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电力推进船舶电网谐波抑制仿真研究_图文

武汉理工大学 硕士学位论文 电力推进船舶电网谐波抑制仿真研究 姓名:宋艳琼 申请学位级别:硕士 专业:轮机工程 指导教师:陈辉 20070401

武汉理工大学硕士学位论文

摘要
20世纪80年代中期以来,随着电力电子器件及交流电动机调速技术的进步, 舰船电力推进迎来了一个蓬勃发展的新时期。从电力推进技术的国内外现状来 看,电力推进将成为今后船舶制造产业的主流发展方向。基于船舶电力推迸的 各方面优势,我校211工程—船舶电力推进仿真实验室将投入人力、物力建立一 个更完善的船舶电力推进系统。 电力电子技术在船舶上的大量应用也带来了谐波问题,且日益突出和严重,
国内外都发生过因谐波而引发的重大船舶事故。在我国,对有关电力推进船舶 电网的谐波问题的研究还处于起步阶段。本文对电力推进船舶电网谐波问题以 及已有的谐波抑制方法及相关技术进行分析和总结,并以MATLAB7.0软件包中 的SIMULINK仿真环境为平台,进行相应的仿真研究,验证其有效性。并期望能 对电力推进船舶电力网以及船舶电力推进仿真实验室的谐波抑制研究具有一定

的参考价值。论文的具体工作包括以下几个方面:
(1)阐述了谐波对船舶电网产生的影响和危害。

(2)总结了船舶电网谐波抑制方法及相关技术,主要从高功率因数变流器、
无源滤波器、有源电力滤波器三方面进行讨论,其中包括多相整流技术、脉宽

调制(PwM)整流技术和功率因数校正(PFC)技术,并给出了它们在船舶电 力推进系统中的应用案例。
(3)结合多相整流器和功率因数校正(PFC)技术,进行了提高功率因数

的电力变流电路仿真,其中包括高功率因数无源(PFC)变流器和有源(APFC)
变流器。

(4)详细说明了无源滤波器(PPF)的构成与分类,以及LC滤波器参数的
确定;并通过分析采用三相谐波滤波器的仿真实例,说明了谐波滤波器的设计 方法以及和优缺点。

(5)讲述了有源电力滤波器(APF)的原理、分类以及研究动向,重点讨
论了单位功率因数控制策略(UPF)的基本思想及其相应的控制方法,并建立了

基于UPF算法的并联型有源电力滤波器的仿真模型,包括单相并联型APF和三
相并联型APF的仿真分析。 关键词:谐波抑制;电力推进船舶;仿真;PFc;APFC;PPF;APF

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Abstract
Since the middle 1980s,with the development of

power


electronic devices and new vigorous period in

the AC motor speed regulation technology,it has come into

the field of marine electric propulsion,.Judging from situation of electric propulsion
technology at home and developing

abroad,me

electric propulsion will become the main advantages of marine electric


direction in ship building.O、^,illg to

propulsion,manpower and material I'eSOUl'ceS

will

be thrown into to build

more

perfect mKFine electric propulsion system in marine electric propulsion simulation lab

ofproject

211 ofour university.

The massive application

ofpower

electronic technology

011

ship has also caused more

harmonic problems,and the problems have marine

become
to

mom

and

serious.Many

accidents
on

have

happened

research

harmonies of

me
the

in the world due

harmonic problems.In China,the
at the

electrical propulsion is

dissertation summarizes harmonic problems about power system of

me

start stage.This

electrical does the

propulsion,as
corresponding

well

as

harmonic
to
as

suppression its

methods.And

simulation

research

confirm

validity,using SIMULINK
that the

environment of MATLAB7.0
dissertation
can

software

the

simulation platform.We expect
on

provide some references to the research

power

system of marine

electric propulsion

and

the harmonic suppression in marine electric propulsion lab.
as

The research work includes several parts (1)This dissertation

follows:
on

elaborates

effects cause丑by harmonics

power

system of

n戚ne electric propulsion.
(2)The dissertation summarizes the harmonic suppression methods and related technology,speciaIly emphasizes the
the active electric

power

factor

ennvel"tel"、the

passive filter and

power

filter,including the

heterogeneity

rectification technology、 Power Factor

the rectification technology ofthe Pulse

Width Modulation(PWM)and

Correction(PFC)technology,and gives these
application
cases

harmonic suppression methods of

in

mari∞electric propulsion system.



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(3)The dissertation discusses the polyphone rectifier and power factor oorrection

(PFC)technology

in detail,and carries out the rectification circuit simulation to

enhance the power factor,including passive power factor and active power factor (4)The

correction(PFC)converter

correction(APFC)GonveI'ter.

dissertation explains passive

power filter(PPF)constitution

and

classification,as well鹪LC filter parameter determination in detail.And it discusses the harmonic filter design memo&as well
as

the advantage and disadvantage of

passive tfilter,through the simulation example ofthe three-phase l吡u'momc filters.

(5)The dissertation elaborates the active power filter(APF)of principle、
classification and the rcsearch trend in detail,discusses the basic thought and corresponding

control

strategy of unit power

factor(UPF)with simulation

emphasis,and
011

establishes parallel active electric power filter of

model based

UPF

algorithm,including single-phase parallel APF and three-phase parallel APF.
Key words:harmonc suppression;marine electrical propIllsion;simulation;PFC;

JU’FC:PPF;APF



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第1章绪论
1.1问题的提出和研究意义
20世纪80年代中期以来,随着电力电子器件及交流电动机调速技术的进步, 舰船电力推进迎来了一个蓬勃发展的新时期。客轮、破冰船,工程船等民用船
舶越来越多地采用了电力推进。据统计,在80年代后期以来,新建的客轮、破

冰船、渡轮约有30%采用了电力推进,且成流行趋势;发达国家正在大力研制采 用电力推进的下一代新型战舰并取得了重大进展:另外,出现了电力推进方案
及推进电动机的多样化和大功率化及变频调速等。


基于船舶电力推进的各方面优势,我校21l工程—船舶电力推进仿真实验室 初步建立完成,对船舶电力推进系统进行了软件仿真和监控实验方面的初步研
究。目前我国船舶电力推进技术研究处于起步阶段,跟国外相比有很大差距。 为了进一步深入研究,实验室将投入人力、物力建立一个完善的船舶电力推进 系统,其中包括系统谐波的测量分析、电网能量的分配,电站系统化的管理等 一系列研究,用来开展相关技术研究,模拟实际船舶的各种运行工况,便于掌 握船舶电力推进系统的若干关键技术,进行可行性的分析,指导船舶的建设和 以后电力推进轮机模拟器的设计和生产。 然而,电力推进技术的兴起,很大程度上归功于功率半导体器件的飞速发 展。采用功率半导体器件实现变频装置的作用就是变流。而在变流过程中,使用 了电力半导体器件的开关特性,在其输入和输出侧电压和电流都会出现波形畸

变,产生丰富的谐波。电力电子技术在船舶上的大量应用也带来了谐波问题,且 日益突出和严重,国内外都发生过因谐波而引发的重大船舶事故。船舶用电设
备的谐波标准日益提高,而现阶段船用变频器会给船用电网注入大量的谐波, 因此电力推进船舶首先要解决的就是谐波问题。在我国,对有关电力推进船舶 电网的谐波问题的研究还处于起步阶段。【IJ

谐波问题已经引起了各国政府、研学界以及产业界的高度重视。目前普遍
认为在我国未来5-,-10年内将形成有关谐波治理的巨大市场。国内也有众多厂家 进行谐波治理方面的技术开发。在谐波治理市场形成之前,详细分析目前已有

技术的特点,结合电力推进船舶电网的实际需求,在此基础上进一步的创新,

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开发出更加实用的技术,从而降低投资成本,增加装置性价比,降低能耗,提 高装置可靠性,减少谐波污染,有着极大的实用价值。 谐波问题涉及面很广,包括谐波抑制、畸变波形的分析方法、谐波源分析, 电网谐波潮流计算、谐波限制标准以及谐波测量等。谐波抑制是谐波问题的一 个重要分支。聊 本文对电力推进船舶电网谐波问题以及已有的谐波抑制方法及相关技术进 行分析和总结,在此基础上,进行相应的仿真研究,验证其有效性。并期望能 对电力推进船舶电网的分析研究,以及船舶电力推进仿真实验室的谐波抑制等 提供依据和方法。

1.2课题研究国内外发展动态
1.2.1电力推进技术的国内外发展动态
从上个世纪末到现在,国内已对较多船舶拟采用电力推进系统进行了研究 或设计。其中有消磁船、极地考察船、铺管船、打捞船、海监船等。上海中海 机电设备有限公司已有了小船电力推进系统设计制造和应用,海军也对综合全 电力推进系统开始了课题预研工作,上海海运学院已开始筹备建立电力推进系 统仿真实验室。另外还有704、71 l、712等研究所也有电力推进的预研项目。由 于电力推进系统技术先进、投资较大,没有系统的参考资料和开发实例,所以 我国发展大型的电力推进船舶要考虑周全,尽量的保证安全、实用、经济.要 进一步掌握和开发变频器、电机、控制等的高端技术。 在国外,电力推进船舶的研究和应用比较早,军用方面有美国海军利用政 府的各种实验室和私营公司为其快速军船进行全综合电力推进系统(IEP)的研 究、开发和论证工作。在这些计划下成功地开发和论证新技术,使美国海军在2000 年就决定其新一代DD.21陆战巡洋舰可能使用电力推进作为其主推进选择方案。

这个决定将最大程度地降低船舶的传统设计、建造成本,改善船舶噪声性能,改善 其易损性以及减少维修要求。民用方面,世界上几大具名的电力及推进系统供
应商都有自己电力推进的产品系列。如:德国SIEMENS与SCHOTrE共同开发的
SSP

Propulsor吊舱式电力推进装置;法国Alston和瑞典Rolls—Royce公司(前

KAMEWA公司)共同开发的Mermaid吊舱式电力推进装置;瑞士ABB公司和
Kvaemer-Masa Yards公司开发的Azipoa吊舱式电力推进装置;荷兰John Crane


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Lips公司和德国STN.ATLAS公司共同开发的Dolphin吊舱式电力推进装置。

1.2.2谐波研究的发展动态
从电力推进技术的国内外现状来看,电力推进将成为今后船舶制造产业的主 流发展方向,对于船舶电网进行谐波抑制研究对促进我国在船舶电能利用率和 提高现代化大容量船舶的安全运行方面的工作具有正面意义。刚 有关谐波问题的研究可以划分为以下四个方面: 1)与谐波有关的功率定义和功率理论的研究; 2)谐波分析以及谐波影响和危害的分析; 3)谐波的补偿和抑制; 4)与谐波有关的测量问题和限制谐波标准的研究。 当电压或电流中含有谐波时,如何定义各种功率是一个至今尚未得到圆满 解决的问题。如何便定义科学严谨,又能满足各种工程和管理的需要,还有许 多问题需要研究。本文将将在这一问题上展开讨论,在第4章中就功率因数校 正(PFC)技术研究现状作简要介绍,并对高功率因数交流器进行了仿真分析。 电力系统豹谐波分析是以电力系统为对象、当系统中有一个或多个谐波时

就要计算和分析系统中各处的谐波电压和谐波电流的分布情况。高压直流输电
工程的建立及静止无功补偿装置(svc)的应用有力地推动了这方面研究工作的

进展,我国学者夏道止在这一领域的研究在国际上产生了广泛的影响。其研究
的主要特点是把交直流电力系统作为一个整体统一求解,使得分析结果更为准

确。目前这一领域还有一些问题有待进一步研究解决,例如,当系统的谐波源
为时变或同时存在多个谐波源时,如何进行建模和分析;如何计算或估计负载 及系统的等效谐波阻抗;如何对待背景谐波等. 谐波危害及影响的分析这方面有关文献己很多,但随着谐波源种类和分布 的变化,又有新的问题不断出现。本文在第2、3章对这一问题进行简要的叙述。

电力系统中谐波的实际测量结果是谐波阁题研究的依据,也常常是研究分
析问题的出发点。由于电子技术,特别是数字电子技术的进步,已有许多仪器 能对谐波进行连续的测量,提供必需的信息。但如何合理地选择采样时间、测 量间隔及测量位置,如何处理波形瞬态畸变和闪变等问题还需要深入研究。这 方面的问题不在本文的讨论范围。



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在有谐波对各种电学量的测量中,以功率和电能的测量最为重要。这项工

作除与谐波标准有关外,更和存在谐波时功率的分类和定义直接相关。数字采
样测量技术的发展正在突破以前存在的各种技术限制,但因为缺少统一的功率 分解和定义,这一问题尚未得到合理的解决。 制定限制谐波的标准是解决电力系统谐波危害和影响的重要措施。世界上 许多国家都制定了限制谐波的国家标准或全国性规定。我国也先后于1984年和 1993年分别制定了限制谐波的规定和国家标准。在国际上,各个国际组织,如 国际电气电子工程师协会(tEE)、国际电工委员会(IEC)和国际大电网会议(CTGR) 也纷纷推出了各自建议的谐波标准,其中较有影响的是IEEE519-1992和

IEC555-2。前者是修订后第二次发表,后者正在修订之中【”。
近年来,非线性负载不断增加,谐波污染Et益严重.除了传统无源滤波器广 泛使用外,利用有源电力滤波器对谐波进行补偿从而抑制谐波的方法越来越成 为大家关注的重点。功率因数校正(PFC)电路在提高电力电子装置的网侧功率因 数、降低电网谐波污染方面也起着很重要的作用【4】。但由于现有电力电子技术与 微电子技术的局限性,传统有源电力滤波器存在以下缺点:检测电路结构复杂, 控制电路结构复杂,成本升高,响应迟缓。 针对上述现有技术中存在的缺陷,一些谐波滤波的新技术被提出,例如一种

应用新型滤波用固体同步电压源进行电网谐波滤波的新技术。它比现有技术的
有源电力滤波器有更低的成本和更简单的结构,比现有技术产生正弦波的滤波 用固体同步电压源有更好的滤波效果和更强的电网阻抗适应性15】。随着国内外关

于谐波滤波研究的深入,新的谐波滤波技术方案将不断被提出。

1.3仿真工具的简述
计算机仿真是进行现代科学研究的一种重要手段,在电力电子技术方面,
计算机辅助分析和设计方法已成为一种公认的经济、有效的设计方法。计算机 仿真可以建立一个模拟的实验环境,构造出复杂并且精确的电路模型。通过仿 真,对其进行各方面性能的检验,而不需要冒着损坏器件的风险,降低了开发 成本。

姒TLAB是当前工程技术领域最常用的仿真软件之一.使用MATLAB软件进行
电力系统数字仿真,具有三个突出的优势。161



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(1)电力系统仿真工具箱功能强大,工具箱内部的元件库提供了经常使用 的各种电力元件的数学模型,并且提供了通过自己编程的方式来创建适合的元 件模型的手段; (2)强大的MATLAB平台为电力系统仿真后数据处理提供了功能齐全的 分析手段: (3)友好的界面。 MATLAB是Math Works公司于1982年推出的一种功能强大、效率高、交 互性好的数值计算和可视化计算机高级语言,1990年推出了基于系统框图和界

面仿真的功能,即Simulink。Simulink模块库由各个模块组成,各模块集与工具 箱联系构成子模块组,同时,还可以根据需要自己编写模块组。其中,电力系
统模块集(Power System Blockset)主要由加拿大Hydro Quebec和TECSIM. International公司共同开发,功能非常强大,用于电子、电力传输和电机元件等 的Simulink模型仿真,提供了一种类似电路建模的方式进行模型绘制。

Simulink是Matlab的一个方便的、交互式的、可视化的程序编制系统。对 于非线性动态系统的模拟仿真极其有用,可以在图形界面下,利用鼠标操作,
以画方框图的方式建立系统模型和建立仿真操作,可以应用于线性、非线性、 连续离散、多变量和多速率系统。 Toolbox是Matlab的一组应用解决方案,允许Matlab用户学习和应用特定

的技术,对解决具体问题很有用。Toolboxes由多个组组成,每个组包括解决特
定类问题的大量M文件,并且内容在不断的升级和扩充【7l。

本课题的仿真是利用MATLAB中的sIMuL咖【以及SimPower工具箱中器
件模型建立了相应的仿真模型。

1.4课题主要研究工作
本文从应用角度出发,对电力推进船舶电网谐波问题以及已有的谐波抑制

方法及相关技术进行分析和总结,在MATLAB7.0软件包中Sn小Ⅱ舢<仿真为
平台上,建立相应的仿真模型并验证其有效性。论文的具体结构如下:
第l章:讲述了课题研究的背景、目的及意义以及发展现状,并简单介绍 了本课题使用的仿真工具。 第2章:阐述了电力推进船舶电网谐波问题。包括船舶谐波产生的原因、



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目前存在的问题、以及谐波对船舶电网的危害。 第3章:简述了谐波的基本概念,并总结了船舶电网谐波抑制方法及相关 技术,主要从高功率因数变流器、无源滤波器、有源电力滤波器三方面进行讨

