整流负载的电能分析与pwm整流的仿真研究(附件)
本课题对整流电路负载进行了定量的分析,在分析中围绕着整流负载的无功与谐波进行了傅里叶分解，并接受仿真计算得出了整流负载的谐波分布与功率因数。 在此基础上，为了实现降低整流器负载的谐波并提升功率因数，本课题对PWM整流器进行了理论研究，并通过dq变换实现了解耦控制。本课题对PWM整流器进行了建模分析，采用单周控制设计了一种PWM整流器的控制器，经分析计算，得出其的控制规律。本文采用MATLAB仿真对基于单周控制的三相四线制PWM整流器进行了仿真验证。通过仿真可知，课题所提出的单周控制器可以实现单位功率因数运行输出电流的谐波含量小于20%，谐波畸变率为2.179%，功率因数为0.985，可实现整流负载的电能质量优化。 关键词 谐波分析，三相不可控桥式整流电路， PWM整流器，单周控制，三相四线制
目 录
1 引言 1
1.1 电能质量的概念 1
1.2 基于傅里叶级数方法的谐波分析 3
1.3 PWM整流器的研究 5
1.4本文的重点工作 8
2 整流负载的电能分析 9
2.1三相桥式整流负载的电能分析 9
2.2三相四线制桥式整流电路的谐波分析 12
2.3 本章小结 13
3 PWM整流的原理研究 14
3.1 PWM整流器工作原理的分析 14
3.2 PWM整流建模分析与控制策略研究 16
3.3 PWM整流电路控制策略的研究 19
3.4 三相PWM整流器的调制方式 20
4 PWM整流器单周控制的研究 22
4.1 基于单周控制的研究 22
4.2 其他单周控制技术简述 25
4.3 三相四线PWM整流电路单周控制的控制规律及实现 28
4.4本章小结 39
5总结与展望 40
致 谢 41
参 考 文 献 42
1 引言
电能质量的概念
任何周期性非正弦波可利用傅里叶级数很方便地分解为直流分量、基波分量及谐波分量。换句话说，周期性非正弦波可以用一个直流分量、一个基频正弦波加上一系列其它 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
正弦波（通常称之为谐波）来表示。国际上公认的谐波含义为：“谐波是一个周期电气量的正谐波分量，其频率为基波频率的整数倍。”由于谐波的频率是基波频率的整数倍，也常称之为高次谐波。电力系统中还存在频率为基波频率的分数倍，例如为1/2或1/3等次数的波形，称之为分数谐波，以区别于频率为基波整数倍的高次谐波。谐波的特点是幅值比基波小、而频率是基波的整数倍。在某些情况下，电网中的波形在局部发生周期性畸变，也可以用谐波来表示，但是通常在谐波分析时只认为是一暂态过程[1]。
1.1.1谐波产生的原因与危害
电力系统运行中存在着的大容量电力设备和用电整流或换流设备以及其他非线性负荷是谐波产生的主要原因。当正弦基波电压施加于非线性负荷时，负荷吸收的电流与施加的电压波形不同，畸变的电流影响电流回路中的配电设施，诸如变压器、导线、开关设备等。在实际存在电源内阻时，畸变电流将在阻抗上产生电压降，因而产生畸变电压，畸变电压将对所有负荷产生影响。这些电力设备或用电设备负荷从电力系统吸收的畸变电流可以分解为基波和一系列的谐波电流分量，其谐波电流值实际上与50Hz基波电压值和供电网的阻抗无关。系统中的主要谐波源可分为两大类，一类是含半导体非线性元件的谐波源；另外一类是含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。前者如各种整流设备、交直流换流设备、变流器、直流拖动设备整流器、PWM 变频器、相控调制变频器及现代工业设施为节能和控制用的各种各样的电力电子设备等，后者如交流电弧炉、交流电焊机、发电 机、电动机、各种变压器及各种铁磁谐振设备等。
谐波对公用电网造成污染，也使得其它用电设备的应用环境恶化，并引发一系列的故障和事故。这些危害主要有以下几个方面：
(1)谐波会引起谐振和谐波电流的放大；
