有源电力滤波器设计硬件子系统
当下电力电子快速发展，解决谐波问题的重要性日益突出。电能质量污染严重，急需解决谐波对电能质量的污染问题。有源电力滤波器（APF）就是一种改善电能质量装置，它可以检测和滤除谐波。是现阶段解决谐波污染问题最优的解决途径。相比较于串联型电力滤波器，并联型电力滤波器更加高效，并在电力滤波领域广泛使用。本文主要研究有源电力滤波器（APF）的硬件设计，主要包括确定APF的系统框架，设计APF采样电路，确定驱动电路。采样电路中涉及到电流采样，直流侧电压采样，还涉及到相电压过零检测。本文还研究关于APF中IGBT的温度保护和IGBT的驱动保护。同时在研究中还需要计算吸收电路直流侧电压，直流侧电感和交流侧电感。关键词 有源电力滤波器，滤除谐波，采样电路，驱动电路
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研的背景和意义 1
1.2 有源电力滤波器的发展和国内外研究状况 1
1.3 本课题需要解决和研究的问题 2
2 有源电力滤波器的基本原理和拓扑结构 2
2.1 有源电力滤波器的基本原理 2
2.2 有源电力滤波器的分类 4
2.3 并联型有源电力滤波器对应的数学模型 8
2.4 本章小结 10
3 并联型有源电力滤波器核心技术 10
3.1 网络谐波检测 10
3.2 并联型有源电力滤波器的控制技术 17
3.3 本章小结 18
4 有源电力滤波器的硬件设计与实现 19
4.1影响有源电力滤波器性能的主要电路参数 19
4.2 APF硬件设计 22
4.3 本章小结 29
结 论 30
致 谢 31
参考文献 32
1 绪论
1.1 课题研的背景和意义
随着电力行业的发展以及电力电子设备的大量使用谐波问题的治理日益突出，有源电力滤波器是滤除谐波和进行无功补偿的一种电力电子装置，以后可以得到非常广的实际运用。在处理系统电能质量矛盾的过程中，谐波超过标准的问题对电网安全稳定运行构成重要威肋。在以下几个方面的表现尤为突出:其一，非线性负 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
荷的增加，比如空调和电冰箱，使得电力系统谐波电流的超标造成电网阻抗的压降，电力系统不能为日常生产提供高质量的电力资源;其二，电力系统中的精密仪器比如高精度的机床等对电能质量的要求越来越高和电能质量因谐波等污染源存在而难以提高的矛盾更加不可调和。从而，日常生产生活电网中大量的谐波所采取的必要控制是我们在电网中的工作人员正在面对的紧急而且客观存在的工作。
有源电力滤波器作为一种谐波及无功补偿装置，具有较高的补偿范围，可以动态补偿谐波及无功，已经被广大学者列为研究对象，并取得丰硕的研究成果[1]。如果不能提供足够的电能，人们的日常生产、生活将产生非常的不便。可以说，高质量的电力资源能够大幅度促进社会大生产，使人们生活的越来越好。优质的电能给我们带来很多的利益，但是改善电能质量的装置是非线性特性的，从而造电力系统被谐波严重污染。同时谐波对电力系统的严重的危害，制约着电网提供优质的电能，电能的利用率大幅度降低，甚至会造成严重的电力事故，对大面积的电力系统安全、经济的运行构成巨大威胁。
1.2 有源电力滤波器的发展和国内外研究状况
APF根本思想是从20世纪60年代开始产生萌芽的。1971年，日本的学者H. Sasaki和T. Machida第一次提出了APF的原始模型，并且比较完整地描述了它的基本原理[2]。但是因为当时电力电子技术和元器件发展的限制，是应用线性放大的方法来产生电网的谐波补偿电流然后注入电网的，所以其损耗相当大，价格昂贵，没有办法在工业应用中普及，只能够停留在实验阶段。
现阶段，我国有源电力滤波器的利用与发达国家比较仍然处在初级阶段。但随着技术的发展，相关设备成本的降低以及各生产部门对电能质量重视程度的进一步提高，我国的电能质量相关设备市场，拥有非常巨大的发展空间和消费潜力。特别是滤除谐波和补偿无功部分的静止同步无功补偿器和有源电力滤波器的市场前景广阔。目前，我国电能质量治理装置的利用率在不断提高而且发电技术发展迅速。
