50A并联有源滤波装置的相关研究;自动化

安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共2页第1页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊50A并联有源滤波装置的相关研究自动化陈晨089064357指导教师：陈乐柱教授摘要在电力电子技术飞速发展的今天，各种非线性电力电子装置得到了广泛的应用，这些装置在带给我们方便的同时向公用电网内注入了大量的电流谐波。有源电力滤波器是治理电力系统谐波问题、改善电能质量的有效手段，有广阔的应用前景。本文以设计50A并联有源滤波器为主要工作，其目的是解决炼铁厂对电网造成的影响。本文首先系统地概括了有源电力滤波器的特点、分类，分析了并联型有源滤波器的结构、工作原理；其次对谐波检测原理和电流控制跟踪方法进行讨论，并在MATLAB/Simulink环境中对三相三线制并联型有源电力滤波器进行设计仿真，采用基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法和瞬时值比较的电流控制策略，设计了有源滤波器检测控制电路。仿真结果显示该设计达到了预期效果，对有源滤波器的具体研究具有一定的参考价值；最后针对炼铁厂设计了50A并联型有源滤波器的主电路参数。关键词：并联有源滤波器；谐波检测；MATLAB仿真；电流跟踪控制；瞬时无功功率理论安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共2页第2页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊AbstractWiththedevelopmentofpowerelectronicstechnology，asharplyincreasingnumberofpowerelectronicsdeviceshavebeenwidelyusednowadays.Althoughthesepowerelectronicsdevicesmakeourlifeconvenient，theyinjectmuchharmoniccurrenttothepowergridfortheirnonlinearcharacteristics.ActivePowerFilterisoneoftheeffectivemeansforharmoniccurrentcompensationandpowerqualityimproving.TheuseofshuntActivePowerFilterhasbroadapplicationprospects.improving．Thethesistakesthe50AAPFdesigningasmainjob，whosepurposeistosolvetheimpactofIronworksonthegrid.Firstly,thethesissummarizesthecharacteristicandclassifiesofAPF,analyzesshunt-APF’sstructureandworkingprinciple.Secondly,discussingtheprincipleofharmoniccurrentdetectionandthemethodofcompensatingcurrentcontrol.Three-phasethree-wireshunt-APFhasbeendesignedandsimulatedinMATLAB/Simulink.Inthecontrolsystemthemethodofcompensatingcurrentcontrolisinstantaneouslycomparing，andthemethodofharmoniccurrentdetectingisbasedoninstantaneousreactivepowertheory.SimulationresultsshowthatthedesignachievesthedesiredresultsandthedesignhasreferencevaluestothespecificresearchofAPF.Finally,theparametersinmaincircuitof50Ashunt—APFisdesignedtoIronworks.Keywords：ShuntActivePowerFilter；HarmonicDetection；MATLABSimulation；CompensatingCurrentControl；InstantaneousReactivePowerTheor安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共35页第1页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊1绪论1.1课题研究背景电能无疑是现代社会中应用最广泛的能量，它的应用程度标志着一个社会的文明程度，标志着一个国家的发展水平。我国是一个发展中国家，近年来，由于社会经济的高速发展，电力事业迅猛发展，电力系统的规模也日益扩大，经济高速发展带来的电能缺乏问题已经得到了初步的解决。但与此同时，由于现代工业的发展，电力系统中非线性负载大量增加，各种非线性和时变性电子装置如逆变器、整流器及各种开关电源等大规模地应用，其负面效应也日益明显。逆变器、整流器及各种开关电源等电力电子装置开关动作时向电网中注入大量的谐波，使得畸变电流对电网的污染越来越严重。另一方面，随着高新技术尤其是信息技术的飞速发展，基于计算机、微处理器控制的用电设备大量投入使用，它们对系统的干扰比机电设备更加敏感，因此对电能质量的要求也更高。一旦出现电能质量问题，轻则造成设备故障停运，重则造成整个系统的损坏，由此带来的经济损失是很难估量的。因此，用户对提高电能质量的呼声越来越高，电流谐波的治理也越来越受到重视。制定谐波标准是治理谐波污染的重要措施之一。目前，不少国家和学术研究组织都制定了限制电力系统和用电设备谐波的标准和规定。