(2)谐波使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗；
(3)影响电子、电气设备的正常工作；
(4)谐波对电网中的模拟式电表如电压表、电流表、功率表、电度表的测量会有影响，使测量仪表计量不准确，降低了测量数据的准确性和可靠性。
1.1.2 无功功率产生的原因与影响
在电力系统中，因为所存在的电感、电容元件，在系统中不仅是存在着有功功率，而且存在着无功功率。无功功率是在正弦电路中当平均功率为零时，在电源和储能元件之间来回交换的变动功率，无功功率并不是无用功率，而是在电能传输和转换过程中建立电磁场和提供电网稳定不可缺少的功率之一，无功经过不同的电磁耦合反映不同的电压等级，同一等级电压的电网中，电压高低直接反映本级的无功平衡，是电能质量的重要指标之一。
无功功率的产生对电力系统具有很大的影响，具体影响有以下几个方面:
增加了设备的容量。
（2）增加了设备和线路的损耗。
（3）增加变压器与线路的压降，使冲击性负载的电压波动非常大，从而降低电荷质量。
1.1.3电能质量治理措施
在电能质量治理措施时，主要分为降低无功功率与谐波滤除两大方面。而对于电路本身又分为有源型与无源型着两种，所以具体的措施及其优缺点如下表。
无功补偿
具体措施
优点
缺点
有源型
SVG
降低线损，节能降耗
仅在大容量区域使用，造价高昂
无源型
电容器分组投切
效果明显，应用广泛
补偿容量与范围比较小
TSC
快速无触点
滤波能力较差，易损坏
谐波滤除
有源型
APF
电路简单，不需要直流电源供电，可靠性高
负载效应，使用电感元件时容易引起电磁感应
无源型
无源滤波器
成本低，运行成熟
有能量损耗，负载效应明显
上述这些方法主要是针对谐波无功已经客观存在的，通过优化负载特性以减少谐波，提升功率因数的方法也被日益关注，主要是通过采用电力电子控制方法实现提高功率因数与低谐波整流及运行，上述内容主要包括PWM整流、多重化整流、多电平整流。
基于傅里叶级数方法的谐波分析
法国数学家傅里叶发现，任何周期函数都可以用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示（选择正弦函数与余弦函数作为基函数是因为它们是正交的），后世称为傅里叶级数是一种特殊的三角级数。
目 录
1 引言 1
1.1 电能质量的概念 1
1.2 基于傅里叶级数方法的谐波分析 3
1.3 PWM整流器的研究 5
1.4本文的重点工作 8
2 整流负载的电能分析 9
2.1三相桥式整流负载的电能分析 9
2.2三相四线制桥式整流电路的谐波分析 12
2.3 本章小结 13
3 PWM整流的原理研究 14
3.1 PWM整流器工作原理的分析 14
3.2 PWM整流建模分析与控制策略研究 16
3.3 PWM整流电路控制策略的研究 19
3.4 三相PWM整流器的调制方式 20
4 PWM整流器单周控制的研究 22
4.1 基于单周控制的研究 22
4.2 其他单周控制技术简述 25
4.3 三相四线PWM整流电路单周控制的控制规律及实现 28
4.4本章小结 39
5总结与展望 40
致 谢 41
参 考 文 献 42
1 引言
电能质量的概念
任何周期性非正弦波可利用傅里叶级数很方便地分解为直流分量、基波分量及谐波分量。换句话说，周期性非正弦波可以用一个直流分量、一个基频正弦波加上一系列其它 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
正弦波（通常称之为谐波）来表示。国际上公认的谐波含义为：“谐波是一个周期电气量的正谐波分量，其频率为基波频率的整数倍。”由于谐波的频率是基波频率的整数倍，也常称之为高次谐波。电力系统中还存在频率为基波频率的分数倍，例如为1/2或1/3等次数的波形，称之为分数谐波，以区别于频率为基波整数倍的高次谐波。谐波的特点是幅值比基波小、而频率是基波的整数倍。在某些情况下，电网中的波形在局部发生周期性畸变，也可以用谐波来表示，但是通常在谐波分析时只认为是一暂态过程[1]。