当下，国外的许多国家，大量实用化的APF己经广泛使用。国内讨并联型APF的研究技术上己经比较成熟，但混合型APF目前仍处于试验阶段。所以，伴随着IGBT等大功率电力电子器件出现和技术的不断更新，以及主电路的控制吱术等不断发展，我国APF的应用前景将越来越好[3]。
1.3 本课题需要解决和研究的问题
完成采样电流、信号调理电路、逆变器功率电路、DSP控制等电路硬件设计与调试，并要求设计完善的硬件保护电路。
功能要求：
1、根据负载实时谐波及无功功率进行补偿，补偿后的THD约5%
2、功率电路运行可靠
3、控制电路抗干扰能力强
2 有源电力滤波器的基本原理和拓扑结构
2.1 有源电力滤波器的基本原理
滤波器的基本原理不外乎两种:其一是分压原理，其二是分流原理。无源滤波器(PF)因为受到其工作原理的限制，只可以抑制一些特定次数的谐波，人们预期的滤波效果终究无法达到。跟无源滤波器（PF）比较，有源滤电力波器(APF)在改进了无源滤波器的缺点的基础上提高了滤波的可控性和快速的响应性等一系列特性。图21就是基本的并联型有源电力滤波器（APF）的基本原理图。
图21 并联型有源电力滤波器原理图
图21中表示交流电源表示交流电流，非线性负载产生谐波，在非线性负载产生高次谐波的同时会消耗大量无功功率。用来检测指令电流的电路部分和进行电流补偿部分的发生电路构成了APF滤波器系统。其中，产生补偿电流的基本电路是由三个子部分组成的：最重要的是补偿电流跟踪控制的电路，其次是一些驱动电路以及含有逆变器的主电路。指令电流检测运算电路用于检测由非线性负载产生的电路中的电流谐波分量，补偿电流发生电路是依据指令电流检测运算电路检测出的谐波电流产生的指令信号来进行电流补偿。目前主电路大多采用PWM变流器。主电路中的PWM变流器，虽然有两种工作状态，但是在有源电力滤波系统中主要是逆变器状态，来产生补偿滤波电流。所以在很多文献中又称之为变流器。实际情况是在实际的工况下，电网是必须要向有源电力滤波器（APF）的直流侧储能元件电容等进行充电的，在这个时候工作在整流状态。目前，无法严格区分整流和逆变工作状态，所以在本文中就将之称为变流器。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研的背景和意义 1
1.2 有源电力滤波器的发展和国内外研究状况 1
1.3 本课题需要解决和研究的问题 2
2 有源电力滤波器的基本原理和拓扑结构 2
2.1 有源电力滤波器的基本原理 2
2.2 有源电力滤波器的分类 4
2.3 并联型有源电力滤波器对应的数学模型 8
2.4 本章小结 10
3 并联型有源电力滤波器核心技术 10
3.1 网络谐波检测 10
3.2 并联型有源电力滤波器的控制技术 17
3.3 本章小结 18
4 有源电力滤波器的硬件设计与实现 19
4.1影响有源电力滤波器性能的主要电路参数 19
4.2 APF硬件设计 22
4.3 本章小结 29
结 论 30
致 谢 31
参考文献 32
1 绪论
1.1 课题研的背景和意义
随着电力行业的发展以及电力电子设备的大量使用谐波问题的治理日益突出，有源电力滤波器是滤除谐波和进行无功补偿的一种电力电子装置，以后可以得到非常广的实际运用。在处理系统电能质量矛盾的过程中，谐波超过标准的问题对电网安全稳定运行构成重要威肋。在以下几个方面的表现尤为突出:其一，非线性负 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
荷的增加，比如空调和电冰箱，使得电力系统谐波电流的超标造成电网阻抗的压降，电力系统不能为日常生产提供高质量的电力资源;其二，电力系统中的精密仪器比如高精度的机床等对电能质量的要求越来越高和电能质量因谐波等污染源存在而难以提高的矛盾更加不可调和。从而，日常生产生活电网中大量的谐波所采取的必要控制是我们在电网中的工作人员正在面对的紧急而且客观存在的工作。
