有源电力滤波器的仿真研究
有源电力滤波器的仿真研究[20191213112456]
摘要
随着电力电子技术的发展和电力电子设备在各方面的应用，电力系统中非线性负载被运用的越来越多，谐波的产生和危害日益被社会所关注。而有源电力滤波器能有效的抑制谐波，减少能源损耗。近年来有源电力滤波器的研究也成了热门，对有源电力滤波器的检测与控制方法在不断的改进中。
本文主要研究的是并联型三相三线制有源电力滤波器，首先，本文会介绍谐波的产生及其危害和有源电力滤波器的种类及其工作原理。其次，本文重点对并联型三相三线制有源电力滤波器进行研究，包括谐波的检测方法，和控制补偿电流的方法。谐波的检测方法将采用基于瞬时无功理论的d-q法，经过α、β坐标变换得到瞬时有功电流 和瞬时无功电流 。再低通滤波得到直流分量，进行逆变换后得到正序分量，而负载端的电流减去正序分量就是谐波等有害电流。控制方法采用了电流跟踪里的滞环比较的方法，这种控制方法的优点就是实现起来非常的简单，对并联型有源电力滤波器的参数及结构的依赖性小。最后，使用matlab软件构建电路进行仿真，来检验其滤波效果。
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关键字:谐波瞬时无功滞环比较正序分量
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1电力系统谐波 1
1.1.1谐波的定义 1
1.1.2谐波的产生危害 2
1.2谐波的抑制方法 4
1.3有源电力滤波器的发展现状 5
1.4本文主要的研究内容 6
第二章 有源电力滤波器的基本原理 7
2.1电力有源滤波器的工作原理 7
2.1.1并联型有源电力滤波器的工作原理 7
2.1.2串联型有源电力滤波器的工作原理 8
2.1.3混合型有源电力滤波器的工作原理 9
2.2三相三线制有源电力滤波器的工作原理 11
2.3有源电力滤波器的数学建模 13
第三章 有源电力滤波器的谐波检测和PWM控制 15
3.1谐波电流的检测电路 15
3.1.1基于FFT的谐波检测方法 15
3.1.2基于瞬时无功功率理论的谐波与无功电流检测法 15
3.1.3 p-q检测法 18
3.1.4 ip-iq电流检测法 19
3.1.5 d-q检测法 20
3.2有源电力滤波器的PWM控制 22
3.2.1滞环比较控制 22
3.2.2三角波比较方法 22
第四章 有源电力滤波器的电路参数设计 24
4.1有源电力滤波器的主电路参数设计 24
4.1.1主电路电力电子器件的选择 24
4.1.2直流侧和交流侧的能量交换 24
4.2有源电力滤波器补偿性能的基本要求 25
4.3影响有源电力滤波器补偿性能的因素 26
第五章有源电力滤波器的仿真研究 28
5.1simulink的简单介绍 28
5.2 APF的仿真电路的搭建 29
5.3仿真结果 31
5.4仿真结果分析 33
第六章 结论与展望 35
参考文献 36
致谢 38
附录 39
附录一 39
附录二 41
第一章 绪论
1.1电力系统谐波
随着电力电子技术的发展和电力电子设备在各方面的应用，电力系统中非线性负载被运用的越来越多，谐波的产生和危害日益被社会所关注。而有源电力滤波器能有效的抑制谐波，减少能源损耗。
1.1.1谐波的定义
从严格的意义来讲，谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。从广义上讲，由于交流电 网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波，因此也有“分数谐波”、“间谐波 ”、“次谐波”等概念。
在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波的。在只含线性元件(电阻、电感及电容)的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波，一般表示为：
u(t)= Usin(ωt+φ) （1.1）
当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，从而使得电压波形也会变为非正弦波[1]。对于满足狄里赫利条件的非正弦电压，可以分解为傅立叶级数：
（1.2）
式中
（1.3）
（1.4）
（1.5）
其展开式中，常数表达的部分称之为直流分量 ，最小正周期等于原函数的周期的部分称之为基波 或一次谐波，最小正周期的若干倍等于原函数的周期的部分称之为高次谐波 。
1.1.2谐波的产生危害
一、谐波的产生
谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致.当电流流经负载时,与所加的电压不呈线性关系,就形成非正弦电流,从而产生谐波.谐波频率是基波频率的整倍数,根据法国数学家傅立叶(M.Fourier)分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角.谐波可以区分为偶次谐波与奇次谐波，第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、4、6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时,2次谐波为100Hz，3次谐波则是150Hz。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中,由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在.对于三相整流负载,出现的谐波电流是6n次谐波，例如5、7、11、13、17、19等,变频器主要产生5、7次谐波。
从结构上来看,变频器有间接变频器和直接变频器之分。间接变频器将工频电流通过整流器变成直流,然后再经过逆变器将直流变换成可控频率的交流。而直接变频器是将工频电流直接变换成可控频率的交流,没有中间的直流环节。它的每相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆电路.正反两组按一定周期相互切换,在负荷上就获得了交变输出的电压U0，U0的幅值决定于各整流装置的控制角,频率决定于两组整流装置的切换频率.目前应用较多的还是间接变频器。间接变频器有三种不同的结构方式：
(1)用可控整流器变压,用逆变器变频，调压和调频分别是在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合；
(2)用不控整流器整流斩波器变压,用逆变器变频，这种变频器整流环节用斩波器,用脉宽调压；
(3)用不控整流器整流,用PWM逆变器变频，这种变频器只有采用可控关断式器件(如IGBT等)，输出波形才会非常逼近正弦波。
无论哪一种变频器，都大量使用了晶闸管等非线性电力电子元件，不管采用哪种整流方式,变频器从电网中吸取能量的方式都不是连续的正弦波，而是以脉动的断续方式向电网索取电流,，种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的电压上,使电压发生畸变,经过傅里叶级数分析可知，这种非同期正弦波电流是由于频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成[2]。
二、谐波的危害
一般来讲,变频器对容量相对较大的电力系统影响不很明显，而对容量小的系统,谐波产生的干扰就不可忽视,它对公用电网是一种污染.谐波污染对电力系统的危害是严重的,主要表现在：
(1)谐波对供电线路产生了附加损耗.由于集肤效应和邻近效应,使线路电阻随频率增加而提高,造成电能的浪费；由于中性线正常时流过电流很小，故其导线较细,当大量的三次谐波流过中性线时,会使导线过热、绝缘老化、寿命缩短以至损坏；
(2)谐波影响各种电气设备的正常工作。对如发电机的旋转电机产生附加功率损耗、发热、机械振动和噪声；对断路器,当电流波形过零点时，由于谐波的存在可能造成高的di/dt,这将使开断困难,并且延长故障电流的切除时间；
(3)谐波使电网中的电容器产生谐振.工频下，系统装设的各种用途的电容器比系统中的感抗要大得多，不会产生谐振,但谐波频率时，感抗值成倍增加而容抗值成倍减少，这就有可能出现谐振，谐振将放大谐波电流,导致电容器等设备被烧毁；
(4)谐波引起公用电网局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述危害大大增加,甚至引起严重的责任事故；
(5)谐波将使得继电保护和自动装置出现误动作，并使仪表和电能计量出现较大误差;谐波对其他系统及电力用户危害也很大：如对附近的通信系统产生干扰。轻者出现噪声，降低通信质量,重者丢失信息，使通信系统无法正常工作；影响电子设备工作精度，使精密机械加工的产品质量降低;设备寿命缩短，家用电器工况变坏等[2]。
1.2谐波的抑制方法
为解决电力电子装置和其它谐波源的谐波污染问题，主要有两条途径:主动型：对电力电子装置本身进行改造,使其不产生谐波,且功率因数可控制为1，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。被动型：装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的。至于采用哪种途径，应根据经济效益来决定。另外，对已经在运行工作的装置只能通过加装滤波器来实现。
主动型的变流器谐波抑制方案主要有：
(1)多重化技术
