多绕组，每个绕组与一个用来产生基波补偿电流的PWM逆变器相接，当多个补偿电流

5、共同作用产生的基波磁势与一次侧基波磁势完全III平衡时，变压器对基波呈现近似为零的阻抗，而对谐波呈现励磁阻抗。当串联变压器采用多个绕组结构时，二次侧的基波补偿电流可由多个逆变器来共同提供，从而可以满足大容量串联型有源滤波器的要求，本文分析了二次侧绕组参数和逆变器参数不一致的影响。带80kVA三相谐波负载的有源滤波系统的实验结果证明了上述基于基波磁通补偿的串联混合型有源滤波器及为了实现大容量二次侧采用多绕组的原理的正确性。4)对有源滤波器中的基波或谐波检测进行了深入研究，首次研究了基于瞬时无功功率理论的ip-iq运算方式中锁相

6、环节对谐波检测的影响，得出当电网频率几乎不变时如果仅仅进行谐波检测这种检测方法不要锁相环节也可以准确地检测出谐波的结论。对基于瞬时无功功率的两种改进检测方法进行了理论分析，证明了这两种改进型检测方法本质上的一致性。从现代滤波方法中引入了两种基波检测方式，一种是采用LC并联谐振的基波检测方法，该检测电路由一个LC构成的选频网络构成。另一种方法是采用开关电容滤波器的基波检测方法。对这两种新的检测方法的原理、检测精度、动态响应和电路实现进行详细分析和实验论证。5)对目前应用较多三种电流控制(滞环电流控制，三角波比较电流控制和周期采

7、样法)按照单相和三相两种情况进行了原理和仿真分析，给出了各自的特点和适用范围，重点阐述了滞环电流控制参数选择原则和三角波比较电流控制的特点。6)研究了三种用于对基于基波磁通补偿的串联混合型有源滤波器进行保护的方案：将串联变压器的二次侧短路的方法；用氧化锌避雷器对过电压进行保护；采用变压器磁饱和对串联变压器进行特殊设计。结合实例解释了串联变压器的励磁阻抗选择原则和磁饱和原理保护逆变器主电路的条件。给出了基于基波磁通补偿的串联混合型有源滤波器的主电路图及其电气控制图，具体讨论了该系统的工作过程及有源和无源部分的投入切除问题，分析

8、了整个滤波系统动态响应问题及其他实用化中的关键问题。7)首次推导了当变压器二次侧注入一个电流源和施加一个电压源时的一般原理及两者的本质关系，利用该通用原理以三种变压器二次侧注入电流源和四种变压器二次侧施加电压源为例阐述了几种FACTS装置的更准确的物理概念。关键词：谐波无源滤波器有源滤波器