论,其中包括多相整流技术、脉宽调制(PWM)整流技术和功率因数校正(PFC)
技术,并给出了在船舶电力推进系统中的应用案例。

第4章:详细讨论了多相整流器和功率因数校正(PFc)技术,进行了提高功 率因数的电力变流电路仿真,其中包括高功率因数无源(PFC)变流器和有源
(APFC)交流器。 第5章:详细说明了无源滤波器的构成与分类,以及LC滤波器构成和参数 的确定:讨论了无源滤波器的设计方法和参数选择,并建立了三相谐波滤波器 的仿真模型。 第6章:详细论述了有源电力滤波器的原理、分类以及研究现状和发展动 向,重点讨论了单位功率因数控制策略(uPF)的基本思想及其相应的控制方法,

并构建了基于UPF算法的综合补偿谐波和无功电流的并联型有源电力滤波器
(APF)的仿真模型,包括单相并联型APF和三相并联型APF的仿真分析。 第7章:对整篇论文进行总结,并且对今后的研究工作进行展望。



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第2章

电力推进船舶电网谐波

2.1电力推进船舶谐波产生的原因
理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅 值。谐波电流和谐波电压的出现,是一种污染,它使用电设备所处的环境恶化, 也对周围的通信系统和电网以外的设备带来危害。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。近三四十年来,各种电力电子装置的迅速普 及使得公用电网的谐波污染日趋严重,由谐波引起的各种故障和事故也不断发

生,谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。 电力推进技术的兴起,很大程度上归功于功率半导体器件的飞速发展。采用
功率半导体器件实现变频装置的作用就是变流。而在变流过程中,使用了电力半

导体器件的开关特性,在其输入和输出侧电压和电流都会出现波形畸变,产生丰 富的谐波。电力电子器件和变频设备在船舶上的大量应用也带来了谐波问题,
且日益突出和严重,国内外都发生过因谐波而引发的重大船舶事故。现阶段船 舶用电设备给船用电网注入大量的谐波。 在船舶上产生谐波的元件很多,例如舵机系统、冰库制冷系统、辅锅炉系 统、电力推进系统等中的交流设备。船用蓄电池组充电、船舶通讯、导航和报 警系统等采用的直流电源都需要变流设备。另外,舵机、冰库制泠、辅锅炉等 系统都含有变流装置。船上电视机、录象机、电冰箱和洗衣机等文娱、生活用 电器,船用电脑及电子自控装置等也都有变流设备。最为严重的是采用交频调 速和串级调速的交流电动机调速系统和采用晶闸管交流的直流电动机调速系统 等,都有大型的交流装置,它们产生的高次谐波电流最为突出,是造成船舶电 力系统中谐波干扰的最主要因素嘲。 (1)交流装置 变流装置是船舶电力系统中最主要的谐波源。过去,船舶主要采用晶闸管 直流电动机调速系统,而近几年来新造的船舶交流电动机的串级调速、变频调

速得到了广泛使用,它们都要使用大型的变流设备。而船用蓄电池组充电、船
舶通讯、导航和报警系统等采用的直流电源都需要变流设备。另外,舵机、冰



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库制冷、辅锅炉等系统都含有变流装置。船上电视机、DV机、电冰箱和洗衣机
等文娱、生活用电器、船用电脑及电子自控装置等也都有变流设备。 (2)有电磁系统的设备 船用照明变压器、安全电压变压器、电流和电压互感器、制动电磁铁、接触 器和继电器等都有铁芯和励磁线圈。由于铁芯的饱和性,磁化曲线呈非线性,

铁芯愈饱和,线圈电流波形畸变也愈大,是稳态谐波源。为使电磁系统设计较 经济,励磁电流呈尖顶波,其谐波级数为奇次,主要是3次谐波。电磁装置在 投入时或在外部故障切除后突然恢复电压时,产生浪涌电流,可达额定电流8~lO
倍,该电流含有数量很大的谐波量,而且衰减较慢。

然而,无论何种电气设备,它们大致可以分为一下几种类型:发电机、变
压器和电力电子设备。从交流电网这一侧来看,电力电子装置的输入端可能是

以下几种电路之一:整流电路,交流调压电路,或者周波变流电路。按照负载 性质和运行特点的不同,整流电路又可分为阻感负载的整流电路和带滤波电容
的整流电路。111 下面,就谐波对船舶电网带来的各种可能危害进行具体的说明。

2.2电力推进船舶电网谐波“3
2.2.1谐波对船舶电网的危害
1)在船舶电网中引起谐振和谐波电流放大 为了补偿负载的无功功率,提高功率因数,常在负载处装有并联电容器。 为了提高系统电压水平,常在变电所安装并联电容器。此外,为了滤除谐波, 也会装设由电容器和电抗器组成的滤波器。在工频频率下,这些电容器的容抗

比系统的感抗大得多,不会产生谐振。但对谐波频率而言,系统感抗大大增加
而容抗大大减小,就可能产生并联谐振。这种谐振会使谐波电流放大几倍甚至 数十倍,会对系统,特别对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁,常常 使电容器和电抗器烧毁。在由谐波引起的事故中,这类事故占很高的比例。 2)对船舶电网的危害 谐波电流在电网中的流动会在线路上产生有功功率损耗,它是电网线路损

耗的一部分。一般来说,谐波电流与基波电流相比所占比例不大,但谐波频率 高,导线的集肤效应使谐波电阻比基波电阻增加得很多,因此谐波引起的附加


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线路损耗也增大。 谐波源在一些谐波频率上吸收有功功率,在另一些频率上向外发送有功功 率。这些谐波有功功率通常都是由从电网吸收的基波有功功率转化来的。谐波

源吸收的谐波有功功率常常对产生谐波的装置本身是有害无益的。谐波源发出 的谐波有功功率也给接在电网上的其他用电设备带来危害,并增加功率损耗。 船舶电网线路短、负荷密度大,高次谐波电流在线路阻抗上形成谐波电压 降落,产生有功功率和无功功率损耗,但数值不太.严重的是高次谐波可能在
船舶电力系统中发生电压谐振,在线路上引起过电压。船舶电网基本上是由电 缆构成,对于采用电缆的输电系统,谐波除了引起附加损耗外,还可能使电压 波形出现尖峰,从而加速电缆绝缘的老化,引起浸溃绝缘的局部放电,也使介 质损耗增加和温升增高,缩短了电缆的使用寿命。通常电缆的额定电压越高, 谐波对电缆的危害也越大。电缆的分布电容对谐波电流有放大作用,会使上述 危害更为严重。

2.2.2谐波对船舶主要负载的影响
1)对电机的影响 船舶电力系统主要负荷是电动机。谐波对旋转电机的影响主要是引起附加 损耗和过热,其次是产生机械振动、噪声和谐波过电压.这些将缩短电机的寿 命,情况严重时甚至会损坏电机。 在电力推进系统中,同步电机占了很大容量,对同步电机来说,定子绕组 流过谐波电流后将产生与谐波频率相对应的旋转磁场,在转子绕组中感应出谐

波电流。对隐极电机来说,:谐波电流主要在转子的槽楔、齿和转子端部的套箍
上流动:对凸极电机来说,谐波电流主要在极靴中流动。由于谐波频率高,集 肤效应显著,因此谐波电流只在上述转子各部件的表层流动,所以转子中的阻 尼绕组、槽楔、齿和套箍最容易受到谐波电流的损害。谐波发热对隐极电机的 影响要比对凸极电机的影响严重得多。

集肤效应使得定子绕组中的谐波电流的分布也很不均匀。定子双层绕组中 沿槽高度的上层线棒内的谐波损耗可能比下层线棒内高几倍。但对电机而言,
谐波损耗主要还是在转子中。 国际电工委员会和我国都对同步电机允许的负序电流最大值有明确的规



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定。谐波电流引起的电机附加损耗和发热可以折算成等值的基波负序电流来考

虑。为了不降低同步电机的绝缘寿命,与承受负序电流的情况相似,在同步电
机承受谐波电流时应提高设计裕度,或者在使用时要降低出力。 异步电动机中的绝大多数转子用硅钢片叠成,由笼型绕组承载感应电流。

这种笼型异步电动机只有定子存在绝缘,因而成为对谐波损耗发热较为敏感的
薄弱环节。异步电动机的谐波功率损耗主要是铜损耗。其损耗和谐波电压U。的

平方成正比,和谐波电抗)【n的平方成反比,和谐波电阻碥成正比。谐波电压较

大时,磁饱和将引起&和X的下降,使总的谐波损耗增大。因此,谐波所引起
的异步电动机的附加损耗和发热要比只按谐波电压计算的大得多。除谐波引起 的损耗外,谐波引起的机械振动对电动机也有很大的危害。同步电动机的定子 绕组中流过正序谐波电流和负序谐波电流n时,它们所产生的旋转磁场将相对 于转子分别以(n-1)倍同步转速正方向和(cnH)倍同步转速反方向旋转,同时也产
生谐波转距,引起电动机以n±1倍基波频率的机械振动。如果该频率接近电机 的固有振动频率,甚至会引起电机的强烈振动。 异步电机的定子绕组流入正序和负序谐波电流IⅡ时,形成正向或反向以n 倍同步转速旋转的磁场。正序分量谐波电流将产生正向转矩,和基波正序分量 转矩方向相同。负序分量谐波电流将产生相反方向的转矩。由于谐波分量一般 并不大,因此产生的转距也很小,而且正序和负序谐波电流产生的转矩相互抵 消一部分,所以谐波电流产生的平均转矩可以忽略,但是它产生的脉动转矩却 会引起电机的机械振动和噪声。 2)对变压器的影响

谐波对变压器的影响主要是引起附加损耗和过热,其次是产生机械振动、
噪声和谐波过电压。变压器励磁电流中的谐波电流通常不大于额定电流的1%, 且其作用是使磁通为正弦波,因此并不引起变压器铁损耗增大。变压器在刚通 电过程中谐波电流可能很大,但历时很短,一般也不会形成危害。但当发生谐 振时,就有可能危及变压器的安全.当直流电流或低频电流流入变压器时,会 使铁心严重饱和,励磁电流中的谐波电流就会大大增加,会使变压器受到危害。 谐波源的谐波电流流入变压器时,对其主要影响是增加了它的铜损耗和铁 损耗。随着谐波频率的增高,集肤效应更加严重,铁损耗也更大。因此高次谐 波分量比低次谐波分量更易引起变压器的发热。谐波电流还会引起变压器外壳、 外层硅钢片和某些紧固件的发热,并有可能引起变压器局部严重过热。谐波还
10

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会引起变压器的噪声增大。 3)对电力电容器的影响 在船舶电站中常采用电力电容器补偿感性负载导致的功率因数下降。高次 谐波对电容器的影响最为突出,高次谐波对电容器呈现出低阻抗,电容器为高

次谐波提供了通道,谐波电流与基波叠加,通过电容器的总电流增加,持续的
过流使电容器温升增加、寿命缩短,严重时使电容器损坏、甚至爆炸。另外, 电容器容性阻抗和系统感性阻抗可能在某次谐波频率附近发生谐振。 4)对变流装置的影响

船舶上硅变流装置一方面是主要的谐波源,产生特征和非特征谐波并注人
电网;另一方面,外部畸变又影响换流器和交流装置换向器负荷的运行。由于谐

波引起控制系统误差,电流变化率、电压变化率过高或产生过热效应,引起晶
闻管故障,都会给换流装置带来影响。某些受控的变流器的控制逻辑往往因畸 变电压而导致运行误差。 5)对控制和保护装置的影响

电力系统中的谐波会改变保护继电器的性能,引起误动作或拒绝动作。不
同类型的继电器工作原理和设计性能不同,因此谐波对其影响也有较大的差别。

谐波对大多数继电器的影响并不太大,但对部分晶体管型继电器可能会有很大
的影响。船舶主要的电器设备采用继电器一接触器控制,并且组成各种电力自 动控制系统。在船舶电力系统中大多数控制装置的控制信号取自于电网工频正

弦信号。由于电网电压、电流存在高次谐波,会使控制信号和幅值变化,使控
制装置发生误动作。 流过电网中断路器的电流里含有较大的谐波时,在电流过零点处的di/dt可 能要比正常时大得多,从而使断路器的开断能力降低。有的断路器的磁吹线圈 在谐波电流严重的情况下将不能正常工作,从而使断路器无法开断以至损坏。 6)对船舶通信、电子设备的影响 船舶通讯包括与外界的无线通讯和船舶内部的有线电话通讯。高次谐波形

成对通讯设备和线路的干扰信号,影响通讯网络的电磁效应和正常的通讯载波
工作。如对电话线路而言,音频通道的工作频率约为300.3000Hz,而供电线路 的许多谐波就在这个范围内.由于电力线路和电话线路的功率差别很大,所以 供电系统的谐波将引起可以察觉、有时甚至是不能允许的电话杂音。 船舶的导航设备和采用微电脑及其它电子元件控制的船舶自动控制系统包

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含了大量数字电路部件。它们都要求可靠和稳定的工作,特别是导航设备。数 字电路所用逻辑元件都有各自的阀电平和与之相对应的干扰信号容限,如果谐 波的干扰超过其容限,就可能破坏触发器和存储器保存的信息,排除干扰后, 它仍会在系统内部的存储器件里留下痕迹,系统也不会再恢复到原来的工作状 态。即使含有微处理器的系统里程序没遭破坏,若地址总线受到干扰,也会有

程序丢失的危险,使系统进人预想不到的状态,甚至陷入意外停机状态。因此
高次谐波对导航等电子设备危害是严重的。 7)对船用测量表计的影响

电力测量仪表通常是按工频正弦波形设计的,当有谐波时,将会产生测量 误差。仪表的原理和结构不同,所产生的误差也不同。电压表研究各种电表在 畸变电压波形下的反应,一般由频率特征着手,即观察各种电表在同一有效值
但频率不同的正弦波形下的指示变化。

谐波对船用兆欧表、功率因数表和频率表等也都有不同程度的影响,但这
些仪表一般装置在总配电屏上,谐波分量较小,所受到的影响也较小。

从上述谐波对电力推进船舶的危害和影响可以看出:谐波降低了船舶电力 系统电能的波形质量,严重地危害系统和各种用电设备的安全经济运行。为了 保证电能质量,应采取相应的措施来抑制谐波电流。衡量电网质量的关键因素
是总的波诣畸变(total harmonicdistortion,THD),目前有关权威机构已制订了限 制谐波的规定。如IEEE-519,STANAGl008,GL,LRS和IEC.60002标准。[91 如表2.1所示,IEEE.51913,10,12]不符合陆地电网规范系统。在军舰上,这个标 准却适用于船舶电气。 表2一l
谐波电流次数n
n<ll

IEEE谐波限制-519规定的谐波电流限值
谐波允许值在最大负载电流中所占%
<4% <2% <1.5% <o.6% —∞3%

11≤n<17
17≤n<23 23≤n<35

35≤n

对于船舶电网这种具有复杂环境的独立小容量电网来说,其谐波抑制比陆

上电网更难,但考虑到船舶营运的安全性和可靠性,不少船级社对船舶电网电
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能质量规定的严格程度基本不亚于我国国标和国际标准中对陆上电网电能质量

的要求,有的甚至更高。我国国标对低压电网(O.38∽电压总谐波畸变(TI-ID。;
Totalvoltage Harmonic

Distortion)的规定为5%,而我国船级社以及挪威船级社

(DNV.-DetNorskeVeritas)、美国船级社(ABS:AmericanBureauofShipping)等 对船舶电网THD。的规定也为5%【101。对于电流总谐波畸变(THDi:Total cu饿m
Harmonic

Distortion)没有明确地规定其限制值,一般要超过THDu。我国船级社

对功率因数^的新规定中,有些方面要求0.9以上。因此为了符合这些要求,对 船舶电网谐波抑制的研究是有必要的。

13

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第3章谐波抑制方法
3.1谐波的基础概念
3.1.1谐波的定义
电力系统中,理论上的电压和电流波形是工频下的正弦波,但实际的波形

总有不同的非正弦畸变。谐波的概念实际来自于研究正弦波形畸变的数学方法,
国际上公认的谐波定义【n】为:“谐波是一个周期电气量的正弦波分量,其频率为

基波的整数倍”。在电力系统中,我们通常所说的谐波主要是指频率是基波频率
整数倍的正弦波,也常称为高次谐波。

从数学的角度来分析谐波,可以更清楚地理解它。傅立叶级数是一种研究
和分析谐波畸变的传统方法。根据傅立叶级数,任何周期波形都可以被展开为 傅立叶级数。即:


厂(,)=4+∑【4cos(施%r)+岛sin(蛔ot)】

(3—1)

=4+∑Ch sin(hcoot+伊h)
式中:厂(,)一一一个频率为兀的周期函数,其角频率‰=2矾,周期
T=1/兀=2,r/coo; cl sin(hoDot+仍)——基波分量 G sin(boo。t+%)——第h移滞波,它的幅06c为G。频率为甄,梧位为仍。
傅立叶级数的系数如下式:

A=lff(t)dt=去r。f(t)dz(z=删 4=吾f,∽c。s(^%f)面=丢f。f(t)cos(hz)dz 鼠=2 rf(t)sin(booof)毋=妻r。fq)sin(hz)dz
c^=√42+色2