对于大容量变流器，将多个方波叠加，以消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦波的阶梯波。重数越多,波形越接近正弦波,当然电路结构也越复杂。因此这种方法一般只用于大容量的场合。多重化技术与PWM技术相配合，可取得更为理想的结果。对电流型变流器,将方波电流波形叠加，可以使输入电流是接近正弦且与电源电压同相位的阶梯波,其多电平结构和控制方法有相移多重化，顺序控制和非对称控制多重化等。对电压型变流器，必须用联接电感与交流电源相连,大多采用相移多重化，将方波电压叠加,使得变流器在网侧产生的电压是接近正弦的阶梯波,且与电源电压保持一定的相位关系。
(2)多脉整流及准多脉整流
利用变压器的不同连接的移相作用与一般整流电路结合,可以构成多脉整流，将多脉整流与控制移相结合，可以构成准多脉整流。大功率电力电子装置(几百千瓦以上)常采用12脉或24脉变流器以减小网侧谐波电流,理论上，,脉数愈多，对谐波的抑制效果愈好,但是脉数愈多，则整流变压器的连线愈复杂，体积愈大，成本也愈高，因此脉数并非愈高愈好。
(3)脉宽调制(PWM)技术
对于几百KVA以下中小功率的应用,可以利用功率因数校正技术,来提高网侧功率因数和消除网侧的谐波电流。由于采用的是中高频PWM调制技术,所以不需要工频变压器，但装置成本要增加20%。
主动型的谐波抑制代表了电力电子技术的发展方向,而被动型的谐波抑制是本文研究的重点，即安装电力滤波器。
有源电力滤波器(简称APF)是一种动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置,它能对频率和幅值都变化的谐波和无功进行补偿，可以弥补无源滤波器的不足,获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的谐波补偿装置，与无源电力滤波器相比,有源电力滤波器具有以下优点:
(1)对功率开关器件工作频率以内的各次谐波都有很好的滤波效果。
(2)当系统阻抗和频率变化时,滤波特性不受影响。
(3)不会与电网发生串联/并联谐振现象,且能有效地抑制系统与无源滤波器之间的谐振。
(4)不存在过载现象,当负载谐波电流较大时,仍能继续运行。但有源电力滤波器也存在价格昂贵，运行成本高和难以构造大容量补偿装置等缺点。APF技术以功率器件的制造技术，谐波检测技术和电流控制技术为基础,随着这些技术的发展,AFP技术也得到了极大的发展。近年来,国外己经在工业和民用设备上广泛使用有源电力滤波器,并且单机装置的容量逐步提。其应用领域从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展[3]。
摘要
随着电力电子技术的发展和电力电子设备在各方面的应用，电力系统中非线性负载被运用的越来越多，谐波的产生和危害日益被社会所关注。而有源电力滤波器能有效的抑制谐波，减少能源损耗。近年来有源电力滤波器的研究也成了热门，对有源电力滤波器的检测与控制方法在不断的改进中。
本文主要研究的是并联型三相三线制有源电力滤波器，首先，本文会介绍谐波的产生及其危害和有源电力滤波器的种类及其工作原理。其次，本文重点对并联型三相三线制有源电力滤波器进行研究，包括谐波的检测方法，和控制补偿电流的方法。谐波的检测方法将采用基于瞬时无功理论的d-q法，经过α、β坐标变换得到瞬时有功电流 和瞬时无功电流 。再低通滤波得到直流分量，进行逆变换后得到正序分量，而负载端的电流减去正序分量就是谐波等有害电流。控制方法采用了电流跟踪里的滞环比较的方法，这种控制方法的优点就是实现起来非常的简单，对并联型有源电力滤波器的参数及结构的依赖性小。最后，使用matlab软件构建电路进行仿真，来检验其滤波效果。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:谐波瞬时无功滞环比较正序分量
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1电力系统谐波 1
1.1.1谐波的定义 1
1.1.2谐波的产生危害 2
1.2谐波的抑制方法 4
1.3有源电力滤波器的发展现状 5
1.4本文主要的研究内容 6
第二章 有源电力滤波器的基本原理 7
2.1电力有源滤波器的工作原理 7
2.1.1并联型有源电力滤波器的工作原理 7
2.1.2串联型有源电力滤波器的工作原理 8
2.1.3混合型有源电力滤波器的工作原理 9
2.2三相三线制有源电力滤波器的工作原理 11
2.3有源电力滤波器的数学建模 13
第三章 有源电力滤波器的谐波检测和PWM控制 15
3.1谐波电流的检测电路 15
3.1.1基于FFT的谐波检测方法 15
3.1.2基于瞬时无功功率理论的谐波与无功电流检测法 15
3.1.3 p-q检测法 18
3.1.4 ip-iq电流检测法 19
3.1.5 d-q检测法 20
3.2有源电力滤波器的PWM控制 22