有源电力滤波器作为一种谐波及无功补偿装置，具有较高的补偿范围，可以动态补偿谐波及无功，已经被广大学者列为研究对象，并取得丰硕的研究成果[1]。如果不能提供足够的电能，人们的日常生产、生活将产生非常的不便。可以说，高质量的电力资源能够大幅度促进社会大生产，使人们生活的越来越好。优质的电能给我们带来很多的利益，但是改善电能质量的装置是非线性特性的，从而造电力系统被谐波严重污染。同时谐波对电力系统的严重的危害，制约着电网提供优质的电能，电能的利用率大幅度降低，甚至会造成严重的电力事故，对大面积的电力系统安全、经济的运行构成巨大威胁。
1.2 有源电力滤波器的发展和国内外研究状况
APF根本思想是从20世纪60年代开始产生萌芽的。1971年，日本的学者H. Sasaki和T. Machida第一次提出了APF的原始模型，并且比较完整地描述了它的基本原理[2]。但是因为当时电力电子技术和元器件发展的限制，是应用线性放大的方法来产生电网的谐波补偿电流然后注入电网的，所以其损耗相当大，价格昂贵，没有办法在工业应用中普及，只能够停留在实验阶段。
现阶段，我国有源电力滤波器的利用与发达国家比较仍然处在初级阶段。但随着技术的发展，相关设备成本的降低以及各生产部门对电能质量重视程度的进一步提高，我国的电能质量相关设备市场，拥有非常巨大的发展空间和消费潜力。特别是滤除谐波和补偿无功部分的静止同步无功补偿器和有源电力滤波器的市场前景广阔。目前，我国电能质量治理装置的利用率在不断提高而且发电技术发展迅速。
当下，国外的许多国家，大量实用化的APF己经广泛使用。国内讨并联型APF的研究技术上己经比较成熟，但混合型APF目前仍处于试验阶段。所以，伴随着IGBT等大功率电力电子器件出现和技术的不断更新，以及主电路的控制吱术等不断发展，我国APF的应用前景将越来越好[3]。
1.3 本课题需要解决和研究的问题
完成采样电流、信号调理电路、逆变器功率电路、DSP控制等电路硬件设计与调试，并要求设计完善的硬件保护电路。
功能要求：
1、根据负载实时谐波及无功功率进行补偿，补偿后的THD约5%
2、功率电路运行可靠
3、控制电路抗干扰能力强
2 有源电力滤波器的基本原理和拓扑结构
2.1 有源电力滤波器的基本原理
滤波器的基本原理不外乎两种:其一是分压原理，其二是分流原理。无源滤波器(PF)因为受到其工作原理的限制，只可以抑制一些特定次数的谐波，人们预期的滤波效果终究无法达到。跟无源滤波器（PF）比较，有源滤电力波器(APF)在改进了无源滤波器的缺点的基础上提高了滤波的可控性和快速的响应性等一系列特性。图21就是基本的并联型有源电力滤波器（APF）的基本原理图。
图21 并联型有源电力滤波器原理图
图21中表示交流电源表示交流电流，非线性负载产生谐波，在非线性负载产生高次谐波的同时会消耗大量无功功率。用来检测指令电流的电路部分和进行电流补偿部分的发生电路构成了APF滤波器系统。其中，产生补偿电流的基本电路是由三个子部分组成的：最重要的是补偿电流跟踪控制的电路，其次是一些驱动电路以及含有逆变器的主电路。指令电流检测运算电路用于检测由非线性负载产生的电路中的电流谐波分量，补偿电流发生电路是依据指令电流检测运算电路检测出的谐波电流产生的指令信号来进行电流补偿。目前主电路大多采用PWM变流器。主电路中的PWM变流器，虽然有两种工作状态，但是在有源电力滤波系统中主要是逆变器状态，来产生补偿滤波电流。所以在很多文献中又称之为变流器。实际情况是在实际的工况下，电网是必须要向有源电力滤波器（APF）的直流侧储能元件电容等进行充电的，在这个时候工作在整流状态。目前，无法严格区分整流和逆变工作状态，所以在本文中就将之称为变流器。
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