(3-2) (3—3) (3~4) (3—5)

14

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%=一c争
3.1.2谐波畸变的度量方法
将一个畸变的周期电流或电压波形展开成傅立叶级数:

(3—6)

砸)=∑lhcos(/u00t+#h)
h*l

(3—7)

峭)=∑圪cos{k_oo,+皖)

(3-8)

‰——{枣波角频率‰2碱,五——基本频率,fo:50IE
厶,%——第h次谐波峰值电流、电压 丸,巩——第h次谐波电流、电压相位
1)电压和电流有效值

由公式‰=;f翩西=三喜牡轧2

(3-9)

‰=屏
l。=跃
2)电压和电流的畸变因数
Harmonic Distortion)

(3-10)

(3-11)

①电压畸变因数VI)F称为电压总谐波畸变率Tiff)r(THD--The

Total

觋:吉廖=肝
②电流畸变因数CDF称为电压总谐波畸变率THD。

(3-12)

嘞l:t辱=吁、
15

(3—13)

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3)有功功率和无功功率

有功功率为p(t)=v(r)f(r),其平均值为:

P=吾rp(t)dt=昙妻8-I圪厶cos(哦硼嘻吃kcos(6:,圳(3-14)
无功功率被定义为:

Q=去∑虼厶sin(岛一九)=∑%k s衄皖一九)
4)视在功率 基于上述电压和电流有效值的公式,视在功率为:

(3—15)

s=‰o=、f∑矿2k,乞=‰L√l+删D2,√1+勰D2,
=s√1+zml2P√1+THD2』
式中S广一基频的视在功率。
5)畸变功率

厅■———一一一
(3—16) (3—17)

当谐波存在时,视在功率S不仅仅是由有功功率P和无功功率Q构成的, 畸变功率(伏安值)D被定义来计算两者的差别: D2=S2一(P2+Q2) 6)功率因数 功率因数是有功功率对视在功率的比值。因此,有:

旯=去=——1=====;=—F==署=A却五m s√l+THD2r√l+THD2,


”一

(3—18)

位移功率因数:

‰=妄

(3—19)

畸变功率因数:缸=了再荔翥零1了i丽=等。亡11;鲁(3-20)
在实际生活中值得注意的是,不要被铭牌上的功率因数为I所误导,功率 因数为1只可能在纯正弦波形情况下得到,铭牌上所标出的实际上是位移功率 因数。【11当有谐波存在时,实际的功率因数为:
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矗=mq丽嘉,高]<k告∽z,,
3.1.3谐振
串联谐振发生在容性和感性电抗相等的甲联RLC电路中?此时,电路的阻抗

很小,较小的激励电压产生巨大的电流。类似地,并联谐振发生在容性和感性 电抗相等的并联RLC电路中。此时,电路的导纳很小,较小的激励电流产生巨
大的电压。根据上述分析,谐振发生的条件为:

瓦=o)rL-2如2壶
即谐振角频率以(rad/s)和谐振频率(Hz)为:

@。22’

q2击(3-23)

z=丽1=南=工压
谐振的谐波次数:

。屯t,

I=砉=面1=压(3-25)
3.2船舶电网谐波的抑制方法
随着电力电子学、交流调速和基于微处理器的数字技术的迅猛发展,船舶电

力推进越来越受到航运界的重视..船舶采用电力推进系统首先要面对的就是谐
波问题。u习

解决谐波问题的思路主要有两条:①集中补偿,设计无源电力滤波器或有 源滤波器抑制或消除非线性功率装置产生的谐波污染;②就地补偿,使用高输
入功率因数装置作为现在电力电子装置的前级电路,抑制或消除产生电力谐波 的根源。【13】

集中补偿是针对某一区域的电力负载产生的谐波电流和无功电流集中在电

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网接入端进行补偿,使得电网输入电流不含谐波成分或无功成分。目前采用的

方法有静止无功补偿器(SVC:Static Var Compensator)、静止无功发生器(SVG:
Static Vat

Generator)和有源电力滤波器(APF;Active

Power

Filter)等。

就地补偿一般采用高功率因数整流技术,或采用合适的有源、无源滤波技

术,使其尽量不产生谐波电流,提高输入电流位移因数和波形系数,使输入功
率因数接近1。 从主动与被动方面看,滤波技术包括有源滤波和无源滤波。从接入方式来

看,滤波技术包括并联方式、串联方式和串并联方式。从输入相数来看,滤波
技术包括单相滤波和三相滤波。从滤波是否完全来看,滤波技术包括完全滤波 和部分滤波。 抑制谐波的主要途径有两种1141:

一是主动型谐波抑制方案,即对接入电网的设备本身进行改进,限制其产
生谐波的含量或不产生谐波。具体方法有:开发新型交流器,使其不产生谐波 且功率因数为l,这种变流器被称为单位功率因数变流器(Unity
Power Factor

Converter);在中小功率电力变换装置中,采用脉宽调制技术的整流电路的有功 功率因数校正(PFC:PowerFactorCorrect)电路,已经在开关电源中获得了广

泛应用;在大功率电力交换装置中,采用多绕组变压器的多脉整流或将多脉整
流与控制移相相结合构成准多脉整流。本文的第四章将对这种抑制方案进行详 细讨论。 二是被动型谐波抑制方案,是通过外加设备达到谐波抑制的目的,即装设 无源电力滤波器(PPF:PassivePowerFilter)、有源电力滤波器(APF;Active
Power

Filter)或混合型电力滤波器进行滤波。采用这些电力滤波器就地吸收谐波

源所产生的谐波电流,是抑制谐波污染的有效措施,也是电力系统中抑制谐波 广泛采用的方法。本文的第五章和第六章将对这种抑制方案进行详细讨论。 根据滤波原理,将电力滤波器分为无源滤波器和有源滤波器两种。115】 (1)无源滤波器

针对谐波问题,传统方法是采用LC滤波器。它是由电容器、电抗器和电
阻器适当组合而成的滤波装置,与谐波源并联,起旁路滤波的作用。LC滤波器

具有结构简单、设备投资少、运行费用较低等优点。但这种方法有如下不足f171[1。】:
它的补偿特性易受电网阻抗和运行状态的影响,易和系统发生并联谐振,导致 谐波放大,使LC滤波器过载甚至烧毁。此外,LC滤波器只能补偿固定频率
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的谐波,影响补偿效果。 (2)有源电力滤波器 目前,谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器(APF:Active
Power

Filter)。有源电力滤波器是一种电力电子装置,这种滤波器能对频率和幅值都变 化的谐波进行跟踪补偿,且补偿特性不受电网阻抗的影响,既可以对一个谐波

和无功源单独补偿,也可以对多个谐波和无功源集中补偿,因而受到广泛的重

视【1s】嗍。
抑制谐波的主要途径有主动和被动型谐波抑制方案,高功率因数变流器属

于前种方案,对接入电网的设备本身进行改进,限制其产生谐波的含量或不产
生谐波。无源滤波器和有源电力滤波器属于后种方案,通过外加设备达到谐波 抑制的目的。 本节提出了使用高功率因数交流器、无源滤波器、有源电力滤波器可以有 效地减小或抑制谐波,其中包括多相整流技术、脉宽调制(PWM)整流技术和 功率因数校正(PFC)技术,并通过分析在船舶电力推进系统中的应用案例进一 步证实了这些抑制谐波方法的有效性。

3.2.1高功率因数变流器
正如前文所述,电力电子装置是电力系统中最严重、最突出的谐波源。在 各种电力电子装置中,整流装置所占的比例最大。因此,抑制整流装置所产生

的谐波是谐波治理的重要措施。减少整流装置谐波输出,提高功率因数的方法
概括起来主要有以下几种[201。

1)多相整流技术
对大功率相控整流器,一般是采用增加整流相数的方法,如采用十二相及十

二相以上的多相整流电路。通过适当的控制,多相整流能大大减少输入输出电
流中的谐波。但由于相控整流固有的工作方式以及整流相的增加受到许多限制, 因而采用这种整流器的系统中仍然不可避免地存在较大的谐波电流,必须考虑 采用另外的滤波措施加以解决。 例如我校211 T程—船舶电力推进仿真实验室实现了不同脉冲整流方式的 切换。如图3.1所示,采用了变压器将三相380V/50Hz的交流电变换成两个相

位相差300电角度的690WSOHz的交流电供变频器使用,通过一个开关将本系统

19

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自动分成6脉动和12脉动系统.。变压过来的交流电输送给变频器,通过变频器 控制电机的速度和转矩,推进负载由负载电机提供,将推进电机和负载电机对 轴连接,原动力和负载均采用一台180KW的电机。

闭合图3.1的开关后,图3—2中采用两个6脉波换流桥串联的方式,构成一 个12脉波换流桥,换流桥交流侧变压器分别为△-△和△.Y接法,相位相差304。 在12脉波整流桥中,两个6脉波整流桥分别产生的谐波电压的反相分量将
抵消,只有同相分量在线路中产生谐波电流。因而,直流侧产生的谐波电压主 要是12n次,由于这些特征谐波电压和理想直流电压都是每个6脉波换流器相 应电压的2倍,因此总特征谐波电压与直流电压的比值与单个6脉波换流器相
同。

’r.O

p。g…lt”。

。7品:。鬣?m‘



图3-1

电力推进仿真实验室的系统流程图

图3-2

12脉波整流桥

12脉冲整流方式下的电流比6脉冲的波动要小,通常采用多桥换流器,即

将多个三相整流桥在交流侧并联和在直流侧串联,能降低谐波含量,起到一定 的平波效果,有利于系统的稳定运行,减少对通讯及其它设备的电磁干扰。 如果船东对电网电能的质量要求不仅仅是满足船级社规定的话,就可选用24 脉波,如1998年投入使用的航行于地中海和加勒比海的豪华游}扩OrandPrincess”
就是采用西门子公司提供的24脉波Synchro电力推进系统。该船长290m,载客 量2600人,船员人数1150。该船投入运行后,西门子公司对该船电网在各种工况 下的谐波失真情况进行了实船测量,证实完全满足船级社的有关规定【121。 2)脉宽调制整流技术

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目前,整流装置普遍采用晶闸管相控整流电路或二极管不控整流电路。它们 的主要缺点是输入电流谐波分量较大,功率因数很低。脉宽调制(PWM:Pulse Width Modulation)控制技术是首先在直流斩波电路和逆变电路中发展起来的技 术。随着GTO、IGBT等全控型器件的不断进步,正弦波逆变技术(SPWM:Sine
Pulse

Width Modulation)已经十分成熟,在交流变频调速、不间断电源中获得了

非常广泛的应用。把逆变电路中的SPWM技术用于整流电路,就形成了PWM
整流电路。 对于中等容量(几千伏安到几百千伏安)的交流器,可采用自关断器件构成 PWM整流器。对于电流型PWM整流器,可直接控制整流桥中的电力半导体器

件(如功率三极管、可控硅等),使其输入电流为接近正弦且与电源电压同相的
PWM波形,从而孚导到接近于l的功率因数。对于电压型整流器,需要将整流器

通过电感与电源相连,通过控制电感电流,使整流器的输入电流成为与输入电
压同相位,从而实现功率因数近似为l。因此,这种整流电路也称为单位功率因 数变流器。 因为船舶用电设备的谐波标准日益提高,丽现阶段船用变频器会给船用电网 注入大量的谐波,为此,PWM整流技术的研究,新型单位功率因数变流器的开 发引起广泛的关注。例如双PWM变频器技术在船舶具有良好发展前景。【2I】 双PWM变频器即在变频器的前端采用PWM整流器在后端采用PWM逆变

器。如图3.3所示,整流器和逆变器部分均采用PWM调制技术,功率开关器件 IGBT始终处于开通或关断工作状态,使整流器输入电流接近正弦波,谐波成分非
常小即交流输入侧的电流与电压同相位,从而解决了整流器由于输入电流畸变而

引起的功率因数下降的问题,实现了功率因数近似为1.[221

图3—3双PWM变频调速的主电路拓扑结构

双PWM变频器的初始投资成本较高一直限制其在船上的应用,但是自

21

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2003年开始,随着IGBT的成本降低,双PWM变频器开始快速进入船用领域。
SAM公司首先在大功率(500-4500kW)螺旋桨轴带发电机采用了该项技术,目前已

经装船20余套。被证明双PWM变频器的谐波完全控审4在IEC要求范围内。面 船上无需额外的消除谐波的设备和措施。因其体积小,设备简单,效率高,能 实现能量的双向流动而迅速取代传统的交频机组。双PWM交频器在船舶应用方
面有着广阔的前景。口u 3)功率因数校正(PFC:Power Factor Correction)技术 PFC就是“功率因数校正”的意思,主要用来表征电子产品对电能的利用效

率。功率因数越高,说明电能的利用效率越高。PFC有两种,~种是无源PFC

(也称为被动式PFC),一种是有源PFC(也称为主动式PFC)。网无源PFC使
用被动式组件。PF值大约在0.70~O.80数越大的电源,所需要的被动式PFC体
积越大。无源PFC的最大好处是EMI,而且所需线路简单,生产成本也因此较 低。有源PFC由电感。电容及其它电子元器件组成,即在整流器和负载之问接 入一个DC-DC变换器,应用电流反馈技术,使输入电流波形跟踪交流输入正弦

电压的波形,使电网输入端的电流波形逼近正弦波,并与输入的电网电压同相 位。主要优点是:可得到较高的功率因数,THD小,可在较宽输入电压范围和
宽带下工作,体积、重量小,输出电压也可保持恒定。主要缺点是:电路复杂, MTBF(平均无故障时间)下降,成本较高,效率会有所降低等。有源功率因数 校正器已广泛应用AC-DC开关电源,交流不问断电源(UPS)等领域。[23j 在船舶上电力电子技术的大量应用也带来了谐波问题,电力电子技术发展 促进了电力电子装置的大量使用,而电力电子装置的大量使用又给电网带来谐

波和无功,造成电网。污染”,解决这种污染的主要途径有两种:一是对电网实 施谐波补偿:二是对电力电子设备自身进行改进。从八十年代兴起的有源PFC技 术就是针对第二种途径而提出的,它克服了传统校正电路体积庞大,价格昂贵, 动态补偿特性差的缺点,在传统的整流电路中加入有源开关,通过控制有源开
关的通断来强迫输入电流跟随输入电压而变化,从而获得接近正弦波的输入电 流和接近l的功率因数。1241

近几年来,为了符合国际电工委员会61000.3.2的谐波谁则,功率因数校
正电路正越来越引起入们的注意。我国已经宣布从2002年5月起,所有在政府 机构内使用的电子产品必须具有功率因数校正特性。 有源功率因数校正技术的使用使得电网端的功率因数为I,减小了输入电

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流,降低了配电输电线的损耗,消除了用电装置的谐波分量对电网的污染。因 此,凡是本身的工作会产生非线性,引起电网电压、电流畸交的电力电子装置, 都可以使用有源PFC技术进行校正。 虽然有源PFC技术的使用会增大电路体积,提高成本,但随着电力电子器 件的发展和微电子技术的发展,第四代IGBT的工作频率已达150kHz,完全可 以取代功率MOSFET,而且用于有源功率因数校正的集成控制器己先后出台并

涌入市场,APFC的成本增加不大,而可靠性却大大提高了,因此有源PFC技
术已经得到了越来越广泛的应用。 目前,在船舶上日光灯电子镇流器应用数量特别多,因此对船舶电网将产生 严重污染。为此电子镇流器都必须带有功率因数校正电路,具有高功串因数、 可调光控制、造价较低廉等优点。瞄】

3.2.2无源滤波器
无源电力滤波器(PPF:Passive
Power

Filter)是传统的补偿无功和抑制谐波的

主要手段,是一种用并联滤波器滤除谐波的典型电路结构,通常是根据所要实 现的功能由电力电容器、电抗器和电阻组合而成四】。一个简单的串联LC电路 与谐波源并联,应用其谐振原理,使某一次谐波在这个支路发生谐振,呈现低 阻状态,使该次谐波电流不再流入电网,达到抑制该次谐波的目的。如果要滤 除若干次谐波,就用若干个单调谐LC滤波器并联接到电网。无源电力滤波器还 可以设计成双谐振的,同时滤除两种频率的谐波,还可以设计成高通滤波器, 以滤除某一次以上的谐波。1141 通过使用无源滤波器能有效地减小谐波,一般地,无源滤波器由电容器和电

抗器串联而成,并调谐在某个特定谐波频率。滤波器对其所调谐的谐波来说是一
个低阻抗的“陷阱”。理论上,滤波器在其调谐频率处阻抗为零,因此可吸收掉 要滤除的谐波。例典型的谐波滤波器如图3_4所示,将在第5章详细讨论。

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一至;
图3-4典型谐波滤波器 a)串联调谐 b)双带通 c)l阶、2阶、3阶和C型 统的补偿无功和抑制谐波的主要手段,已经在各个领域被广泛使用。