3.2.1滞环比较控制 22
3.2.2三角波比较方法 22
第四章 有源电力滤波器的电路参数设计 24
4.1有源电力滤波器的主电路参数设计 24
4.1.1主电路电力电子器件的选择 24
4.1.2直流侧和交流侧的能量交换 24
4.2有源电力滤波器补偿性能的基本要求 25
4.3影响有源电力滤波器补偿性能的因素 26
第五章有源电力滤波器的仿真研究 28
5.1simulink的简单介绍 28
5.2 APF的仿真电路的搭建 29
5.3仿真结果 31
5.4仿真结果分析 33
第六章 结论与展望 35
参考文献 36
致谢 38
附录 39
附录一 39
附录二 41
第一章 绪论
1.1电力系统谐波
随着电力电子技术的发展和电力电子设备在各方面的应用，电力系统中非线性负载被运用的越来越多，谐波的产生和危害日益被社会所关注。而有源电力滤波器能有效的抑制谐波，减少能源损耗。
1.1.1谐波的定义
从严格的意义来讲，谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数
在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波的。在只含线性元件(电阻、电感及电容)的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波，一般表示为：
u(t)= Usin(ωt+φ) （1.1）
当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，从而使得电压波形也会变为非正弦波[1]。对于满足狄里赫利条件的非正弦电压，可以分解为傅立叶级数：
（1.2）
式中
（1.3）
（1.4）
（1.5）
其展开式中，常数
1.1.2谐波的产生危害
一、谐波的产生
谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致.当电流流经负载时,与所加的电压不呈线性关系,就形成非正弦电流,从而产生谐波.谐波频率是基波频率的整倍数,根据法国数学家傅立叶(M.Fourier)分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角.谐波可以区分为偶次谐波与奇次谐波，第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、4、6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时,2次谐波为100Hz，3次谐波则是150Hz。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中,由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在.对于三相整流负载,出现的谐波电流是6n次谐波，例如5、7、11、13、17、19等,变频器主要产生5、7次谐波。
从结构上来看,变频器有间接变频器和直接变频器之分。间接变频器将工频电流通过整流器变成直流,然后再经过逆变器将直流变换成可控频率的交流。而直接变频器是将工频电流直接变换成可控频率的交流,没有中间的直流环节。它的每相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆电路.正反两组按一定周期相互切换,在负荷上就获得了交变输出的电压U0，U0的幅值决定于各整流装置的控制角,频率决定于两组整流装置的切换频率.目前应用较多的还是间接变频器。间接变频器有三种不同的结构方式：
(1)用可控整流器变压,用逆变器变频，调压和调频分别是在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合；
(2)用不控整流器整流斩波器变压,用逆变器变频，这种变频器整流环节用斩波器,用脉宽调压；
(3)用不控整流器整流,用PWM逆变器变频，这种变频器只有采用可控关断式器件(如IGBT等)，输出波形才会非常逼近正弦波。
无论哪一种变频器，都大量使用了晶闸管等非线性电力电子元件，不管采用哪种整流方式,变频器从电网中吸取能量的方式都不是连续的正弦波，而是以脉动的断续方式向电网索取电流,，种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的电压上,使电压发生畸变,经过傅里叶级数分析可知，这种非同期正弦波电流是由于频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成[2]。
二、谐波的危害
一般来讲,变频器对容量相对较大的电力系统影响不很明显，而对容量小的系统,谐波产生的干扰就不可忽视,它对公用电网是一种污染.谐波污染对电力系统的危害是严重的,主要表现在：
