电力有源滤波器的设计

工学院毕业设计（论文）题目：电力有源滤波器的设计专业：电气工程及其自动化班级：电气082姓名：邓大伟学号：1609080203指导教师：国海日期：2011年12月22日目录摘要：............................................................11绪论............................................................21.1概述..........................................................21.2抑制谐波的方法................................................21.3本文研究的内容................................................32APF的工作原理和结构............................................42.1APF的基本原理和种类..........................................42.2APF的谐波检测方法............................................52.3APF的补偿电流控制方法........................................63有源电力滤波器谐波检测及控制策略................................83.1瞬时无功功率理论简介及其应用..................................83.2SVPWM调制策略...............................................104控制系统的总体设计方案.........................................144.1系统初始化程序的设计.........................................144.2中断子程序设计...............................................144.3IP-IQ法补偿谐波和无功电流的原理框图..........................155电力有源滤波器的仿真实现.......................................175.1源电力滤波器仿真模型的建立...................................175.2结果仿真.....................................................21总结与展望.......................................................25致谢.............................................................26参考文献.........................................................27ABSTRACT:........................................................281电力有源滤波器的设计摘要：随着电力电子装置日益广泛的应用，电力电子装置自身所具有的非线性导致了电网中含有大量谐波，这些谐波给电力系统带来了严重的污染，严重危害了用电设备和通信系统的稳定运行。虽然传统的无源电力滤波器具有结构简单、成本低、技术成熟、运行费用低等优点，但同时也有一些缺点，例如只能抑制固定的几次谐波，并对某次谐波在一定条件下会与电网阻抗产生谐振反而而使谐波放大。目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器，有源电力滤波器也是一种电力电子装置，且相关技术的研究也日渐成为研究的热点。本文阐述了几种常见APF的拓扑结构及各自的优缺点，详细分析了基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法，比例控制和前馈控制两种电流环控制策略以及SPWM和SVPWM两种调制策略。介绍了电力有源滤波器的基本原理和结构，并设计了并联型有源电力滤波器的控制系统，实验结果表明,其谐波抑制和无功补偿可以达到良好的效果,在技术上是可行的。关键词：电力有源滤波器;谐波检测;APF21绪论1.1概述电能是现代社会的主要能源之一，在各行各业中有着广泛的应用，电能质量的好坏直接关系到国民经济的总体效益。理想的供电系统对负荷供电时，应该保持三相平衡对称，电压电流波形皆为单频恒定正弦波，电能质量不受负载变化的影响。随着电力电子装置及非线性、冲击性设备的广泛运用，谐波和低功率因数等问题越来越严重。目前的大型企业中，几乎每家企业都或多或少有着电网污染的现象。在供电的过程中电压的波形会由于某些原因而偏离正弦波形，即产生谐波[1]。并且在电力的生产、传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。供电系统中的谐波问题已经引起了社会各界的广泛关注，为了保证供电系统中所有的电气、电子设备能在电磁兼容意义的基础上进行正常、和谐的工作，必须采取有力的措施，抑制并防止电网中因谐波危害所造成的严重后果。谐波主要危害：增加电力设施的负荷，降低系统的功率因数，降低发电、输电及用电设备的有效容量和效率，造成了设备、线路的浪费和电能损失；引起无功补偿电容器谐振和谐波电流放大，导致电容器组因过电流或过电压而损坏或无法投入运行；产生脉冲转矩致使电动机振动，影响产品质量和电机寿命；由于涡流和集肤效应，使电机、变压器、输电线路等因产生附加功率损耗而过热，浪费电能并加速绝缘老化[2]；1.2抑制谐波的方法随着工业、农业和人民生活水平的不断提高，除了需要电能成倍的增长，对供电质量及供电可靠性的要求也越来越多，电能质量（PowerQuality）受到人们的日益重视。于是各国纷纷出台措施，制定相关标准。