基于滑模控制的有源电力滤波器的研究
基于滑模控制的有源电力滤波器的研究[20191213105818]
摘要
有源电力滤波器（Active Power Filter）是谐波抑制和无功补偿的先进方法。20世纪80年代以后，随着电力电子器件及其控制技术的飞速发展，APF技术的发展逐步走向成熟，在国外已得到广泛应用。与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性。具体表现在：APF具有自适应功能，实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波进行补偿；可同时对谐波和无功功率进行补偿；受电网阻抗影响不大，不容易和电网发生谐振，无谐波放大危险。并且APF还有相对体积重量较小等优点。相对于无源滤波器，有源滤波器的成本较高，成为限制有源滤波器推广使用的主要障碍。但随着电力电子工业的发展，其性价比不断提高，APF必然会得到越来越广泛的应用，给我国电力工业带来巨大的经济效益和社会效益。
本文首先叙述了有源电力滤波器补偿谐波的工作原理，并对有源滤波器的分类与特点进行了总结。综述了目前国内外有源电力滤波器的发展状况，分析研究了有源电力滤波器的现实意义。
针对采用三相三线制有源电力滤波器，建立了三相三线制并联型有源滤波器的数学模型，在此基础上参考间接电流控制的控制策略，采用一种带积分的位置跟踪滑模控制方法，实现电源电流的追踪控制。间接电流控制方法无需谐波检测环节，简化了系统设计。仿真结果表明，此方法具有优异的谐波处理效果。这种方法对提高有源电力滤波器补偿谐波的精确性和稳定性有着重要意义，同时，还将促进滑模变结构控制技术在电力行业中的广泛应用。
摘要.........................................................................................................Ⅱ
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:滑模控制；有源滤波器；谐波；间接电流控制
目录
ABSTRACT Ⅲ
第一章 绪论 1
1.1选题背景及意义 1
1.1.1谐波的含义 1
1.1.2 电力系统中谐波的产生 2
1.1.3 谐波对电力系统的危害[18] 4
1.1.4 目前对电力系统中谐波的治理方法[2] 5
1.2 国内外有源电力滤波器研究现状 7
1.2.1 国外研究现状[4,16] 7
1.2.2 国内的研究现状[5] 8
1.3 本文的主要研究内容 8
第二章 有源电力滤波器的工作原理 10
2.1 有源电力滤波器的谐波抑制机理 10
2.2 有源电力滤波器的分类 11
2.2.1按照接入方式来分类 12
2.2.2按照补偿的相数分类 13
2.2.3 根据逆变器的主电路的结构分类 15
2.3 三相三线制并联有源滤波器的数学模型 16
2.4 并联有源滤波器主要技术 21
2.4.1 谐波电流检测技术 21
2.2.2 直接和间接电流控制技术 23
2.4.3 参考信号跟踪控制技术 25
第三章 有源滤波器中的滑模控制 28
3.1 滑模控制概述 28
3.2 滑模控制的基本思想 28
3.3 滑模控制器的设计方法 30
第五章 基于Simulink的三相三线制滑模控制并联有源滤波器的仿真 37
5.1 Simulink简介[23] 37
5.2仿真原理图及参数 38
5.3 仿真结果及分析 40
第六章 结论及展望 45
6.1 结论 45
6.2 展望 45
参考文献 46
致谢 48
附录 49
附录一：系统仿真结构图 49
第一章 绪论
1.1选题背景及意义
电力电子技术可以实现快速可控的电能变换，具有方便、节约、安全的特点，使人类在生产和生活中的效率和舒适性得到大大提高，从而得到日益广泛的普及。但随着作为电网的非线性和时变性符合的电力电子装置（主要是整流器、逆变器）的大规模使用，其负面效果也十分明显。电力电子装置的开关动作向电网中注入了大量谐波和次谐波分量，导致了交流电网中电压和电流波形的严重失真，成为目前最主要的谐波源。随着包括计算机、电视、音响、空调机等家用电器和设备对电能质量要求日益提高，利用各种无源和有源滤波技术从根本上解决上述问题是我们必须要面对的事实[1]。
传统的谐波抑制和无功补偿方法是使用LC无源滤波器（由电力电容器等无源器件构成）与需补偿的非线性负载并联，从而为谐波提供一个低阻通路，同时也提供负载所需要的无功功率。虽然无源滤波器具有电路结构简单、使用方便的优点，但缺点是它只能抑制固定的几次谐波，并有可能在一定条件下对某次谐波产生谐振而使谐波放大。
有源电力滤波器（APF）是谐波抑制和无功补偿的先进方法。与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性。具体表现在：APF具有自适应功能，实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波进行补偿；可同时对谐波和无功功率进行补偿；受电网阻抗影响不大，不容易和电网发生谐振，无谐波放大危险，并且APF还有相对体积重量较小等优点。相对于无源滤波器，有源滤波器的成本较高，成为限制有源滤波器推广使用的主要障碍。但随着电力电子工业的发展，期间性价比不断提高，APF必然会得到越来越广泛的应用，给我国电力工业带来巨大的经济效益和社会效益[2]。