1.1.1谐波产生的原因与危害
电力系统运行中存在着的大容量电力设备和用电整流或换流设备以及其他非线性负荷是谐波产生的主要原因。当正弦基波电压施加于非线性负荷时，负荷吸收的电流与施加的电压波形不同，畸变的电流影响电流回路中的配电设施，诸如变压器、导线、开关设备等。在实际存在电源内阻时，畸变电流将在阻抗上产生电压降，因而产生畸变电压，畸变电压将对所有负荷产生影响。这些电力设备或用电设备负荷从电力系统吸收的畸变电流可以分解为基波和一系列的谐波电流分量，其谐波电流值实际上与50Hz基波电压值和供电网的阻抗无关。系统中的主要谐波源可分为两大类，一类是含半导体非线性元件的谐波源；另外一类是含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。前者如各种整流设备、交直流换流设备、变流器、直流拖动设备整流器、PWM 变频器、相控调制变频器及现代工业设施为节能和控制用的各种各样的电力电子设备等，后者如交流电弧炉、交流电焊机、发电 机、电动机、各种变压器及各种铁磁谐振设备等。
谐波对公用电网造成污染，也使得其它用电设备的应用环境恶化，并引发一系列的故障和事故。这些危害主要有以下几个方面：
(1)谐波会引起谐振和谐波电流的放大；
(2)谐波使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗；
(3)影响电子、电气设备的正常工作；
(4)谐波对电网中的模拟式电表如电压表、电流表、功率表、电度表的测量会有影响，使测量仪表计量不准确，降低了测量数据的准确性和可靠性。
1.1.2 无功功率产生的原因与影响
在电力系统中，因为所存在的电感、电容元件，在系统中不仅是存在着有功功率，而且存在着无功功率。无功功率是在正弦电路中当平均功率为零时，在电源和储能元件之间来回交换的变动功率，无功功率并不是无用功率，而是在电能传输和转换过程中建立电磁场和提供电网稳定不可缺少的功率之一，无功经过不同的电磁耦合反映不同的电压等级，同一等级电压的电网中，电压高低直接反映本级的无功平衡，是电能质量的重要指标之一。
无功功率的产生对电力系统具有很大的影响，具体影响有以下几个方面:
增加了设备的容量。
（2）增加了设备和线路的损耗。
（3）增加变压器与线路的压降，使冲击性负载的电压波动非常大，从而降低电荷质量。
1.1.3电能质量治理措施
在电能质量治理措施时，主要分为降低无功功率与谐波滤除两大方面。而对于电路本身又分为有源型与无源型着两种，所以具体的措施及其优缺点如下表。
无功补偿
具体措施
优点
缺点
有源型
SVG
降低线损，节能降耗
仅在大容量区域使用，造价高昂
无源型
电容器分组投切
效果明显，应用广泛
补偿容量与范围比较小
TSC
快速无触点
滤波能力较差，易损坏
谐波滤除
有源型
APF
电路简单，不需要直流电源供电，可靠性高
负载效应，使用电感元件时容易引起电磁感应
无源型
无源滤波器
成本低，运行成熟
有能量损耗，负载效应明显
上述这些方法主要是针对谐波无功已经客观存在的，通过优化负载特性以减少谐波，提升功率因数的方法也被日益关注，主要是通过采用电力电子控制方法实现提高功率因数与低谐波整流及运行，上述内容主要包括PWM整流、多重化整流、多电平整流。
基于傅里叶级数方法的谐波分析
法国数学家傅里叶发现，任何周期函数都可以用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示（选择正弦函数与余弦函数作为基函数是因为它们是正交的），后世称为傅里叶级数是一种特殊的三角级数。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/1727.html