C叠

无源电力滤波器的优点:因其结构简单,电压和容量可以做得很大,在吸
收谐波的基础上还可以补偿无功,改善功率因数;维护方便;造价低,运行费 用也低;对某一次高次谐波吸收效果明显;设计和制造经验成熟。因此成为传

例如目前广泛采用的Synchro电力推进系统,其中12脉波变流装置的谐波 成分比较固定,消除比较容易。如果在电网侧并联有两组LC无源滤波器,对11次、 13次谐波进行补偿,则对电网产生影响的最低谐波分量就是23次谐波。考虑到 有效值与谐波次数成反比,与基波有效值的比值为谐波次数的倒数的因素,此时 的电网质量可以满足船级社的规定,是被广泛采用的主要因素之一。【12】 无源滤波器虽然存在上述诸多优点,但它也有不足之处。无源滤波器的滤 波原理是在系统中为谐波提供一并联低阻通路,因此由于结构原理上的原因,

在应用中存在着一些难以克服的缺点嘲:
I)只能抑制按设计要求规定的谐波成分,抑制较低次谐波的单调谐滤波器 只对调谐点的滤波效果明显,而对偏离调谐点的谐波无明显效果。而实际工程 设计时考虑到设计投资,不可能依靠增加滤波器的办法解决。

2)滤波特性受系统参数影响较大,滤波效果随系统运行情况而变化,当系 统阻抗和频率波动时,滤波效果变差。特别是对电网阻抗和频率的变化十分敏
感,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,因此一

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个实际的滤波器要达到理想的滤波效果是很难的。 3)当系统阻抗和频率变化对,可能与系统发生串联或者并联谐振,从而会 产生谐波放大现象,使装置无法运行,甚至使整个滤波系统无法正常运行。

4)当系统中谐波电流增大时,无源滤波器可能过载,甚至损坏设备。 5)装置体积大,损耗大。
6)滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调。 基于上述无源滤波器设计和运行中存在的问题,国内外的设计研究人员研 究出若干解决办法,通过采取优化设计,在一定程度上提高了无源滤波器的使 用效果。但无源滤波器由于原理上带来的缺点是无法彻底克服的,因此,有必 要采用其它滤波方式来抑制谐波114】。

3.2.3有源电力滤波器
与无源滤波器相对应的是有源电力滤波器(APF:Active
Power

Filter)。有

源电力滤波器的思想最早出现于1969年B.M.B硼和J.EMarsh的论文中.文中
描述了通过向交流电源注入三次谐波电流以减少电源中的谐波,改善电源电流 波形的新方法。文中所述的方法被认为是有源电力滤波器思想的诞生。1971年, 日本H.Sasaki和T.Maehida完整描述了有源电力滤波器的基本原理.1976年美 国西屋电气公司的L.C-yugyi和E.C.Stryeula提出了采用脉冲宽度调制(PWM:

Pulse锄dm Modulation)控制的有源电力滤波器,确定了主电路的基本拓扑结构
和控制方法,从原理上阐明了有源电力滤波器是一理想的谐波电流发生器,并 讨论了实现方法和相应的控制原理,奠定了有源电力滤波器的基础。然而,在 20世纪70年代由于缺少大功率可关断器件,有源电力滤波器除了少数的实验室 研究外,几乎没有任何进展。进入20世纪80年代以来,新型电力半导体器件

的出现,PWM技术的发展,尤其是1983年日本的H.Akagi等人提出的瞬时无
功理论[27J,为有源滤波器的研究奠定了理论基础;Depenbrock等则将单位功率 因数控制策略应用到有源滤波器中【6】。以这些理论为基础,有源电力滤波器中得

到了成功的应用,极大地促进了有源电力滤波器的发展。网
有源电力滤波器是一种能够弥补无源滤波器不足的一种新型谐波抑制设

备,是~种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置,它能对大小变
化的谐波以及变化的无功进行补偿。它的基本原理是从补偿对象中检测出谐波

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电流,由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流,从 而使电网电流只含基波分量。其应用可克服Lc无源滤波器等传统谐波抑制和 无功补偿方法的缺点,与传统无源滤波器相比,具有突出的优点,概括起来主 要有:

1)实现了动态补偿,可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进
行补偿,对补偿对象的变化有极快的响应。

2)可同时对谐波和无功功率进行补偿,补偿无功功率时不需要储能元件, 补偿谐波时所需要储能元件容量也不大,且补偿无功功率的大小可做到连续调
节。 3)即使补偿电流过大,有源电力滤波器也不会发生过载,并能正常发挥补 偿作用。 4)受电网阻抗的影响不大,不容易和电网阻抗发生谐振。 5)能跟踪电网频率的变化,故补偿性能不受电网频率变化的影响。 6)既可对一个谐波和无功源单独补偿,也可对多个谐波和无功源集中补偿。 基于有源滤波器的上述优点,采用有源电力滤波器是对谐波进行抑制的一 个发展趋势,因而受到广泛的重视,对于保证电力系统运行的安全性、可靠性 和经济性具有重要意义,具有广阔的应用前景。 例如电力推进系统中通常采用交一交变频装置,其输入电流的谐波分量十

分复杂,其频率不仅和输入电源频率、变频电路的结构有关,而且和变频电路的

输出频率有关,其频率通常不是输入频率的整数倍咧。这种谐波特点直接决定了
抑制谐波采用的方法。由于无源滤波器通常只能抑制特定频率的谐波,不能满
足谐波抑制的要求。有源滤波器是一种能够弥补无源滤波器不足的一种新型的 控制装置,它首先检测出不同频率的谐波,然后产生出相位相反的同频率谐波进

行补偿,以达到消除谐波的目的。由此看来,在交一交变频电力推进船舶上采用有
源电力滤波器,可以更好地消除电网的谐波I捌。但是我国的有源滤波技术还处在 研究试验阶段,在容量、成本、稳定性等方面还没有达到实用化的要求[31。

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第4章高功率因数变流器的仿真
随着电力推进技术在船舶行业的广泛应用,各种非线性和时变电子装置(如

逆变器,整流器,各种开关电源等)等电力电子设备也被广泛的使用,其负面 效应也日益明显。特别是大功率变流设备在船舶上的广泛使用,产生大量的谐
波,导致交流公用电网中电压和电流波形的严重失真和功率因数的降低,从而 替代了传统的变压器等铁磁材料的非线形引起的谐波,成为最主要的谐波源。

4.1多相整流器
作为大多数电力电子装置与交流公用电网接口的第一级,即所谓前端变流 器的交直(AC-DC)交流器(整流器)就成为高次谐波的主要来源之一p卿.本 节通过分析6波整流、12脉波整流、24脉波整流时电网的谐波含量,得出多相 整流可以有效减小电网谐波的结论,最后提出了P脉波变流器的一种实现方案。
4.1.1

6、12脉波整流器

最早使用的多相整流的方法,是使用三相变压器电路使交流线电压实现相 移,将两个三相桥式整流电路移相30度相位差并联或者串联起来,达到完全消 除输入电流中的5次、7次、17次、19次谐波的目的,使最低次谐波为11次, 更容易滤除。这种多相整流的方式我们通常称之为传统的12相整流。三相整流 桥输出电压为每个周期有6个纹波,所以三相整流也叫做6脉波整流。

e.pulse

图4一l

6、12脉波整流器的拓扑结构

工程上,两套整流桥通常由一台三绕组变压器供电,三绕组变压器由一个
27

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原边绕组和两个副边绕组构成,两个副边输出各接一台整流桥。如图4.1所示,
两个相同的6脉波整流器通过VY和Y-△联结的变压器并联运行的12脉波整 流器的拓扑结构。确定变压器的电压比使得施加在两个变流器上的电压幅值相 同。 如果Y吖联结的6脉波整流器的相电流为方波,则J。可以表达为
ly=11 sincoot—15 sin5∞ot—17 sin7coot+1ll sinlleoot+113 sinl3mot+…

(4.1)

如果施加在△联结的变流器上的电压滞后30。并假定电流的幅值相同,则
ly=11

sin(COot一300)一15 sin(5coot一150。)一17 sin(70Tot一210。)+

‘l sin(1 lCOot一330。)+113 sin(13coot-3900)+…(4-2)

Gnuplot是一个比较强大的绘图软件包,是由Colin趾tte,s和Thomas
Williams于1986年开发的绘图程序发展而来的,可以在多个平台下使用。Gnuplot 既支持命令行交互模式,也支持脚本。因此,通过Gnuplot很容易画出变压器二 次侧和三次侧的电流,,,和L的波形,如图4^2所示。

图4-2

12脉波整流器的二次侧和三次侧电流

对于Y-△联结的变压器,高压侧正序电压和电流比低压侧超前30。,而高 压侧负序电压和电流比低压侧滞后30。.因此在高压侧,,。的标幺值是相同的。 另一方面,Id的正序和负序谐波分别移相+30。和-30。。所以

I L=,,+L.t:,300

h=3n+l=1,4,7,10,…,22,25,…

I Ir=ly+la么一30。h--3n—l=2,5,8,1l,…,20,23,…(4-3)
将,。和,。的表达式组合起来,可以得到
ly=Ij sinmot一,5 sin5a,ot一17 sin7mot+IiI sinllmo,+113 sinl3coot+…4-

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11 11l

sin(∞ot一30。+309一15 sin(5coot一150。一300)一17 sin(7a'ot一2100+30。)+ sin(11wot一330。一300)+113 sin(13coor一390。+300)4-… sin(toot)+111 sin(1lo)ot)+113

=2k

sin(13tOot)+一切

(“)

通过Cmuplot画出‘、Iy和Ia的波形,Ir的波形绘于图4-3中,ly辛fDId的
波形如图4.2所示。

图4.3

12脉波整流器的一次侧电流

j。的上述表达式揭示了所谓特征谐波的概念,特征谐波次数为11,13,23,
25,35,37,…,即 h=12n±l,iv/=1,2,3,… (4_5)

其中n=l,2,3,…。12脉波整流器正是根据上述特征谐波为12n+1次的结果 而命名的。 6脉波整流器一般产生5,7,17,19,…次谐波,产生的谐波次数为
h=6n±l,以=1,2,3,… (4-6)

一个P脉波整流器将产生的谐波次数为
h=pn±1,胛=1,2,3,…(4-7)

更进一步,形状接近方波的合成相电流的谐波含量有一个理论值㈣

~2争“去

“-8)

由此可以看出,对电网而言,两个整流桥产生的5,7,17,19,…次谐波相互 抵消,只有12k±1次谐波。12脉波整流的输入电流波形质量比6脉动整流时有 很大提高。具体地说,就是注入电网的只有11次、13次、23次、25次、37次、…

谐波。如果在电网侧步并联有两组Lc无源滤波器,对11次、13次谐波进行补

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偿,则对电网产生影响的最低谐波分量就是23次谐波。考虑到有效值与谐波次 数成反比,与基波有效值的比值为谐波次数的倒数的因素,此时的电网质量可 以满足船级社的规定,这也是12脉波被广泛采用的主要因素之一。1121
4.1.2

24脉波整流器

由于工程船舶一般采用双桨推进,为了进一步减小推进负载对电网的谐波
影响,提出采用双12脉波整流方案实现虚拟24脉波整流。【3I】 1)24脉波整流实现原理 Ddoyll型三绕组变压器输出的线电压经12脉波整流后得到的直流波形的纹 波相角为30。.如果两台12脉波整流变压器输出的线电压相角相差15。,再分 别经12脉动整流得到的直流波形的纹波就相互错开,叠加后可以得到24脉波 的直流波形,可以实现24脉波整流。如图44所示,具体是采用两台变压器, 其中一台使用常用的DdOyll型变压器,而将另一台变压器原边移相15。,副边 联结方法与第一台变压器一致,这样第二台变压器输出的各相线电压就与第一 台的输出相角相差15。,进行整流实现相角互相交错的双12脉动整流,也实现 了虚拟24脉动整流。

图4-4

24脉波整流原理图

2)输入电流的谐波分析 假设第二台变压器原边电压超前第一台原边15。,则线电流也比第一台超

前15。,即L超前L 15。,有:

‘。=竽厶[sin(研+静+吉smⅢ研+静咕血?拟+毒+

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去smz,∽+≥+去sm2s似+卺)..…】
对于L有:

(4一。)

o=竽L[s蚴+磊一习1/"+击s删耐+老+静+吉删s耐+鲁一静+
去s呱23耐+鲁+≥+去sin(2s耐+西2/"一静…??】
则电网侧合成电流为: ca一?∞.

L刮。“。’=譬LI时n耐+寺咖2,研+去s.m2s加…?}
图4.5所示。

(}u)

此时电网侧电流仅含有24k_+1次谐波,电网的谐波含量进一步降低了。24 脉动整流的输入电流波形已经基本接近正弦波。通过Gnuplot画出IA的波形,如

图4.5

24脉波整流器的电网侧合成电流

由上面的分析也可以看出,相角相差15。+nX30。(n为整数)时,也能与 相角相差15。时得出同样的结果。 可以得出结论,以m个相位相差z/3ra的变压器分别供电的三相桥式整流电 路可以构成6m脉动的整流电路,其网侧电流仅含有6m±1次谐波,并且各次谐 波有效值与其次数成反比,且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。也就是 说,相数越多,谐波含量越小,相应的基波因数也随着相数的提高而提高,功 率因数相应提高。13l】 由上面的理论分析可以得出结论:多相整流技术是抑制谐波的有效途径。
31

武汉理工大学硕士学位论文 4.1.3

p脉波变流器

通过选择合适的相位移动,由低脉波数变流器构成的高脉波数交流器可以 消除谐波,这叫做相位抵消或相位多重化。【硐由前二节分析表明,5次、7次、 17次、19次、…谐波在两个相位移动为0。和.30。的并联或串联运行的6脉波

变流器中被消除。这说明一个12脉波变流器比相当容量的两个6脉波变流器有 较低的谐波影响。两个相位移动为+7.5。和.7.5。并联或串联运行的12脉波交流
器可以消除11次和13次谐波。相应的结论是使用具有较高脉波的变流器。

较高脉波数的变流器通常由两个或者更多的6脉波变流器经特殊相位移动 的并联变压器组合而成。一般地,一个P脉波变流器可以由P/6个6脉波变流器 构成,这些6脉波变流器是通过一个(P,6+1)绕组的变压器(P/6个双绕组变压
器或者P/12个三绕组变压器)供电的。变压器二次绕组之间的相位移为360。/P。
f2引

表4-1 脉波数
12 24 36 48

P脉波变流器 变压器 相位移动 2.w
2 4 6 8

6脉波交流器
2 4 6 8

X.W 3.W 5.w 7.W 9.W

3.W
1 2 3 4

/(。)
30 15 10 7.5

4.2功率因数校正(PF0)技术的研究和发展状况
整流器的功率因数降低主要是由于电流波形失真造成的,所以功率因数校 正(PFC:Power
Factor

Correction)技术实际上是输入电流波形整形技术。功率

因数校正技术是抑制谐波电流、提高功率因数的行之有效的方法,近年来受到 了越来越多的关注。[321

4.2.1功率因数校正(PF0)问题的提出
从220V交流电网经输入整流滤波后供给直流是电力电子技术及电子仪器中 应用极为广泛的一种基本变流技术。传统AC/DC变换器就是二极管桥式整流加

32

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电解电容滤波电路t如图4-6(a)所示。大容量电容用于减小输出电压纹波,并可

在系统掉电时为负载提供必要的储能嗍。但由于输入整流脉动电压仅在高于电
容电压的瞬间对电容充电,所以输入电流呈尖峰脉冲状,如图4-6(b)所示。



融.瓜。

(a)电路图 (b)输入电压电流波形 图4_6传统Ac/Dc变换器



对这种脉冲状的电流进行傅立叶分解,可得到如下表达式:

‘=‘sinog+13 sin3耐+厶sin5研+…
一个奇谐函数,所以4一12式中只含有奇次谐波。

(4—12)

式中,Il为基波分量;13,Is分别为三次和五次谐波分量。由于输入电流是

由上面分析可知,输入电流中除含有基波外,还含有大量谐波分量。由于 只有基波电流能够产生有功功率,高次谐波使视在功率增加,所以AC/DC变换 器输入端功率因数下降。 为了减小AC/DC变换器输入端谐波电流造成的噪声和对电网产生的谐波 “污染”,以及保证供电质量,提高电网的可靠性;同时也为了提高输入端功率 因数,以达到节能的效果;必须限制AC/DC输入端谐波电流分量。因此,使用 功率因数校正技术把谐波污染控制在相应标准要求的范围内已成为当务之急。 从八十年代以来,电力电子设备的整流装置和开关电源等非线性负载的大

量使用,给功率因数的研究带来了新的课题。

4.2.2功率因数校正(PFc)技术的发展状况
我国从1994年3月开始执行国家标准GBIT 14549-93‘电能质量,公用电 网谐波》,其目的主要是控制电网中电压和电流波形失真在允许范围内,保护用

电设备安全运行,减少电网污染对通信系统造成的干扰。功率因数技术的发展
与应用已经成为限制电网谐波的要求【33】。 为了提高AC-DC开关变换器输入端功率因数,最简单的方法是采用无源校