我国于1984年，由原水电部制定了《电力系统谐波暂行规定》,规定中指出：为了向国民经济各部门提供合格的50Hz电能，必须对各种非线性用电设备注入电网的谐波电流加以限制，以保证电网和用电设备的安全经济运行，同时要求各级电力部门加强对电网谐波的监视和管理。1993年国家技术监督局颁布了新的《电能质量公用电网谐波》标准Ⅲ，规定了公用电网中的电压总畸变率和公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量。众多标准的出台都反映了有关部门对电网谐波治理的重视，也说明电网谐波治理具有重要的现实意义。1.2谐波来源及危害1.2.1谐波的来源在供用电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形。正弦电压可表示为2sinutUt（1.1）对于周期为2/T的非正弦电压ut，一般满足狄里赫利条件，可分解为如下形式的傅里叶级数：安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共35页第2页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊01cossinnnnutaantbnt(1.2)式中2002020121cos1sin1,2,3,...nnautdtautntdtbutntdtn谐波是指一个周期电气量的正弦波分量，它的频率为基波频率的整数倍。式中频率为2nn的项即为谐波项。当正弦基波电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为比例、积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非线性负载上时，电流就变为非正弦波，产生谐波电流。负载谐波电流通过与电网的公共联结点注入电网中。系统中的谐波源可分为两大类：含半导体非线性元件的谐波源；含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。归纳起来，主要有以下几种：a：静止变流器。如整流器、交流调压器、通用变频器等。它们产生的谐波对电网影响最为严重，被称为电网中“公害。b：工业用电弧炉、交流电焊机等。虽然它们数量不多，但容量较大，产生的谐波成分十分丰富，对电网的危害极大。c：电力变压器，发电机及铁磁谐振设备等。d：各种民用电力电子设备。如：各种家用电器、荧光灯、计算机开关电源等，虽然它们的容量不大，但数量众多，它们对电网造成的谐波污染也越来越严重。其中a属于第一大类，b、c属于第二大类，d分属上述两类谐波源。1.2.2谐波的危害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，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的通信系统和公用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了人们高度的关注。谐波电流、电压对电力系统和用户的影响及危害，概括安徽工业大学毕业设计（论文）说明书共35页第3页┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊起来，大致有以下几个方面：(1)由于谐波的存在，增大了系统中元件的附加损耗，降低了发电、输电及用电设备的使用效率，大量的3次谐波通过中线时会使线路过热甚至发生火灾。在电力系统中，因为趋肤效应，高的谐波频率增加了导线的谐波电阻。因此谐波电流会增加线路损耗，并降低线路的传输能力。此外，在采用电缆的输电系统中，谐波问题还可能加速电缆绝缘的老化，缩短电缆的使用寿命。系统中的断路器也会受到谐波的影响，在谐波电流严重的情况下，断路器可能无法正常工作以致损坏。谐波对电网的危害除造成线路损耗外，更重要的是使电网波形受到污染，供电质量下降，危及各种用电设备的正常运行。在电力系统用户中，大量的3次谐波流过中线时，容易导致电线过载发热、绝缘损坏，进而发生短路，引起火灾。(2)谐波影响各种电气设备的正常工作。如：谐波对变压器的影响主要是引起附加损耗和过热，高频的谐波分量会增加变压器的铁芯损耗以及铜损，容易引起发热或者局部过热，另外，谐波还能引起变压器的噪声增大、机械振动和谐波过电压。(3)谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起严重事故。当谐波频率与输电系统的固有频率重合时，可能会放大谐波分量，增加设备的附加损耗和发热，造成设备故障。电抗器和电容器是电力系统常用设备，在系统中并联电容器可以补偿无功功率，提高功率因数，提高系统的电压稳定水平。由多个电抗器和电容器组成的系统具有多个固有的特征频率。在进行系统设计时，以上特征频率应该远离工频频率，从而保证系统不会在工频频率下发生谐振。但是当谐波频率与系统固有的特征频率重合时，因为系统的并联谐振或串联谐振会使电流放大几倍甚至数十倍，因此会对系统设备安全构成很大的威胁。在谐波放大事故中，常常烧毁电容器和电抗器。有关文献指出，电容器和与之串联的电抗器的烧毁在谐波引起的事故中约占75％。(4)谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电器测量仪表计量不正确。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。高次谐波会使热继电器误动作，电磁继电器滞动，感应式电流继电器误动或拒动，并会使电气测量仪表计量不准确。例如，电磁型继电器的动作是由其电流有效值的平方决定的，对频率的不同并不敏感。一般在谐波含量小于10％时，对电磁型继电器影响不大。对于铁芯用软铁材料制成的电磁型继电器，谐波含量小于40％时，动作误差值不大于10％。但在动态情况下可能会有很大影响。如投入空载变压器时会产生谐波含量很高的励磁涌流，会造成继电器误动作而使开关跳闸。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。(5)谐波会对邻近的通信系统造成明显的干扰，降低通信质量。谐波对通信系统的干扰主要是因为电力系统的谐波与通信系统传输信号具有频带的重合性，而且二者传输功率相差悬殊。谐波干扰会引起通信系统的噪声，降低通话的清晰度，严重时会引起信号的丢失。在谐波和基波的共同作用下干