(1)谐波对供电线路产生了附加损耗.由于集肤效应和邻近效应,使线路电阻随频率增加而提高,造成电能的浪费；由于中性线正常时流过电流很小，故其导线较细,当大量的三次谐波流过中性线时,会使导线过热、绝缘老化、寿命缩短以至损坏；
(2)谐波影响各种电气设备的正常工作。对如发电机的旋转电机产生附加功率损耗、发热、机械振动和噪声；对断路器,当电流波形过零点时，由于谐波的存在可能造成高的di/dt,这将使开断困难,并且延长故障电流的切除时间；
(3)谐波使电网中的电容器产生谐振.工频下，系统装设的各种用途的电容器比系统中的感抗要大得多，不会产生谐振,但谐波频率时，感抗值成倍增加而容抗值成倍减少，这就有可能出现谐振，谐振将放大谐波电流,导致电容器等设备被烧毁；
(4)谐波引起公用电网局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述危害大大增加,甚至引起严重的责任事故；
(5)谐波将使得继电保护和自动装置出现误动作，并使仪表和电能计量出现较大误差;谐波对其他系统及电力用户危害也很大：如对附近的通信系统产生干扰。轻者出现噪声，降低通信质量,重者丢失信息，使通信系统无法正常工作；影响电子设备工作精度，使精密机械加工的产品质量降低;设备寿命缩短，家用电器工况变坏等[2]。
1.2谐波的抑制方法
为解决电力电子装置和其它谐波源的谐波污染问题，主要有两条途径:主动型：对电力电子装置本身进行改造,使其不产生谐波,且功率因数可控制为1，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。被动型：装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的。至于采用哪种途径，应根据经济效益来决定。另外，对已经在运行工作的装置只能通过加装滤波器来实现。
主动型的变流器谐波抑制方案主要有：
(1)多重化技术
对于大容量变流器，将多个方波叠加，以消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦波的阶梯波。重数越多,波形越接近正弦波,当然电路结构也越复杂。因此这种方法一般只用于大容量的场合。多重化技术与PWM技术相配合，可取得更为理想的结果。对电流型变流器,将方波电流波形叠加，可以使输入电流是接近正弦且与电源电压同相位的阶梯波,其多电平结构和控制方法有相移多重化，顺序控制和非对称控制多重化等。对电压型变流器，必须用联接电感与交流电源相连,大多采用相移多重化，将方波电压叠加,使得变流器在网侧产生的电压是接近正弦的阶梯波,且与电源电压保持一定的相位关系。
(2)多脉整流及准多脉整流
利用变压器的不同连接的移相作用与一般整流电路结合,可以构成多脉整流，将多脉整流与控制移相结合，可以构成准多脉整流。大功率电力电子装置(几百千瓦以上)常采用12脉或24脉变流器以减小网侧谐波电流,理论上，,脉数愈多，对谐波的抑制效果愈好,但是脉数愈多，则整流变压器的连线愈复杂，体积愈大，成本也愈高，因此脉数并非愈高愈好。
(3)脉宽调制(PWM)技术
对于几百KVA以下中小功率的应用,可以利用功率因数校正技术,来提高网侧功率因数和消除网侧的谐波电流。由于采用的是中高频PWM调制技术,所以不需要工频变压器，但装置成本要增加20%。
主动型的谐波抑制代表了电力电子技术的发展方向,而被动型的谐波抑制是本文研究的重点，即安装电力滤波器。
有源电力滤波器(简称APF)是一种动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置,它能对频率和幅值都变化的谐波和无功进行补偿，可以弥补无源滤波器的不足,获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的谐波补偿装置，与无源电力滤波器相比,有源电力滤波器具有以下优点:
(1)对功率开关器件工作频率以内的各次谐波都有很好的滤波效果。
(2)当系统阻抗和频率变化时,滤波特性不受影响。
(3)不会与电网发生串联/并联谐振现象,且能有效地抑制系统与无源滤波器之间的谐振。
(4)不存在过载现象,当负载谐波电流较大时,仍能继续运行。但有源电力滤波器也存在价格昂贵，运行成本高和难以构造大容量补偿装置等缺点。APF技术以功率器件的制造技术，谐波检测技术和电流控制技术为基础,随着这些技术的发展,AFP技术也得到了极大的发展。近年来,国外己经在工业和民用设备上广泛使用有源电力滤波器,并且单机装置的容量逐步提。其应用领域从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展[3]。
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