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正技术,即在整流输出端接LC滤波器。这种方法虽然也能使PF提高到0.9左
右,但它只能对某些指定的谐波进行抑制和基波相移补偿,无论体积、重量、 价格等因素都限制了它在实际中的应用。有源功率因数校正(APFC)技术是在变

流装置的整流电路与输出电容之间增加一个功率变换电路,实际上是一个特殊 控制的DC-DC开关变换器,可利用输入电流和输出电压双环控制环路,使输入 电流波形接近正弦,与输入端同相,从而使输入端功率因数接近于1.0,而且具
有稳定的直流输出电压。最常见的APFC电路是Boost开关变换器,可以用峰值

电流、平均值电流或滞环∞stcrctic)电流等模式进行控制聊】。
有源功率因数校正技术适应了电力电予技术的发展方向,近年来受到广泛 重视。目前,国内外在PFC控制技术、数学模型的建立、检测手段等方面都作
了大量的研究。为占领未来的国际电源市场,许多国家正投入人量的技术力量 深入研究三相功率因数校正技术m】。对于小功率Ooow以下)AC-DC开关电源, 现在国内外正在研究单级高功率因数电路(APFC电路和开关电源只用一级电路 构成),功率因数可达0.9,而成本只增加5%。 国际产业界也开发研制出许多专用APFC控制芯片,UNITRODE、TOKO、 MICROLINER、MOTOROLA等国际知名IC公司生产的APFC控制IC达64种

之多,极大地简化了有源功率因数校正电路的设计,推动了APFC技术的发展
和应用。 今后,随着我国对“绿色”电网的要求日益严格,APFC技术的应用将越来 越受到重视。PFC技术已成为重要的研究课题,此项研究有深远的意义。

4.3提高功率因数的电力变流电路仿真
本节将对作为治理谐波的主要措施即功率因数校正(PFC)进行讨论。和滤 波装置一样,功率因数校正同样也分为无源和有源两种方式。

4.3.1高功率因数无源变流器(PFC)的仿真分析
本节主要考虑一类单相交流电源输入、采用交直交两极交流结构的变频器

的高输入功率因数设计问题。这类变频器的功率前级普遍采用不可控整流桥作
为单相AC-DC变流器,要求直流回路电解电容的电容量要足够大,否则直流电 压纹波过大,对电解电容寿命和变流器输出性能都将带来一定的负面影响。这

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样的结果,使得输入电流波形畸变严重,一般地,总电流谐波畸变率大于1,功

率因数只有O.5左右,各次谐波含量几乎均超标,电源容量的利用率降低,因此 有必要对单相AC—DC变流器环节采取提高功率因数的措施,即功率因数校正技
术。对单相AC.DC变流器而言,功率因数校正技术包括无源PFC和有源PFC 两种,从变流形式上,无源PFC电路也可以称为单相无源AC.DC变流器。【13]】 1)高功率因数的单相无源AC-DC变流器 单相无源PFC电路型式多种多样,下面给出几种典型和效果较好的电路拓 扑结构。其中,桥前桥后采用双电抗器的单相无源PFC电路如图4.7所示,桥

前采用LC串联谐振环节的单相无源PFC电路如图4-8所示,桥前采用LC滤波
器的单相无源PFC电路如图4.9所示,桥前采用LC滤波器、桥后采用电抗器的

单相无源PFC电路如图4-10所示。采用如图4-11^4.14所示,这种方案校正效 果良好,覆盖功率范围大,直流回路电压损失较低。
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图4_7桥前桥后采用双电抗器的 单相无源PFC电路


图4.8桥前采用LC串联谐振环节的 单相无源PFC电路





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图釉桥前采用LC滤波器的
单相无源PFC电路

图4.10桥前采用LC滤波器、桥后采用 电抗器的单相无源PFC电路

35

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图4.11

3次谐振电抗器的谐波电流 注入电路1

图4-12

3次谐振电抗器的谐波电流 注入电路2

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3次与5次谐振电抗器的

图4.14次谐振电抗器的谐波电流 注入电路

谐波电流注入电路 2)高功率因数的三相无源AC-DC变流器

直接利用三相交流电源供电的负载有阻性负载和感性负载,其输入电流波 形系数接近l,功率因数只与输入电流位移因数有关。如三相异步电动机负载,

其功率因数只与负载角度有关。但是对于前级采用三相不可控整流桥的变流器
而言,无论后级带何种负载:由于整流桥的非线性作用,使得输入电流波形严 重畸变,特征次谐波含量严重超标,对于6脉波整流桥而言,表现为5次、11

次、13次、17次、19次等谐波电流超标,总电流畸变率很高,波形系数较低,
功率因数仅为O.65左右,电源容量的利用率降低。随着三相变频器设备的广泛 应用,三相不可控桥使用数量日益增加,谐波电流对电网造成的污染和损耗也 将越来越严重。为此,可以采用有源或无源功率因数校正手段来抑制或消除谐 波电流污染。 三相无源PFC的方案很多,如为了改善输入电流的波形系数,利用移相变

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压器的多脉波整流技术,如12脉波整流器和24脉波整流器,或利用移相电抗 器构成的12脉波整流器技术,3次谐波电流注入的6脉波整流技术。另外j单 相无源PFC的许多技术方案经过适当改动后都可以用作三相无源PFC技术。本
小节主要对由三相移相电抗器构造的12脉波整流技术、3次谐波注入的6脉波

整流技术进行原理简述和仿真研究。
下面首先给出移相电抗器在三相无源PFC中的使用原理。 移相电抗器的作用是用来抑制或消除电力半导体变流装置和非线性负载产

生的谐波电流和电压对供电系统的影响。考虑到三相对称供电系统中的一般为5
次、7次、11次和13次谐波电流含量较大且对系统影响较严重,故移相电抗器 可主要针对综合抑制这几次谐波电流来设计。其工作原理可由图4-15所示的电 路联结图和相量图说明。

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a)移相绕组联结b)基波电流 c)5次谐波电流相量
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图4-15三相移相电抗器的工作原理

图4-16三相移相电抗器的电压相量

如图4-15a所示,将一相输入电流,分成两个支路,7和,”。通过适当选取移

相绕组的匝数和接线方式可使支路电流的基波分^7和‘”相对于输入电流基波
,7分别移相口角和.口角,这样基波相电流与支路电流的相量关系如图4-15b示。 由于口角较小,总的相电流基波成分厶;厶7+‘”*2五7,即采用移相后对基波 电流的影响不大。但是,采用移相接法对谐波电流的影响却较大。以5次谐波 电流为例,两个支路的5次谐波电流L’和厶“相对于相电流基波‘分别移相5角 和.5a角,如图4-15c示。由于厶7和L”接近于大小相等方向相反,使得线路电 流中的5次谐波成分几乎相互抵消,达到抑制谐波电流的目的。如果口=18。, 则可以完全消除5次谐波。通过一次移相消除所有次谐波电流成分是不可能, 为此可以增加多级移相电抗器,分别完全消除5次、7次、11次、13次…谐波

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电流,但是这样带来设计复杂、成本升高。为此可以综合考虑,采用一级移相 来抑制主要次谐波电流。如果主要滤除影响比较大的5次、7次谐波电流,可以 选择口=lr,此时三相移相电抗器的电压相量如图4-16所示。 1)基于三相移相电抗器的12脉波整流器的仿真 基于图4-17,采用MATLAB 7.0的SIMULINK 6.0建立如图4.18所示的仿 真模型。其模型仿真参数设置为:变步长,最大步长为le.6s,相对精度为1e.3, 算法选择ode23t(mod.stiff/trapezoidal)。

图4-17桥前采用移相电抗器的三相无源PFC电路

图4-18采用移相电抗器的三相无源PFC仿真电路

38

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在图4.18中VSI-3为标准三相正弦电压源,相电压有效值为220V。lLLCl ̄3

为三相输入电抗器,取值为lmH,为了便于收敛,串联0.01f2的电阻。RLC4为

桥后平波电抗器,取值为lO沁I。RLC5为电解电容,取值为184CI心。RLC6为
电阻负载,取值为50Q。图4.18中的表格为输入电流0-19次谐波电流幅值,其

中基波电流幅值为9.7A,3次谐波电流的幅值为0.34A,5次谐波电流的幅值为
1125A,7次谐波电流的幅值为O.54A。

图4-19三相耦合电感与12脉波整流桥接线图4-20

12脉波整流桥拓扑结构

Subsysteml为子系统,如图4-19所示,包括三只三相耦合电感M11、M12 和M13,还包括一个12脉波不控整流桥,其中整流桥的拓扑结构如图4-20所示。 2)3次谐波注入的6脉波整流技术的仿真 基于图4-21,建立如图4—22所示的3次谐波注入三相PFC电路的仿真模型。

其模型仿真参数设置为:变步长。最大步长为1e.6s,相对精度为le-3,算法选
择ode23t(rood.stiff/trapezoidal)。

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图4-2l

桥前采用3次谐波注入的三相无源PFC电路

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图4_22

3次谐波注入的三相无源PFC仿真电路

在图睨2中VSl ̄3为标准三相正弦电压源,相电压有效值为220V。RLCI~3
为桥前三相滤波电容,取值为50心,为了便于收敛,串联0.OlQ的电阻。RLC4--6
为桥前三相滤波电感,取值为101.tH。RLC7为桥后电抗器,取值为10Ⅲ-I。RLC7
和RLC9为电解电容,单只取值为184(}¨F。RLCl0和RLCll为等值均压电阻,

取值为50f1。MIl为三相耦合电感,绕组1、2和3的自阻和自感均为0.0001f2 和200mq,互阻和互感分别为O.IK2和150肛H。图4.18中的表格为输入电流的
0--19次谐波电流幅值,其中基波电流幅值为8.15A,3次谐波电流的幅值为 0.04A,5次谐波电流的幅值为1。53A,7次谐波电流的幅值为0.62A。

4.3.2高功率因数有源变流器(APF0)的仿真
虽然无源PFC有很多优点,如①技术成熟,价格犏低:②坚固耐用,安全 可靠;③不用考虑分布电感;④合适的方案和布线可以降低系统产生的电磁干 扰(EMI)强度,并且提高电磁敏感度(EMS)水平等。但是也有许多不足,如 ①需要安装空间大,一般需要板外安装;②需要考虑功率损耗和解决发热问题;
③电压损失过大,随着负载电流的增加,电压损失加重,而且不能升压和调压;

④需要过多铜材,体积大,重量大,参数匹配也比较困难;⑤电流谐波抑制效
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果差,虽然功率因数可以提升到0.94甚至更高,但是电流畸变因数并不一定很 满意,谐波电流含量还是较高。无源PFC的这些缺点正是有源PFC的优点。1131 下面在简述升压型单相有源PFC基本工作原理的基础上,采用连续电流工

作模式对有源PFC进行重点仿真研究。
单相有源PFC即传统的单相升压AC.DC变流器的拓扑结构如图4-23所示。 其工作原理的实质是:借助功率开关管vl有规律的通断,通过整流桥将电源 Vs短路,使得电感Ll不断的储存能量,并且将全部储能释放到直流侧的电解电 容C2,目标是获得与电源电压同步的正弦输入电流波形和稳定的直流输出电压。 其工作原理如图所示,主要包含一个乘法器、一个电压闭环。乘法器负责将电 压误差放大器输出、输入电压参考波形与电源电压有效值二次方的倒数相乘, 得到综合的电流参考信号。电源电压有效值二次方的倒数可以用来调节输入电 压范围,以满足宽范围电压供电的要求,如交流85~275V。电压闭环负责将给

定电压与实际电压进行误差放大,目标是维持输出电压稳定。电流闭环负责将
电流参考信号与实际检测电流信号相比较后进行PI调节,并产生最终控制信号, 与三角载波比较后得到实际PWM信号,驱动功率开关管v1。Rs为检测电流用 低阻值无感电阻,流过R&的电流即升压电感Ll的电流,作为电流闭环PI调节 器的一个输入。电感L1的电流经过输入电容Cl的吸收之后得到纹波电流比较

低的正弦输入电流,且与输入电压同步。例
LI

Vm

王 j





三二<销盘熹f
蝴聪筮



l j

图4-23传统单相有源PFC的拓扑结构图4-24传统单相有源PFC的工作原理

基于图4-23和图4-24,建立传统单相有源PFC技术的仿真模型,如图4-25
所示。其模型仿真参数设置为:变步长,最大步长为le-6s,相对精度为le-3。 算法选择ode23t(mod.stiff/trapezoidal)。

41

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图4.25传统单相有源PFC系统的仿真电路 在图4-25中VSl为标准单相正弦电压源,电压有效值为220V.RLCl为输

入滤波电容,取值为3.3心,为了便于收敛,串联O.OlQ的电阻。RLC2为lmH
的升压电感。RLC3为桥后直流侧并联电阻,取值为51kQ。RLC4为功率级无感

电阻,取值为0.015Q,负责检测电感电流瞬时值。RLC5为电解电容,容值为
141CluF。RLC6为电阻负载,取值为50171。RLC7与RLC8为分压电阻,构成l: 80的比例,提供电压反馈信号,对应空载输出直流电压为400V,RIC7取值为
79

kQ,RLC8取值为l k.O。D5一D8构成单相整流桥,也可以采用通用整流桥。

MOSFETl为功率开关,FRDI为反向快恢复功率二极管。以上组成功率电路。
在控制电路部分中,三角波发生电路由时钟Clockl、采样保持器ZOHl、复 合器Mux2以及通用表达式Fcn3构成,采样时间为0.00002s,得到开关频率为 50kHZ、幅值为2.5的锯齿波。电压滤波器由常数Constantl、加法器Addl、传 递函数Transfer Fcnl、饱和器Satuation2组成,完成对负载电压的检测与给定电 压的比较、滤波和放大,饱和上限为+15v,下限为一15v.输入交流电压波形检测 部分由正弦发生器Sine Wavel、求绝对值器Absl、通用表达式Fen4组成,其中
Sine

Wavel的幅值为0.05V,与电源VSl波形和相位完全一致,Fcn4负责补偿

42

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过零失真。上述两者结果经过乘法器Productl相乘后的乘积为输入参考电流信

号,与电压表VM2检测得到的电感电流信号相比较作为电流PI调节器的输入。
电流PI调节器由传递函数Transfer Fen2、饱和器Satuation2、通用表达式Fen5 组成,Fcn5负责改善输入电流波形,得到的结果通过Mux3复合和通用表达式 Fcn3与锯齿波相比较得到PWM脉冲,驱动Mosfetl开通与关断。Stepl为阶跃

信号,阶跃时刻为O.02s,用于延时启动控制电路。gepeating Sequence为频率

20kHZ、幅值pl的锯齿波发生器,也可以构造相似的三角波发生器代替锯齿波
发生器。

图4—26输入电压与输入电流波形

图4-27锯齿波与最终控制信号波形

图4—28输出直流电压波形 进行仿真分析,系统进入稳态后,图4-2(5所示给出了输入电压与输入电流

43

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波形,其中输入电压幅值缩减了20倍。图4—28所示给出了输出直流电压波形, 其中直流平均电压为400V,纹波电压峰峰值为20V。图4-27反映了锯齿波与最
终控制信号波形。

本章通过对高功率因数无源(PFC)变流器和有源(APFC)变流器的仿真, 并结合了多相整流器和功率因数校,T(PFC)技术,其仿真结果证实了即能提高功
率因数又能有效地抑制谐波。

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第5章无源滤波器的仿真
根据滤波原理,将电力滤波器分为无源电力滤波器和有源电力滤波器两种。 无源滤波器以Lc滤波器为主,通常用来抑制特定频率的谐波。目前在抑制设备 谐波方面,多数还是采用无源滤波的方式。该方式一方面可以抑制谐波,另一

方面也有无功补偿的作用。本章首先介绍无源滤波器的分类和构成,然后讲述
LC滤波器构成和参数的确定,最后探讨滤波器的设计方法。

5.1无源滤波器的构成和分类
传统的滤波器就是无源滤波器(PPF:Passive
Power

Filter),也称为LC滤

波器,是由滤波器电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置。无源滤

波器的应用已经有相当的历史,其设计方法稳定可靠,有大量的实际工程经验
可以参考。田】在交流系统中,无源滤波器不仅可以起到滤波作用,而且还可以 兼顾无功补偿的需求。按照调谐频率,无源滤波器可分为单调谐滤波器、双调 谐滤波器、高通滤波器和C型高通滤波器等,它们的电路结构如图5.1所示。
●_______●。。__

c=圭:

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上”。

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Cb)

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双簟调诳格黼特性的滹被嚣

‘∞—阶跏翟滤波掌‘.’=盼高叠滤澶毒‘f'兰阶高通渣镀曩t‘'c童阻尼漳漉曩
图5.1无源电力滤波器的电路结构

45

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(1)单调谐滤波器 如图2所示,可见单调谐滤波器的电路原理图,滤波器对n次谐波(co。=nO),) 的阻抗为:

乙2 Rj.j(行o”sL-—nf_oL)
式中,下标工表示第次单调谐滤波器。,C(5-1n
由于其利用串联L,C谐振原理构成,谐振次数11为



疗;上(5-2)
疗=———2
ro.4LC

在谐振点处,z庳=R庳,因%很小,n次谐波电流主要由R庸分流,很少流
入电网中。而对于其它次数的谐波,Z一|>>R向,滤波器分流很少,因此从理论 上说只要将滤波器的谐振次数设定为与需要滤除的谐波次数一样,则该次谐波 的大部分将流入滤波器,从而起到滤除该次谐波的目的。D5】 (2)双调谐滤波器

双调谐滤波器有两个谐振频率,同时吸收两个频率的谐波,其作用可以近
似等效于两个并联的单调谐滤波器。双调谐滤波器与两个单调谐滤波器相比, 它在基频下的功率损耗较小,且只有一个电感器承受全部冲击电压。出于占地 面积以及经济性的考虑,双调谐滤波器越来越多地被实际工程采用。 (3)高通滤波器 高通滤波器也称为减幅滤波器,图5-l给出四种形式(如图依次为d,e,£g)的 高通滤波器,即一阶、二阶、三阶和C型四种。 一阶高通滤波器需要的电容太大,基波损耗也太大,因此一般不采用。 二阶高通滤波器的滤波性能最好,但与三阶的相比,其基波损耗较高。

三阶高通滤波器比二阶的多一个电容c2,c2容量与cI相比很小,它提高了
滤波器对基波频率的阻抗,从而大大减少基波损耗,这是三阶高通滤波器的主 要优点。 c型高通滤波器的性能介于二阶的和三阶的之间。C,与L调谐在基波频率 上,故可大大减少基波损耗。其缺点是对基波频率失谐和元件参数漂移比较敏 感。 二阶高通滤波器的阻抗为

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乙=丽1+喷1+志)。
电流大部分流入高通滤波器嘲。
5.2

cs_3)

二阶高通滤波器的吲随频率变化的曲线如图5-2所示,该曲线在某一很宽
的频带范围内呈现为低阻抗,形成对次数较高的的低阻抗通路,使得这些谐波

LC滤波器构成和参数的确定
滤波装置的构成主要是指由几组滤波器组成,是否装设高通滤波器,其截

止频率如何选取,以及采用何种方式满足无功补偿的要求。阴
单调谐滤波器主要用于滤除谐波源中的主要特征谐波。若谐波源为整流装 置,一般只需设置滤除奇次谐波的滤波器。例如,谐波源为六相整流装置时, 可设5次、7次、11次等单调谐滤波器。若还需滤除更高频率的谐波,可设一组 高通滤波器,将截至频率选在12次,滤除13次以上的谐波。对于非特征的3 次谐波,是否装设滤波器,应根据3次谐波电流的大小,以及装设其他滤波器 后是否可能发生三次谐振来决定。 要使滤波装置满足无功补偿要求,可采用两种方法:一是按滤波要求设计 滤波装置,如其无功容量不满足要求,加装并联电容器:二是加大滤波器容量, 使其满足无功补偿要求。相比之下,前一种方法设计滤波器支路不但经济合理, 而且调节补偿电容器的无功功率时,对滤波效果的影响较小。 LC滤波器的电阻、电感和电容均可进行调节。但要考虑到如下因素的影响:

(1)电容器和电感线圈的参数,在运行过程中会因周围温度的变化、自身
发热和电容器绝缘老化等影响而发生变化,在安装和调试过程中也会存在误差, 从而使实际参数和相应的谐振频率偏离设计值。 (2)电网频率会有一定波动,这将导致滤波器失谐。应保证在正常失谐的 情况下谐波装置仍能满足各项技术要求。 (3)电网阻抗变化会对谐波装置尤其是其中的单调谐滤波器的滤波效果有 较大影响,而更为严重的是,电网阻抗与滤波装置有发生并联谐振的可能,必

须通过参数的调节来避开。
为了达到最好的效果,需要根据检测到的电量尽快对LC无源滤波器的参数 进行调节。譬如,根据检测到的电压电流值计算出需要补偿的无功容量。

47

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由于单调谐滤波器只能滤除某一频率的谐波,所以一般不对其进行调节, 如果要进行调节,也主要是增加无功补偿容量。 双调谐滤波器有两个谐振频率,同时吸收两个频率的谐波,其作用可以近

似等效于两个并联的单调谐滤波器。双调谐滤波器与两个单调谐滤波器相比, 它在基频下的功率损耗较小,且只有一个电感器承受全部冲击电压。出于占地 面积以及经济性的考虑,双调谐滤波器越来越多地被实际工程采用。128] 对高通滤波器,通过调节其电容参数可调节无功补偿容量,但对滤除高次
谐波影响不大,所以应该重点对高通滤波器进行无功补偿调节。由于三阶高通 滤波器调节时基波损耗较小,可以考虑选择。

5.3谐波滤波器的设计方法和仿真实例
5.3.1谐波滤波器的设计步骤 单调谐滤波器由电容C、电感L和电阻元件R串联而成,其阻抗z,与频
率n'之问的关系为

z,=R+j(caL一意1
率‘处以=&的电抗器来实现。
对调谐于吒次谐波的单调谐滤波器的设计步骤为:

(5—4)

单调谐滤波器是设计来滤除某一谐波的一个电容器,通过增加一个在调谐频

1)确定电容器容量Qc,单位为Mvar,例如等于谐波源需要的无功功率。
2)电容器的电抗为

五=豢
3)为了滤除%次谐波,电抗器的大小为

仔s,

以2管
4)电抗器的电阻为

@。6)

肚台

(5_7)

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式中:Q一滤波器的品质因数,30<Q<100。
特征电抗为

以=乩=玩=属瓦=抬
滤波器的容量为

6-8)

‰2甄kV2 2疆kV2=毳。篆=鑫吼@9,




对于单调谐滤波器,任何谐波次数下的阻抗为

乙(^)=R+j(hXL一二善)
因此

(5-lo)

陆咧2、/R2+j(hXL-争2
式中以——滤波器的特征电抗,以=j0=Xc.=√三l/q=√.也。%。;

(5.11)

Q一滤波器的品质因数,定义为Q=j己/R。
在理想情况下,如果滤波器的谐振频率国.正好等于某一次谐波频率,则对 于该次谐波而言,谐波器的阻抗为极小值R。由于滤波支路对于该次谐波电流阻 抗很小,所以经其分流,可以减小注入交流系统的谐波电流,从而达到对该次 谐波的抑制作用。瞪I 双调谐滤波器有两个谐振频率,同时吸收两个频率的谐波,其作用可以近 似等效于两个并联的单调谐滤波器。双调谐滤波器与两个单调谐滤波器相比, 它在基频下的功率损耗较小,且只有一个电感器承受全部冲击电压。出于占地 面积以及经济性的考虑,双调谐滤波器越来越多地被实际工程采用‘131。 高通滤波器也称为减幅滤波器,它有四种形式,即一阶、二阶、三阶和C型 四种。其中二阶高通滤波器的滤波性能最好,被广泛使用‘13】。

对调谐于吃次谐波的二阶谐滤波器的设计步骤与单调谐滤波器的前三步骤
一致,不同的是:第四步中电抗器的电阻为 R=X。Q
(5-12)

式中:Q一滤波器的品质因数,0.5<Q<5。

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以=x。=如=、『甄=√吉

(5.13)

对于二阶滤波器,任何谐波次数下的阻抗为

‰=告。毒杀‘等名Qc(5-14) z嗣=丽jRhXL州誓(5-15)
Iz驯=√R2坝吼一争2

=而R(h丽XL)2坝嵩簪一争(5-16)
5.3.2谐波滤波器的参数设定和仿真实例
单调谐滤波器是最简单的谐波器。下面给出了品质因数Q的定义、和无功 功率和有功功率的计算公式。

调谐溅一=鲁=压

仔m
(5-18)

品质哦Q=巫R=竽=去

梳B=吾(5-19)

无功功率(在f1):Q。=瓦V2?而7/2(5-20)
50

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有功功率(在fI): 式中:fl——基频 口——角频率

P兰绞。。而n2

,西1

(5—21)

£l_—调谐频率 h,——谐波数

v--线电压

X厂基频处电容电抗(Z,=1,C国)
双调谐滤波器由一个LC串联电路和RJ.X3并联电路组成。假设fI和龟是两 个调谐频率,串联电路和并联电路调谐频率近似:

XL.一基频处电感电抗(X,=£国)

{。=遗l。凡(5-22)
双调谐滤波器的品质因数等于RL并联电路的品质因数:

D:—上 。工×2矾
振电路,和在基频处有功功率为零。 C型高通滤波器的品质因数Q的计算公式见5-23式。

(5—23)

C型高通滤波器在基频处用LC串联电路替代电感L,因此电抗绕过LC共

下面举出上述四种不同类型谐波滤波器应用于60HZ的电网。首先确定每个

滤波器电容器容量魏为49Mvar,电压315kV 0/=315kV,Qc=49Mvar)。然后根 据式5.5~5.7和5.12计算出R、)“)【c、hlI、Q等参数值。
表5-1滤波器数据 滤波器类型 单调谐滤波器 双调谐滤波器 高通滤波器 C型滤波器
hn
5 11/13 24 3rd


30 16 10 1.75

Qc/Mvar
49 49 49 49

R 14.06 75.26 843.8 1329

XL 84.20

Xc 2025 2025

3.516 225

2025 2025

图5?2 ̄5?5所示四种不同类型谐波滤波器的}zl随频率变化的曲线。

5l

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图5—2单调谐滤波器的阻抗频率特性

图5.3双调谐滤波器的阻抗频率特性

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图5-4高通滤波器的阻抗频率特性

图5-5

C型高通滤波器的阻抗频率特性

无源电力滤波器的结构简单,电压和容量可以做得很大,维护方便,对某 一次高次谐波吸收效果明显,造价低,运行费用也低,设计和制造经验成熟。 因此成为传统的补偿无功和抑制谐波的主要手段,已经在各个领域被广泛使用。

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目前船舶用电设备的谐波标准日益提高,而现阶段船用变频器会给船用电网注 入大量的谐波,例如非线性元件电力电子交流器产生的谐波电流或电压流入电 力系统。 建立如图5-6所示12脉冲交直(AC.DC)变流器SIMULINK6.0的仿真模型。 为了减低电压畸变和功率因数校正,系统除了采用电容器组外,还使用三相谐 波滤波器。三相谐波滤波器是由RLC元件构成的。电阻、电感、电容值由滤波 器类型和参数决定。参数包括标称电压处的无功功率、调谐频率和品质因数等。

三相谐波滤波器是用于减低电力系统中电压畸变和功率因数校正的分流元件。 如图5.7所示采用的三相谐波滤波器是由一个11/13双调谐滤波器、一个C
型高通滤波器和一个二阶高通滤波器并联组成。主要分别针对针对11次、13次、 24次以上和3倍特征谐波。使用一个三相断路器(Breaker)将滤波器并联在换 流变压器的交流侧。利用powergui中的Impedance Frequency Measurement T具, 如图5罐所示可以得到滤波器的阻抗.频率特性,在阻抗为417f2处,滤波器的无 功功率为:

Qc=V2,以=(500e3)2/417≈600Mar

(5—24)

图5-6

12脉冲变流系统的仿真模型

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上T● 0
(a】电容嚣

宰宰宰 奉亭毒
(b)职调谐 《t)高通 C由C型

图5.7谐波滤波器的应用

图5.8滤波器的阻抗.频率特性曲线 如图5-9和图5.10所示,系统采用无源滤波器前后流入Bl母线的电压和 电流波形。可见无源滤波器几乎完全消除了由变流器产生的谐波。

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图5-9未启用无源滤波器前流入Bl母线的电压和电流波形

图5.10启用无源滤波器后流入B1母线的电压和电流波形

利用powergui中的FFT分析工具,如图5-ll和图5-12所示启用无源滤波
器前后流入B1母线电流谐波成分的条状图,分析结果是采用无源滤波器前后注

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入系统电流的THD从12.95%降到O.7%。

图5.11

未启用无源滤波器前Bl母线电流谐波成分的条状图

图5.12启用无源滤波器后Bl母线电流谐波成分的条状图 传统的谐波抑制和无功补偿多采用无源滤波技术,即使用由电力电容器等 无源器件构成无源滤波器,它与需补偿的非线性负载并联,为谐波提供一个低 阻抗通路,同时也提供负载所需要的无功功率。们无源滤波器具有容易设计的优

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点,但它也存在突出缺点:只能抑制固定的几次谐波,并对某次谐波在一定条 件下会产生谐振而使谐波放大;只能补偿固定的无功功率,对变化的无功负载

不能进行精确补偿;其滤波效果依赖于系统阻抗特性,并容易受温度漂移、网
络上谐波污染程度、滤波电容老化及非线性负荷变化的影响。此外,由于无源

滤波器仅可对特定谐波进行有效地衰减,而出于经济和占地面积方面的考虑,
滤波器个数均是有限的,所以对于谐波含量丰富的场合,无源滤波器滤波效果 往往不够理想。Il习

针对传统无源滤波技术的上述缺点,第6章在有源滤波方面进行了研究和
探讨。

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第6章有源电力滤波器的仿真
有源电力滤波器(APF:Active PowerFilter)是一种能够弥补无源滤波器不

足的一种新型谐波抑制设备,是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力 电子装置,它能对大小变化的谐波以及变化的无功进行补偿。它首先检测出不
同频率的谐波,然后产生出相位相反的同频率谐波进行补偿,以达到消除谐波 的目的。采用有源电力滤波器可以弥补无源滤波器存在的缺陷,是对谐波进行 抑制的一个发展趋势。

6.1有源电力滤波器(APF)的研究现状和发展动向
1969年,B.M.Bird和J.EMarsh发表的论文p6】中描述了向交流电网中注入

三次谐波电流来减少电源电流中的谐波成分,从而改善电源电流波形的方法, 但这种方法不能使电源电流成为正弦波。虽然它没有描述一个完整的有源电力 滤波器,但所述方法可视为有源电力滤波器基本思想的萌芽。
1971年,日本H.Sasaki和T.Machida发表的论文p7】首次完整的描述了有源 电力滤波器的基本原理,首先提出有源电力滤波器的原始模型.但当时采用线 性放大的方法来产生待补偿的谐波电流,因其损耗大、成本较高、效率低,在 实际电力系统中并无实用价值,仅在实验室研究,未能在工业中应用。 1976年美国西屋电气公司的L.Gyugyi提出利用大功率晶体管组成的PWM

逆变器构成的有源滤波器消除电网谐波网,确立了当今有源滤波器的基本拓扑
结构。然而由于当时电力电子技术发展水平和大功率快速可关断器件的限制,

只能在实验室研究,还是未能在实际中应用。
进入80年代以后,随着电力电子技术的飞速发展,大功率可关断器件(GTR, GTO,IGBT等)生产技术的不断进步,以及对非正弦条件下无功功率补偿理论的 深入研究,特别是瞬时无功理论的提出,为有源电力滤波器的实用化提供了必 要的条件,使有源滤波器快速发展起来.