目前滤波是治理电网污染的有效方法，滤波就是将信号中特定的波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。它分为“无源滤波”（PF:passivefilter）和“有源滤波”（APF:activepowerfilter）。（1）无源滤波无源滤波器，又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波构成低阻抗旁路；单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。无源滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点。基本的无源滤波器的拓扑结构如下图所示：3图1-1无源滤波器结构（2）有源滤波目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用电力有源滤波器(ActivePowerFilter-APF)[3]。有源电力滤波器也是一种电力电子装置。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而消除电网中的谐波。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，因而受到广泛的重视，并且在日本等国得到广泛的应用。有源电力滤波器的基本思想在六七十年代就己经形成。80年代以来，由于大中功率全控型半导体器件的成熟，脉冲宽度调制(PulseWidthModulation-PWM)控制技术的进步，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，有源电力滤波器才得以迅速发展。1.3本文研究的内容本课题是根据自己的兴趣自选的，本文的研究内容主要包括以下几个方面：第1章为绪论，概述了谐波的危害、谐波抑制的各种方法以及有源电力滤波器发展现状，阐述了当前APF的研究热点。第2章分析了有源电力滤波器的拓扑结构、工作原理和工作特性。从多个方面出发对有源电力滤波器进行了分类和介绍，并分析了各自的优缺点。第3章分析了有源电力滤波器谐波检测方法，并分析了各种谐波检测方法的工作原理和特性，通过对比选择ip-iq算法作为本文谐波检测方法。第4章介绍了本次论文的总体设计方案，并给出了相关的原理框图。第5章在MATLAB/Simulink中建立三相三相制有源电力滤波器的仿真模型，并对各个模块进行仿真和详细的阐述。选择不同的整流负载，对负载电流波形和补偿后的电流波形进行对比，验证了APF的补偿性能。第6章对全文做出总结，对有源电力滤波器系统存在的一系列问题进行探讨，并提出下一步的展望。42APF的工作原理和结构2.1APF的基本原理和种类2.1.1APF的基本原理APF的基本原理是检测电网中的谐波电流。通过可控功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流,使电源的总谐波电流为0,从而达到实时补偿谐波电流的目的。其原理框图如图2.1所示。图2.1有源电力滤波器系统原理图2.1.2按联接方式确定APF的种类APF的结构形式很多，但其基本原理都是类似的，按电路拓朴结构可分为并联型APF、串联型APF和串--并联型APF。（1）并联型APF图2.2为并联型APF基本结构。由于与系统并联,可等效为一受控电流源。并联型APF可产生与负荷电流大小相等、方向相反的谐波电流,从而将电源侧电流补偿为正弦基波电流。主要适用于抵消非线性负载的谐波电流、无功补偿及平衡三相系统中的不平衡电流等。并联型APF在技术上比较成熟[4]。图2.2并联型有源滤波器结构图PWMicicil非线性负载指令电流运算电路PWM控制电路驱动电路逆变主电路esis5（2）串联型APF图2.3为串联型APF基本结构。通过1个匹配变压器将APF串联在电源和负载之间,以消除电压谐波,平衡或调整负载的端电压。与并联型APF相比,串联型APF损耗较大,且各种保护电路也较复杂。因此,很少单位使用串联型APF,大多将其作为混合型APF的一部分。图2.3串联型有源滤波器结构图（3）串—并联APF图2.4为串--并联型APF基本结构。具有串联APF和并联APF的优点,能解决电气系统发生的电能质量问题,又称为万能APF或统一电能质量调节器。串联型APF将电源和负载隔离，阻止电源谐波电压串入负载和负载电流流入电网。并联型APF提供一个零阻抗的谐波支路，把负载中的谐波电流吸收掉[5]。这种方案兼有串、并联APF的功能，可以抑制闪变、补偿谐波、消除共同耦合点处的三相电压不平衡，具有较高的性价比。该类APF的主要问题是控制复杂、造价较高。图22.4串联—并联型有源滤波器结构图2.2APF的谐波检测方法2.2.1基于频域的检测方法这是最早应用于指令电流运算的一类方法。其基本思想是利用模拟带(或陷波)滤波器进行谐波检测时他的缺点是:当电网频率波动时,所设计的滤波器中心频率会发生偏移,加上该中心频率易受器件参数及温度影响,会使检测出的谐波信号中含有大量基波分量,增加了APF的设计容量和有功损耗,因此,已基本不用。62.2.2瞬时空间矢量法基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法是目前三相电力有源滤波器中应用最广的一种指令电流运算方法。最早是由日本学者H·Akagi于1984年提出，仅适用于对称三相电路，后经过不断地改进，现已包括p-q法、Ip-Iq法以及d-p法等。p-q法最早应用，仅适用于对称三相且无畸变的电网；Ip-Iq法不仅对电源电压畸变有效，而且也适用于不对称三相电网；基于同步旋转park变换的d-q法不仅简化了对称无畸变下的指令电流运算，而且也适用于不对称、有畸变的电网[6]。2.2.3有功分离法该方法将被检测量分解为理想传输量(即从公共供电点上看去,负荷是三相对称且纯阻性的,该负荷只消耗有功能量)和另一分量之和,简单明了、易于实现。但该方法以平均有功功率理论为基础,至少存在一个工频周期的延时,实时性较差;并且当电源电压存在畸变时,与电压谐波同次的谐波电流(有功部分)将被淹没一部分。另外,该方法不能单独分离出基波有功分量。2.2.4自适应检测法该方法基于自适应滤波中的自适应干扰抵消原理，从负载电流中消去基波