1.1.1谐波的含义
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[14-15]。
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：
(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。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)
在（1.2）式的傅立叶级数中，频率为 的为基波，频率为基波频率的整数倍的分量称为谐波，谐波频率与基波频率的比值称为谐波次数[3]。
1.1.2 电力系统中谐波的产生
在电力系统中，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，即电路 中有谐波产生。
产生谐波的设备类型有：开关模式电源（SMPS）、电子荧光灯镇流器、调速传动装置、不间断电源（UPS）、磁性铁芯设备及某些家用电器如电视机等。
电网谐波来自于三个方面：一是发电源质量不高产生谐波；二是输配电系统产生谐波；三是用电设备产生的谐波，其中用电设备产生的谐波最多。
1、电网与电源设备
发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%[17]。
2、用电设备
（1）晶闸管整流设备：由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉冲整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，是最大的谐波源[17]。
（2）变频装置：变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的使用的增多，对电网造成的谐波也越来越多[17]。
（3）电弧炉、电石炉：由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是2～7次的谐波，平均可达基波的8%～20%，最大可达45%[17]。
（4）气体放电类电光源：荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流[17]。
（5）家用电器：电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一[17]。
1.1.3 谐波对电力系统的危害[18]
谐波污染对电力系统的危害是严重的，主要表现在：
1、污染公用电网
对供电线路来说，由于集肤效应和邻近效应，线路电阻随着频率的增加会很快增加，在线路中会有很大的电能浪费。另外，在电力系统中，由于中性线电流都很小，所以其线径一般都很细，当大量的谐波电流流过中性线时，会在其上产生大量的热量，不仅会破坏绝缘，严重时还会造成短路。甚至引起火灾。而当谐波频率与网络
2、对电力变压器的影响
谐波电流的存在增加了电力变压器的磁滞损耗、涡流损耗及铜损，对带有不对称负荷的变压器来说，会大大增加励磁电流的谐波分量。谐波电流，特别是3次（及其倍数）谐波侵入三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组发热。对Y形连接中性线接地系统中，侵入变压器的中性线的3次谐波电流会使中性线发热。
3、对电力电容器的影响
由于电容器对谐波的阻抗很小，谐波电流叠加到基波电流上，会使电力电容器中流过的电流有很大的增加，使电力电容器的温升增高，引起电容器过负荷甚至爆炸。同时，谐波还可能与电容器一起在电网中形成谐振，并又施加到电网中。4、对电机的影响
谐波会使电机的附加损耗增加，也会产生机械震动，产生甚至引起谐波过电压，使得电机绝缘损坏。
5、对继电保护和自动装置的影响
对于电磁式继电器来说，电力谐波常会引起继电保护以及自动装置的误动作或拒动，造成整个保护系统的可靠性降低，容易引起系统故障或使系统故障扩大。如果继电保护装置是按基波负序量整定其整定值大小，此时，若谐波干扰叠加到极低的整定值上，则可能会引起负序保护装置的误动作，影响电力系统安全。
6、对通信线路产生干扰。
在电力线路上流过幅度较大的奇次低频谐波电流时，通过电磁耦合，会在邻近电力线路的通信线路中产生干扰电压。干扰通信线路的正常工作，使通话清晰度降低，甚至会引起通信线路的破坏。
7、对用电设备的影响
电力谐波会使电视机、计算
8、增加输电线路功耗
如果电网中含有高次谐波电流，那么，高次谐波电流会使输电线路功耗增加。 如果输电线是电缆线路，与架空线路相比，电缆线路对地电容要大10~20倍，而感抗仅为其1/3~1/2，所以很容易形成谐波谐振，造成绝缘击穿。
9、增加旋转电机的损耗