1983年,日本长岗科技大学的赤木泰文(I-I.Akagi)等人提出了“三相电路的 瞬时无功功率理论[271”,即p-q理论。该理论突破了传统的以平均值为基础的功
率定义,系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功能量,为解决三

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相系统畸变电流的瞬时检测提供了理论基础,对有源电力滤波器的快速发展起 到极大的推动作用。随后又研制出7KVA的有源电力滤波器试验装置,用于补 偿20KVA的三相整流器在交流侧所产生的高次谐波和无功电流,获得了较好的 补偿效果,其实验结果证明了有源电力滤波器的可行性和实用性。此后,在日 本出现了许多大容量、能实现各种功能的有源电力滤波器工业应用装置. 1986年,日本Komatrsugi&Imura等人研制出一套用于三相整流器补偿的 15kVA两重型APF,可以补偿19次以下的高次谐波,补偿率达90%以上。 1987年,日本东洋电机制造株式会社研制成使用静电感应晶闸管(SITH)的 100kVA有源滤波器。 1990年,EZ.Peng等人提出了串联APF加并联PF的混合有源滤波器结构1391。 1991年,H.Fujita等人提出了APF与PF串联后再与系统并联的混合有源滤 波器结构p”。 1992、1995年,L.Oyugyi等人先后提出了串联有源滤波器(SAPF)和并联

有源滤波器(PAPF)混合的有源滤波器结构㈣【4”,并命名为“统一电能质量调
节器(UPQC)”,这种APF具有谐波隔离、电压调整、电压波动/不平衡补偿以

及谐波电流和负序电流补偿等多种功能。
1996年,EZ.Peng、杨君、李庚银等人分别对p-q理论142]进行了改进。

1998年,H.Fllii诅等人对“统一电能质量调节器(UPQC)”进一步讨论和
研究;

1999年,ET.Cheng等人提出将两台方波逆变型APF分别串接在交流系统中
原有的PF端部的混合有源滤波器结构。 2001年。丸M.Gole等人提出APF与PF串联后再并入交流系统的滤波结构。

这种结构只滤除交流系统中主要的ll、13次谐波分量,同时也提供一部分无功
功率。 目前,世界上APF的主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电气公 司、德国西门子公司等。

有源电力滤波器作为改善电能质量的一项关键技术,在日本、美国、德国
等发达国家已经得到高度重视和日益广泛的应用。特别是在日本,早在从1983 年到1995年就共有455套有源电力滤波器投入实际使用,其功率已达到60MVA。 目前有源电力滤波器在日本已经得至Ⅱ普及应用。[131 然而,有源电力滤波器技术目前还不够十分完善,在实际应用中还有许多

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问题需进一步研究解决,如提高装置容量、解决控制系统延时、降低设备损耗、
提高辛}偿效果及性能、提高性价比等。 利用有源电力滤波器进行谐波和无功补偿是今后的一个发展趋势,是改善

电能质量的一项关键技术。在一些发达国家有源电力滤波器已经到了普及应用 阶段,但我国在这方面的研究起步较晚,直到20世纪90年代才开始。当前除 少数几台APF已投入试运行外,其它大部分还处于实验研究阶段,这与我国目
前谐波污染日益严重的状况不相适应。应加快引进国外的先进理论技术,提高 电力电子器件的工艺制造水平,发展适合我国电力系统标准和实际应用情况的 电力电子控制技术,研制开发出高性能、低损耗、低价格及大容量的有源电力 滤波器。

6.2有源电力滤波器的原理及分类
6.2.1有源电力滤波器的基本原理
为说明电力有源滤波器的基本原理,以本节所研究的并联型电力有源滤波 器系统为例。如图6-1所示。图中,。为电源电流;,,:为负载电流;‘为补偿
电流;I*c为指令电流;,。为补偿电流与负载电流之和,即,:,=I.+J,在本文

所用的实验装置中采用一个三相全控桥整流器作为负载。并联型电力有源滤波
器由两大部分组成,即指令电流运算电路和补偿电流发生电路(由电流跟踪控制 电路、驱动电路和主电路三个部分构成)。其中补偿电流发生器的主电路采用了

电压型PWM变流器。电阻、电感、电容组成高通滤波器与有源滤波器并联其作 用是滤除补偿电流中开关频率附近的谐波成分mJ。

图6-1并联型有源滤波器系统

6l

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并联型电力有源滤波器的基本原理是:通过检测补偿对象的电流,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的放大, 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电流抵消,最终得 到期望的电源电流。 从上述原理可以看出,有源电力滤波器对包含谐波和无功分量的电网进行 “矫正”的方式类似于自适应滤波技术中的。干扰抵消器”。因此,有源电力滤 波器有很快的响应速度,对变化的任意次谐波和无功功率都能实施动态补偿, 并且其补偿特性受电网阻抗参数影响较小。

6.2.2有源电力滤波器的分类
从不同的观点出发,有源电力滤波器具有不同的分类标准。 1)根据应用场合不同,APF可以分为有源直流滤波器和有源交流滤波器两 大类。有源直流滤波器主要用来消除高压直流(HVDC)系统中换流器直流侧的 电流和电压谐波,有源交流滤波器则主要应用于交流电力系统。目前,有源电 力滤波器的研究主要集中在交流有源电力滤波器,直流有源电力滤波器的研究 也在逐步开展,典型的研究之一是在直流输电系统中的应用。【16】 2)根据逆变器直流侧储能元件的不同,APF可以分为电流型和电压型两种。 与电流型APF相比,电压型APF具有效率高,初期投资少,经济,可任意并联 扩容,易于单机小型化,适用于电网级谐波补偿等特点,因此目前实际应用装 置90%以上是电压型。但随着今后超导储能技术的持续发展,也可能会有更多 的电流型APF投入使用。 3)根据补偿系统的相数来分类,APF可分为单相和三相两种,三相系统分

为三相三线和三相四线制。刚
4)根据APF与电网的连接方式不同,APF又可分为并联型、串联型、串~
并联型和混合型。【20】这三大类的具体划分如图6-2所示。每一种类型的有源电力 滤波器结构不同,因而工作原理、特性也各不相同。

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图6-2有源电力滤波器的分类 图6-1所示,并联型APF主要适用于电流源型非线性负载的谐波电流抵消, 无功及三相系统中的不平衡电流补偿等。并联型APF在技术上已经成熟,是当 前应用最广泛的APF拓扑结构。 图6.3所示为串联型APF的基本结构,它通过一个匹配变压器,将APF串 联在电源与负载之间,以消除电压谐波,平衡或调整负载端电压。与并联型APF 比较,串联型APF损耗大,各种保护电路较复杂。因此,很少单独使用串联型

APF,大多数将它作为混合型APF的一部分加以研究和使用。

图6—3串联型APF 图6-4所示为串~并联APF的基本结构。它融合了并联型APF和串联型APF 的优点,能解决电网中发生的大多数电能质量问题,所以又被称为万能APF或 统一电能质量调节器(uP—QC)。这类APF当前尚处在实验阶段,它的主要问题

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是控制复杂、造价较高。



吨驯



图6-4串~并联APF 图6-5所示为混合型APF的基本结构。它是在串联型APF的基础上使用一 些大容量的LC滤波网络来承担消除低次谐波、进行无功补偿,而串联APF承 担消除高次谐波和阻尼无源LC网络与线路阻抗产生谐波谐振的任务。这样不仅 使串联型APF的电流、电压额定值大大减小(功率容量可减少到负载的5%以 下),而且降低了成本,减小了体积。从经济角度看,这种结构形式是一种值得 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APF 可能被下面一种性能更高的APF代替。它是有源滤波器和无源滤波器的组合结 构。这种滤波器结构目前非常普遍,因为它并联豹LC无源滤波器部分消除了大 量的低次谐波,因而有源滤波器部分的容量可以傲到很小(负荷容量的5%左右), 这样大大减少了有源滤波器的体积和成本。它可以同时消除电压和电流谐波, 而且成本相对来说较低,因而非常受欢迎【43】.

图6—5混合型APF

并联型AFC可以单独使用或与LC滤波器混合使用,具有如下特点;①只 需要电力系统提供一个接入点;②不会改变系统的原有结构;③等效为向电网 注入谐波或无功电流源,不增加电力系统的复杂程度;④接入点的短路容量相
对较弱,适合于补偿电流,对电压补偿能力相对较弱等.有源电力滤波器等并 联补偿装置能够提高电网的安全稳定性、供电可靠性和运行效率和电能质量。 当有源电力滤波器所补偿非线性负载的谐波或无功电流为零时,本身就是一个

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可控整流器【15j,因此,下文将简述电压型并联有源电力滤波器基本工作原理, 对三相三线制的APF进行重点仿真分析。

6.3并联型有源电力滤波器的仿真
并联型有源电力滤波器系统是一个复杂的非线性、强耦合控制系统,对它 进行理论分析是比较困难的。而且新的控制算法应用于这样一个实际系统往往

需要花费大量的时间和精力。仿真工作可以验证控制系统结构的正确性,加深 对其控制规律的认识和理解。【l习系统一些重要控制参数的仿真结果对实验装置
参数的选择具有一定的参考作用,一些重要环节的参数需要用仿真来求取。本 节基于UPF算法对并联型有源电力滤波器进行理论简述和仿真分析。

6.3.1单位功率因数的控制策略(IJPF)的基本原理
有源电力滤波器技术发展技术迅速,具有多种控制策略,如基于瞬时功率

理论的控制策略(口盯),同步功率传输的控制策略(SPF),单位功率因数的控
制策略(UPF),功率因数任意可控的控制策略(PFRC)嘲。 H.Akagi等人提出的瞬时无功理论控制策略(IPT),为有源滤波器的研究 奠定了理论基础;Depenbrock等则将单位功率因数控制策略(UPF)应用到有源 滤波器中。1261UpF算法的目标是在APF接入点处获得单位功率因数,既要补偿 非线性负载的谐波电流,又要补偿其无功电流,获得整体上的单位输入功率因 数,其容量比单纯补偿谐波电流时要大.本节针对三相系统分析了单位功率因 数控制策略的基本思想及其相应的控制方法,实验结果表明:按此策略设计的 实验系统可以抑制整流器产生的谐波,消除了整流器负载对电网的谐波污染[al。 单位功率因数控制策略的目的是使非线性负载和并联的滤波器等效为一电 阻性负载,从而使电网的负载电流为与电网电压同相的正弦波,功率电网数为l (单位功率因数)。本文提出了按此策略设计的系统结构如图6-6所示.图中 Kj(电网电压)为理想正弦电压而且三相平衡,可表示为

圪(,)=42V.sin[o#-专7r(i-I)]

i=l,2,3

(6—1)

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图6-6有源电力滤波器实验原理图

式中:圪为电网电压有效值。
负载电流也可表示为

屯=∑L sin{m研一(f—1)匆】+B
nffil J

式中:厶代表基波和各次谐波电流的有效值; 如代表基波和各次谐波电流的初相角。 补偿电流屯可表示为 ‘=-,/2Iz

cos只sin[耐一(i-1)妄加一iu(t)

i=l,2,3

(6-3)

式中,Il负载电流iLi的基波分量的有效值。



o豢2%一‰(6-4)

电压‰聊,㈨是通过对玩以进行调制得到。当正常工作时,岛应成为与
K。同相的正弦波,可表示为



将式(6_3)代入式(6—4)中就可求出保证单位功率因数所需要的逆交器输出

‘(f)=42L 式中:五为网侧电流有效值。

sin[oTt一;石(f一1)】 j

i=1,2,3

(6—5)

电网的负载电流是与电网电压同相的正弦波,功率因数为l(单位功率因 数),式(6—5)中厶可从整个系统的有功功率流动中获得。检测APF直流侧电容

电压,滤除纹波,得到电容平均电压,将电压设定值减去电容电压,差值送入
PI控制器,PI控制器的输出就是网侧电流的幅值。该幅值与相电压同相的三相

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单位正弦信号相乘后,便可得到理想的参考电流信号,然后与整流侧电流相减

便可得到所需的调制信号,系统控制结构如图6-7所示。

图6-7基于UPF控制策略的系统框图

6.3.2并联型有源电力滤波器的工作原理
三相有源电力滤波器的工作原理如图6_8所示,单相有源电力滤波器的工

作原理如图6-9所示。粥

图6-8三相有源电力滤波器的工作原理

图6-9单相有源电力滤波器的工作原理

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在图6—8中,U。为三相有源电力滤波器直流回路电压测量值,U‘Dc为直 流回路电压给定值,两者之差经过具有低通滤波功能的误差放大器后得到电压

控制量。该电压控制量经过与各输入相电压的参考信号玑、“与玑相乘后,
得到各相的输入电流给定信号i‘。、f’曲和f’。,该给定信号与各相实际电流信号
乙、如和k相比较后经过各自PI调节器,得到最终的体现有输出电压调节和输

入电流调节的综合控制信号,经过电压比较器后得到6路P哪信号,经过隔离
和放大后驱动对应功率器件工作。

在图6—9所示的单相有源电力滤波器的工作原理与图6-8相似,区别是① 电流PI调节器的结果加入了输入电压补偿量;②为了构造4路P聊脉冲,增加
了最终控制信号求反环节。显然,当有源电力滤波器可以作为可控整流器使用, 而其基本算法可以不变。类似单相有源PFC,有源电力滤波器输出直流电压一般 要大于输入交流相电压幅值的2~3倍,否则控制效果和经济性较差,其输入电 感L同时起到储能和滤波作用。

6.3.3基于UPF并联型有源电力滤波器的仿真
从输入相数上来看,有源电力滤波器分为单相并联型有源电力滤波器和三 相并联型有源电力滤波器,其功率电路拓扑结构分别如图6-10和6-11所示. 非线性负载一般是指输入电压与输入电流波形不一致的一类负载,如输入级为 单相或三相整流器的变换器系统。这类负载向电网注入有功电流、无功电流和/ 或谐波电流,有源电力滤波器的作用就是向电网产生相位相反的无功电流和/或 谐波电流,抵消非线性负载产生的无功电流和谐波电流,消除谐波电流污染,

提高接入点附近的功率因数嘲。

图6—10单相并联型有源滤波器拓扑结构图6-11三相并联型有源滤波器拓扑结构

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1)单相并联型有源电力滤波器(APF)的仿真 基于图6-9和图6—10,建立单相并联型有源电力滤波器的仿真模型,如图

6-12所示。其模型仿真参数设置为:变步长,最大步长为1e-6s,相对精度为le.3,
算法选择ode23tb
stiff/TR-BDF2。

图6.12单相有源电力滤波器的仿真电路 整个电路由单相APF和单相非线性负载组成,其中二极管D5-D8、电感 RLC6(10mH)、电容RLC7(1410pF)和电阻RLC8(100Q)构成了单相非线 性负载。而检测电流用电阻RLCl(O.02f1)、滤波电感I也C2和Ⅺ℃3(5mH)、 二极管D1 ̄D4、功率开关S1~s4、电解电容RLC4(1410pF)和假负载电阻RLC5

(10kQ)构成了单相APF。VSl为标准单相正弦电压源,电压有效值为220V.
上面部分为功率电路. 在控制电路部分中,Sine Wavel为参考输入电压,与单相电源完全一致, 幅值为2V。Stepl为阶跃信号,阶跃时刻为0.02s,用于延时启动控制电路。
Repeating

Sequence为频率20kHZ、幅值肚l的锯齿波发生器,也可以构造相似

的三角波发生器代替锯齿波发生器。

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运行图6-12仿真模型后对仿真结果进行分析:系统进入稳态后,图6一13所 示给出了补偿后电源输入电压与输入电流波形,其中输入电流幅值缩减了20倍。 图6-15所示给出了单相APF的输出直流电压波形,直流平均电压为525V,纹波 电压峰峰值为4V。图6-16所示给出了非线性负载输入电压和输入电流波形。图 6-14所示给出了单相APF的输入电压和输入电流波形。

图6-13补偿后输入电压与电流波形

图6一14单相APF输入电压与电流波形

图6-15单相APF输出直流电压波形图6-16非线性负载输入电压与电流波形
2)单位功率因数的三相并联型有源电力滤波器(APF)的仿真

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基于图6—8和图6—1l,建立三相有源电力滤波器的仿真模型,如图6-17所 示。其模型仿真参数设置为;变步长,最大步长为1e.6s,相对精度为le-3,算 法选择ode23tb

sti妇mt.BDF2。

图6-17三相有源电力滤波器的仿真电路

整个电路由三相APF和三相非线性负载组成,其中二极管D7-D12、电感

RLC9(10mH)、电容RLCl0(20妒)和电阻RLCIl(100f])构成了三相非线 性负载。而检测电流用电阻RLCl-3(O.02f1)、滤波电感RI.C4巧(10 mI-I)、二 极管D1~D6、功率开关S1—S6、电解电容RLC74(25013l心)和假负载电阻RLC8
(10kQ)构成了三相APF.Vsl ̄3为标准三相正弦电压源,相电压有效值为
220Vrms。上面部分组成了三相并联型有源电力滤波器的功率电路.其控制电路 和单相有源电力滤波器的类似。

7l

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图6—18补偿后输入电压与输入电流波形图6-19三相APF输入电压与输入电流波形

图6—20三相APF输出直流电压波形

图6—21非线性负载输入电压与输入电流波形

运行图6-17仿真模型后对仿真结果进行分析:系统进入稳态后,图6-18所示

给出了补偿后电源输入电压与输入电流波形,其中输入电流幅值缩减了20倍.
图6-20所示给出了三相APF的输出直流电压波形,直流平均电压为763V,纹 波电压峰峰值为5V。图6-21所示给出了非线性负载输入电压和输入电流波形。

图6-19所示给出了三相APF的输入电压和输入电流波形。
通过建立了单相和三相并联型有源电力滤波器(APF)的仿真模型,其仿真 结果符合预期的滤波效果。基于有源滤波器的上述优点,采用有源电力滤波器 是对谐波进行抑制的一个发展趋势,因而受到广泛的重视,对于保证电力系统 运行的安全性、可靠性和经济性具有重要意义,具有广阔的应用前景.它已经 在一些国家进入了实用阶段,但是我国的有源滤波技术还处在研究试验阶段,

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在容量、成本、稳定性等方面还没有达到实用化的要求。翻

由于现有电力电子技术与微电子技术的局限性,传统结构的有源电力滤波 器存在以下几个缺点【5】:
1)检测电路结构复杂.由于要从母线电流中分离出谐波,母线电流中的谐波 含量大,滤波时容易引起基波相移,使用锁相环电路,使电路复杂,响应变慢; 2)由于主电路直接并在电网上,加上主电路的内阻较小,在电网电压出现突 变、有源滤波器启动或退出等情况时很容易使功率晶体管产生过载甚至损坏,因

此还要有高灵敏度的电网电压检测电路,控制电路即要考虑母线电流又要考虑电

压,使控制电路结构复杂威本升高;
3)由于控制和检测电路复杂,使处理谐波信号的速度变慢,导致响应迟缓。

目前大部分有源电力滤波器产品的谐波滤波最高次数仅为13~15次,且对电焊 机、电弧炉等快速变化的谐波几乎无能为力。 上述现有技术中存在的缺陷,对被动式谐波抑制技术的应用研究提出了新的
期望与挑战[45J,同时一些谐波滤波的新技术被提出,例如一种应用新型滤波用

固体同步电压源进行电网谐波滤波的新技术。它比现有技术的有源电力滤波器
有更低的成本和更简单的结构,比现有技术产生正弦波的滤波用固体同步电压 源有更好的滤波效果和更强的电网阻抗适应性。啊随着国内外关于谐波滤波研究

的深入,新的谐波滤波技术方案将被不断提出。

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第7章结论与展望
7.1全文结论
本论文的主要目的是完成电力推进船舶电网谐波抑制的仿真研究。由于在

我国对有关电力推进船舶电力网的谐波问题的研究还处于起步阶段,而将滤波 和功率因数校正结合起来进行谐波抑制的方案尚未见有公开发表,因此在研究
过程中克服了很多困难。

从应用角度出发,本文通过对船舶电网谐波问题以及已有的谐波抑制方法
及相关技术的分析和总结,确定了对其进行滤波和功率因数校正的方案,主要 从高功率因数变流器、无源滤波器、有源电力滤波器三方面进行谐波抑制的仿

真研究,包括多相整流技术、脉宽调制(PwM)整流技术和功率因数校正(PFc)
技术,然后分别设计PFC、APFC、PPF、单相和三相并联型APF的电路,最后在 MATLAB7.0软件包中SIMULINK仿真平台上,分别建立各部分的仿真模型并进 行具体研究,取得了一定的研究成果。现总结如下: (1)通过查阅、收集国内外关于船舶电网谐波抑制技术的最新资料,概括 了船舶电网谐波源的特点以及谐波对船舶电网产生的影响和危害。 (2)根据对船舶电网谐波问题以及已有的谐波抑制方法的分析和总结,确

定了对其进行滤波和功率因数校正的方案,主要从高功率因数变流器、无源滤
波器、有源电力滤波器三方面进行谐波抑制的仿真研究。其中包括多相整流技 术、脉宽调制(PWM)整流技术和功率因数校正(PFC)技术。

(3)搭建了高功率因数无源(PFC)变流器和有源(APFc)交流器的仿真 模型,并结合了多相整流器和功率因数校正(PFC)技术,其仿真结果证实了即能 提高功率因数又能有效地抑制谐波。
(4)给出了无源滤波器(PPF)的设计方法和参数选择,并建立了三相谐 波滤波器的仿真模型。仿真结果表明使用无源滤波器可以抑制固定的几次谐波、 减低电压畸变和功率因数校正.但是滤波效果依赖于系统阻抗特性,并容易受

非线性负荷变化的影响。所以对于谐波含量丰富的场合,无源滤波器滤波效果
往往不够理想。 (5)建立了基于UPF算法的综合补偿谐波和无功电流的并联型有源电力滤

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波器(APF)的仿真模型,包括单相并联型APF和三相并联型APF的仿真分析, 其仿真结果符合预期的滤波效果。采用有源电力滤波器是对谐波进行抑制的一

个发展趋势,但是我国的有源滤波技术还处在研究试验阶段,在容量、成本、
稳定性等方面还没有达到实用化的要求嘲。

7.2后续工作展望
通过以上的讨论,本文对电力推进船舶电网的分析研究,以及船舶电力推 进仿真实验室的谐波抑制等提供依据和方法。而且仿真实验也验证了本文所讨 论的各种方法的正确性和可行性。

但是本文只对已有的谐波抑制方法及相关技术进行仿真研究,应该在以下
方面有更深一步的研究: (1)对新型谐波抑制方法及相关技术进行相应的研究和分析【451。

(2)关于谐波的测量问题和限制谐波标准做进一步的研究MM。
(3)在某些暂态现象中会出现一些非整数的分数次谐波,问谐波、次谐波 和分数谐波等【4司。这些概念与谐波含义完全不同,不在本文所讨论范围之内, 有待进一步的研究。

(4)加大实验室的建设,增加谐波监测仪,扩展系统完善功能,完成对实
验室系统谐波的测量、电网能量的分配,电站系统化的管理等,争取建立一个 更完善的船舶电力推进系统【49】。

(5)虽然仿真实验结果符合国内外相关谐波控制的标准,但是实践中较难
达到。目前,船舶正朝着大型、节能、高效和环保的方向发展,而我国也正在 从造船大国向造船强国的发展过程中【50】,因此对提高实际船舶电网谐波抑制和 功率因数校正效果的探索具有现实意义。

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致谢
在硕士论文研究工作和本文即将结束之际,我想把深深的谢意给予这三年 来曾经给予我指导与帮助的老师、同学和朋友们l

首先要对我的导师陈辉教授表示最真诚的感谢!为了本论文研究工作的顺 利开展,陈辉老师倾注了大量的心血,从本文的开题、进行、完成直至定稿,
这其间无不凝结着老师们辛勤的汗水。老师深厚的学术造诣、严谨的治学作风、

谆谆教诲而又平易近人的师长风范、谦逊的处事态度,我将终身受用。在此,
谨向导师表示最崇高的敬意和最衷心的感谢! 在课题的研究过程中,还得到了能源与动力工程学院系统仿真与控制中心 高海波讲师、罗成汉博士、余培文博士的大力帮助与支持,同时还得到孙俊副

教授、商蕾副教授、唐洪高工、尚前明讲师、林治国助教的帮助,在此向他们
一并表示诚挚的谢意! 感谢同窗陈婧、陈蕾、郭凯、崔耀兴、贾建平、沈枫、张小军及师弟张勇 军、钱正林、熊巍等,他们给予作者恰到好处的帮助,与他们共同学习和生活 的日子将难以忘怀! 同时,感谢能源与动力工程学院研究生办公室主任马星老师和其它各位老 师给予的关心和支持! 最后,对各位专家和学者的评议谨表示诚挚的谢意!

作者

2007年4月于武汉理工

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2005.

[硕士学位论文].武汉:海军工程大学,

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Assessment of Electrical Power International Conference

【硕士学位论文】.成都:

f50】Xiaoyan Xu,J.Mindykowski,Mill He.Measurement and Qnality
in Marine Electric

Propulsion

System.in

Proc.严IEEE

en

ElectronicMeasurement&Instruments,Beijin舀China,V01.2,Au吕2005.658-663.

武汉理工大学硕士学位论文

攻读硕士期间发表的论文
[1]宋艳琼,陈辉,高海波.船舶电力推进监控系统的设计与实现.船海工程,
2007(2):79~80

电力推进船舶电网谐波抑制仿真研究
作者: 学位授予单位: 宋艳琼 武汉理工大学

相似文献(10条) 1.期刊论文 时建锋.罗隆福.SHI Jian-feng.LUO Long-fu 基于感应滤波的电力推进船舶电网谐波抑制 -中国航海 2008,31(4)
为研究谐波抑制方法在电力推进船舶电网中的应用,提出了一种基于感应滤波方式,同时具有自耦补偿和谐波抑制作用的新型推进变压器结构.该变压 器二次侧采用延边三角形接线,它将传统滤波和无功补偿装置移至绕组内部且公共绕组的等效短路漏电感为零设计,使船舶大功率变流设备在电能变换过 程中产生的谐波源无法进入交流网侧,有效地抑制了谐波对船舶电网的污染.对比船舶电网传统滤波方法,对新型推进变压器的结构设计,滤波原理进行了 介绍,并分别对基于新型和传统推进变压器的6相交直交推进方式船舶电力系统进行了SIMU-LINK仿真,仿真结果的电流波形和电流频谱验证了方案的正确 性和可行性.

2.期刊论文 宋艳琼.SONG Yan-qiong 电力推进船舶电网谐波抑制方案的探讨 -广州航海高等专科学校学报 2009,17(2)
电力推进船舶电网的谐波问题日益突出和严重,简述了抑制谐波的思路和主要途径,探讨了船舶电网谐波抑制方案及相关技术,主要从高功率因数变流 器、无源滤波器、有源电力滤波器3个方面进行讨论,其中包括多相整流技术、脉宽调制(PwM)整流技术和功率因数校正(PFc)技术,并给出了它们在船舶电 力推进系统中的应用案例.

3.学位论文 李先林 电力推进船舶电网谐波分析 2004
该文对电力推进船舶电网的谐波问题进行了深入的研究.首先对船舶电气进行了分类和归纳,研究了谐波对船舶电气产生的影响和危害;对于不同的电 路拓扑结构,尤其以用电设备交流侧电路结构的不同,深入分析了各自谐波产生的原因、谐波的特点.在前人的成就上,考虑到大多数电力电子设备,在交流 侧通常为三相桥式整流电路,而在船舶电力系统中,电阻-电感性负载居多,这种情况具有很大的普遍性.因此,该文在上述文献的基础上,对接入电压波形畸 变的电网中的三相桥式整流电路进行了分析,采用了一种实用的新方法来计算三相桥式整流器所产生的谐波电流.该方法考虑了交流侧电抗及电网中存在 的谐波电压,导出了交直流两侧谐波电流的计算公式.使其具有较高的准确性和实用性,且与船舶电网的实际情况更相吻合.在谐波的测量方面,比较、分析 了目前常用的各种方法,结合船舶电网的实际特征,采用了一种新瞬时谐波的检测方法,该方法具有与瞬时无功功率法同样的实时性,同时解决了计算量大 的问题,也克服了检测精度和检测实时性的矛盾.实现了谐波检测的软、硬件相结合.

4.会议论文 许晓彦.李杰仁 电力推进船舶电网电能质量参数测量的探索
本文探讨了船舶电网电能质量参数的测量问题,重点是涉及船舶电力推进电网的测量。测量过程中采用了新近发展起来的两阶段数据处理方案和在结 构上适用于船舶电力推进系统的电能质量分析器。研究结果表明,所采用的测量方法对电力推进船舶电网的测量是有效的。

5.学位论文 时建锋 新型变压器在船舶电力推进系统中的应用 2009
随着电力电子器件及交流电动机调速技术的进步,船舶电力推进迎来了一个蓬勃发展的新时期。电力电子技术在船舶上的大量应用也带来了谐波问 题,且日益突出和严重。本文在对电力推进船舶电网谐波问题以及已有的谐波抑制方法进行分析和总结基础上,依托湖南大学输变电新技术研究开发平 台,结合湖南省重大科技专项“高压直流输电新型换流变压器研制”(06GK1003-1),阐述一种有别于传统无源滤波和有源滤波的新型滤波方式,利用新 型推进变压器结构实施谐波抑制的感应滤波技术在船舶电力推进系统中的应用。本文的主要工作包括以下内容: 介绍了船舶电力推进技术的国内外发展概况,前景及应用,在此基础上提出了“谐波”这一热点问题,并针对当前传统滤波方式存在的不足,认为 很有必要探索新的滤波方式。 分析了电力推进船舶电网谐波产生的原因及造成的危害,并对船舶电网常用三相全控桥电路及应用广泛的Synchro电力推进系统进行了谐波分析。最 后,介绍了传统船舶电网谐波的抑制方法。 对新型推进变压器的理论进行了分析,阐述了新型推进变压器及其滤波系统具有谐波屏蔽,自耦作用和无功补偿的技术特点。与传统船舶滤波系统 对比,介绍了新型推进变压器所特有的技术性能。 对船舶电力系统经典模型和新型模型进行了总体设计,并利用仿真工具MATLAB/Simulink进行了仿真,对比仿真结果验证了本文所提出基于新型推进 变压器结构实施滤波方案的优越性。 针对新型推进变压器在船舶电力推进系统中的应用背景,而变压器差动保护多年来一直存在的区分励磁涌流和内部故障电流的难题,推导出基于变 压器模型的新型推进变压器保护动作方程,并提出了对应的保护判据。仿真的结果证明新型保护原理从本质上摆脱了励磁涌流的影响,能可靠识别推进 变压器内部故障,解决了变压器主保护中的历史难题-励磁涌流的辨别。

6.期刊论文 周丽霞.尹忠东.肖湘宁.Zhou Lixia.Yin Zhongdong.Xiao Xiangning 基于移相电抗器的电力推进船舶 电网谐波抑制 -电工技术学报2007,22(8)
电力推进船舶电网是一个典型的独立供电系统,由于发电容量有限,对非线性负荷的抗干扰能力比较差,尤其是随着电力电子技术在船舶上的广泛应用 ,电能变换过程中的非线性现象加重,由此带来的谐波等电能质量问题不容忽视.相对于采用组网方式形成的大电网而言,独立小电网的系统短路容量较小 ,而谐波源相对容量较大,因此,谐波造成的影响就会更大.本文提出了一种采用移相电抗器的方法来抑制这种独立电网的谐波,并对移相绕组的配置和移相 角的选择进行了分析,基于EMTDC/PSCAD的仿真结果验证了所提方案的正确性和有效性.

7.学位论文 武福愿 船舶电力推进系统谐波控制方法研究 2009
随着电力电子技术的高速发展,以及大功率交流电机的变频调速技术日趋成熟,船舶电力推进技术在国内外受到高度重视并得以迅速发展。船舶电 力推进系统具有许多传统推进系统无法比拟的优势,是目前国内外船舶行业研究的热点。据当前形式看,电力推进将成为今后船舶制造行业的主流发展 方向。因此,深入研究船舶电力推进系统有重要的现实意义。船舶电网中各种非线性电力电子设备的广泛使用,一方面提高了生产效率、改善了工作环 境;另一方面把部分基波能量转化为谐波注入电网,导致设备容量和线路损耗增加,恶化了电能质量,影响了供电、用电设备的安全经济运行。船舶电 网中大量谐波的涌现与用电设备日益提高的谐波标准形成了尖锐的矛盾,所以谐波污染已成为影响供电质量的重要问题。如何有效地治理谐波,将谐波 控制在允许限值以下,是当前具有重要现实意义的课题。本文对船舶电力推进系统电网谐波问题以及已有的谐波控制方法进行了分析和总结,并对无源 和有源电力滤波器进行了仿真实验研究,实验结果完全符合谐波标准要求,证实所建仿真模型合理有效。本研究主要内容及结果如下:<br>   (1)阐述了船舶电力推进系统中的谐波现象,谐波产生的原因,谐波危害,限制谐波的标准和谐波治理方法。<br>   (2)分析了船舶电网谐波的现有控制方法,重点讨论了无源和有源电力滤波器,并对比了两者的优缺点。<br>   (3)针对无源滤波器的特性,总结了其设计步骤与方法,并进行了仿真实验,仿真结果能很好地符合谐波标准要求,证明了仿真模型的有效性。<br>    (4)结合有源电力滤波器的动态补偿特性,应用电流滞环比较控制法,对并联型有源电力滤波器,在SIMULINK仿真环境中建立了系统仿真模型,并对其 进行了仿真实验。仿真结果表明,并联型有源电力滤波器能有效地消除谐波电流和无功电流,同时具有良好的动态补偿特性。<br>   (5)混合有源电力滤波器充分利用了无源和有源电力滤波器的优点,具有很高的研究意义。本文对并联和串联谐振注入型混合有源电力滤波器进行了建 模与仿真,实验结果完全符合相关标准要求。

8.期刊论文 宋艳琼.SONG Yan-qiong 谐波滤波器的设计方法和建模分析 -钦州学院学报2009,24(3)
电力电子技术在电力推进船舶上的大量应用,带来了日益严重谐波问题.简述了无源滤波器的设计步骤,给出了无源滤波器的参数设定方法和具体计算 过程,建立了12脉冲交直变流器和三相谐波滤波器的SIMULINK仿真模型,比较启用三相谐波滤波器前后流入母线的电压和电流波形,并利用FFT分析工具比 较启用三相谐波滤波器前后流入母线电流谐波成分的结果.仿真结果表明,该谐波滤波器的设计方法是可行的,能有效地抑制电力推进系统谐波.

9.期刊论文 俞万能.郑为民.胡德福 一种船舶电力滤波器的仿真研究 -船舶工程2009,31(5)
在小型船舶电力推进系统中,变频驱动产生了严重的谐波污染,导致电力系统的容量大大增加,恶化电网电能质量,甚至影响了船舶安全运行.针对电力 推进船舶电网存在的谐波污染问题,设计了电力滤波器的拓扑结构,制定其控制策略,分析该滤波器的工作原理,并进行计算机仿真,验证了该滤波器的有效 性.

10.期刊论文 郑元璋.冯宁.李海量.ZHENG Yuan-zhang.FENG Ning.LI Hai-liang 全电力推进船舶推进控制技术研 究 -中国航海2007,""(4)
全电力推进船舶是当今国际造船业发展的一个热点,而迄今为止国内尚无此类船舶的推进控制产品,为此设计了一种全电力推进船舶推进控制系统.根 据全电力推进船舶的特性,对推进控制、转舵控制进行了深入研究,特别是鉴于电力推进船舶其推进系统的动力是由船舶电网直接供给的.因此重点分析了 如何保证在推进负荷突变时船舶电网供电的安全与稳定,并给出了有效的解决方法.此外,系统还进行了模块化设计以提高其可靠性、集成性和可扩展性.

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1120807.aspx 授权使用:黑龙江科技学院(hljkjxy),授权号:2a64ff8e-d914-4534-9466-9deb0151f7f2 下载时间:2010年9月8日


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