国际上一般认为电动机在正常持续运行条件下，电网中负序电压不超过额定电压的2%，如果电网中谐波电压折算成等值基波负序电压大于这个数值，则附加功耗明显增加。
1.1.4 目前对电力系统中谐波的治理方法[2]
摘要
有源电力滤波器（Active Power Filter）是谐波抑制和无功补偿的先进方法。20世纪80年代以后，随着电力电子器件及其控制技术的飞速发展，APF技术的发展逐步走向成熟，在国外已得到广泛应用。与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性。具体表现在：APF具有自适应功能，实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波进行补偿；可同时对谐波和无功功率进行补偿；受电网阻抗影响不大，不容易和电网发生谐振，无谐波放大危险。并且APF还有相对体积重量较小等优点。相对于无源滤波器，有源滤波器的成本较高，成为限制有源滤波器推广使用的主要障碍。但随着电力电子工业的发展，其性价比不断提高，APF必然会得到越来越广泛的应用，给我国电力工业带来巨大的经济效益和社会效益。
本文首先叙述了有源电力滤波器补偿谐波的工作原理，并对有源滤波器的分类与特点进行了总结。综述了目前国内外有源电力滤波器的发展状况，分析研究了有源电力滤波器的现实意义。
针对采用三相三线制有源电力滤波器，建立了三相三线制并联型有源滤波器的数学模型，在此基础上参考间接电流控制的控制策略，采用一种带积分的位置跟踪滑模控制方法，实现电源电流的追踪控制。间接电流控制方法无需谐波检测环节，简化了系统设计。仿真结果表明，此方法具有优异的谐波处理效果。这种方法对提高有源电力滤波器补偿谐波的精确性和稳定性有着重要意义，同时，还将促进滑模变结构控制技术在电力行业中的广泛应用。
摘要.........................................................................................................Ⅱ
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:滑模控制；有源滤波器；谐波；间接电流控制
目录
ABSTRACT Ⅲ
第一章 绪论 1
1.1选题背景及意义 1
1.1.1谐波的含义 1
1.1.2 电力系统中谐波的产生 2
1.1.3 谐波对电力系统的危害[18] 4
1.1.4 目前对电力系统中谐波的治理方法[2] 5
1.2 国内外有源电力滤波器研究现状 7
1.2.1 国外研究现状[4,16] 7
1.2.2 国内的研究现状[5] 8
1.3 本文的主要研究内容 8
第二章 有源电力滤波器的工作原理 10
2.1 有源电力滤波器的谐波抑制机理 10
2.2 有源电力滤波器的分类 11
2.2.1按照接入方式来分类 12
2.2.2按照补偿的相数分类 13
2.2.3 根据逆变器的主电路的结构分类 15
2.3 三相三线制并联有源滤波器的数学模型 16
2.4 并联有源滤波器主要技术 21
2.4.1 谐波电流检测技术 21
2.2.2 直接和间接电流控制技术 23
2.4.3 参考信号跟踪控制技术 25
第三章 有源滤波器中的滑模控制 28
3.1 滑模控制概述 28
3.2 滑模控制的基本思想 28
3.3 滑模控制器的设计方法 30
第五章 基于Simulink的三相三线制滑模控制并联有源滤波器的仿真 37
5.1 Simulink简介[23] 37
5.2仿真原理图及参数 38
5.3 仿真结果及分析 40
第六章 结论及展望 45
6.1 结论 45
6.2 展望 45
参考文献 46
致谢 48
附录 49
附录一：系统仿真结构图 49
第一章 绪论
1.1选题背景及意义
电力电子技术可以实现快速可控的电能变换，具有方便、节约、安全的特点，使人类在生产和生活中的效率和舒适性得到大大提高，从而得到日益广泛的普及。但随着作为电网的非线性和时变性符合的电力电子装置（主要是整流器、逆变器）的大规模使用，其负面效果也十分明显。电力电子装置的开关动作向电网中注入了大量谐波和次谐波分量，导致了交流电网中电压和电流波形的严重失真，成为目前最主要的谐波源。随着包括计算机、电视、音响、空调机等家用电器和设备对电能质量要求日益提高，利用各种无源和有源滤波技术从根本上解决上述问题是我们必须要面对的事实[1]。
传统的谐波抑制和无功补偿方法是使用LC无源滤波器（由电力电容器等无源器件构成）与需补偿的非线性负载并联，从而为谐波提供一个低阻通路，同时也提供负载所需要的无功功率。虽然无源滤波器具有电路结构简单、使用方便的优点，但缺点是它只能抑制固定的几次谐波，并有可能在一定条件下对某次谐波产生谐振而使谐波放大。
有源电力滤波器（APF）是谐波抑制和无功补偿的先进方法。与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性。具体表现在：APF具有自适应功能，实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波进行补偿；可同时对谐波和无功功率进行补偿；受电网阻抗影响不大，不容易和电网发生谐振，无谐波放大危险，并且APF还有相对体积重量较小等优点。相对于无源滤波器，有源滤波器的成本较高，成为限制有源滤波器推广使用的主要障碍。但随着电力电子工业的发展，期间性价比不断提高，APF必然会得到越来越广泛的应用，给我国电力工业带来巨大的经济效益和社会效益[2]。
1.1.1谐波的含义
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：
(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。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)
在（1.2）式的傅立叶级数中，频率为 的为基波，频率为基波频率的整数倍的分量称为谐波，谐波频率与基波频率的比值称为谐波次数[3]。
1.1.2 电力系统中谐波的产生
在电力
产生谐波的设备类型有：开关模式电源（SMPS）、电子荧光灯镇流器、调速传动装置、不间断电源
电网谐波来自于三个方面：一是发电源质量不高产生谐波；二是输配电系统产生谐波；三是用电设备产生的谐波，其中用电设备产生的谐波最多。
1、电网与电源设备
发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%[17]。
2、用电设备
（1）晶闸管整流设备：由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉冲整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，是最大的谐波源[17]。
（2）变频装置：变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的使用的增多，对电网造成的谐波也越来越多[17]。
（3）电弧炉、电石炉：由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是2～7次的谐波，平均可达基波的8%～20%，最大可达45%[17]。
（4）气体放电类电光源：荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流[17]。
（5）家用电器：电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一[17]。
1.1.3 谐波对电力系统的危害[18]
谐波污染对电力系统的危害是严重的，主要表现在：
1、污染公用电网
对供电线路来说，由于集肤效应和邻近效应，线路电阻随着频率的增加会很快增加，在线路中会有很大的电能浪费。另外，在电力系统中，由于中性线电流都很小，所以其线径一般都很细，当大量的谐波电流流过中性线时，会在其上产生大量的热量，不仅会破坏绝缘，严重时还会造成短路。甚至引起火灾。而当谐波频率与网络
2、对电力变压器的影响
谐波电流的存在增加了电力变压器的磁滞损耗、涡流损耗及铜损，对带有不对称负荷的变压器来说，会大大增加励磁电流的谐波分量。谐波电流，特别是3次（及其倍数）谐波侵入三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组发热。对Y形连接中性线接地系统中，侵入变压器的中性线的3次谐波电流会使中性线发热。
3、对电力电容器的影响
由于电容器对谐波的阻抗很小，谐波电流叠加到基波电流上，会使电力电容器中流过的电流有很大的增加，使电力电容器的温升增高，引起电容器过负荷甚至爆炸。同时，谐波还可能与电容器一起在电网中形成谐振，并又施加到电网中。4、对电机的影响
谐波会使电机的附加损耗增加，也会产生机械震动，产生甚至引起谐波过电压，使得电机绝缘损坏。
5、对继电保护和自动装置的影响
对于电磁式继电器来说，电力谐波常会引起继电保护以及自动装置的误动作或拒动，造成整个保护系统的可靠性降低，容易引起系统故障或使系统故障扩大。如果继电保护装置是按基波负序量整定其整定值大小，此时，若谐波干扰叠加到极低的整定值上，则可能会引起负序保护装置的误动作，影响电力系统安全。
6、对通信线路产生干扰。
在电力线路上流过幅度较大的奇次低频谐波电流时，通过电磁耦合，会在邻近电力线路的通信线路中产生干扰电压。干扰通信线路的正常工作，使通话清晰度降低，甚至会引起通信线路的破坏。
7、对用电设备的影响
电力谐波会使电视机、计算
8、增加输电线路功耗
如果电网中含有高次谐波电流，那么，高次谐波电流会使输电线路功耗增加。 如果输电线是电缆线路，与架空线路相比，电缆线路对地电容要大10~20倍，而感抗仅为其1/3~1/2，所以很容易形成谐波谐振，造成绝缘击穿。
9、增加旋转电机的损耗
国际上一般认为电动机在正常持续运行条件下，电网中负序电压不超过额定电压的2%，如果电网中谐波电压折算成等值基波负序电压大于这个数值，则附加功耗明显增加。
1.1.4 目前对电力系统中谐波的治理方法[2]
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