有源电力滤波器的仿真研究
有源电力滤波器的仿真研究[20191215171810]
摘要
由于现今社会科技的飞速发展，导致电网中的谐波逐渐增多。从而使得电网质量下降，同时也影响到普通人民群众的生活。在国内，抑制谐波一直在研究中，比如通过采用滤波器，达到抑制谐波和补偿无功功率的作用，从而减少电能以及用电设备的损失，提高电能的使用率。然而，国内的滤波器正处于研究阶段，还没有投入到工业设备的使用中去，所以，对有源电力滤波器的研究存在一定的必然性。
本文首先介绍此课题研究的背景和意义，对谐波进行了仔细的讲解，包括谐波的概念、产生原因以及危害。接下来介绍了现阶段电力电子领域对谐波的处理技术，主要采用的是有源电力滤波器进行滤波，从而达到消除谐波的作用。再介绍了有源电力滤波器的发展现状、工作原理、分类以及有源电力滤波器的关键技术，包括谐波检测技术中的“瞬时无功功率理论”以及电流跟踪控制方法。“瞬时无功功率理论”在本文中主要应用了 检测法，从而检测出谐波电流。电流跟踪控制方法在本文中则主要应用了滞环比较控制方法，从而起到跟踪谐波的作用。最后将有源电力滤波器整体的数学模型进行了简单介绍，并将仿真模型展示出来。从仿真的结果可以看出在有源电力滤波器的作用下，电力系统中的谐波减少，电压和电流波形靠近正弦波，表明了在电力系统中接入有源电力滤波器可以起到了很好的滤波效果。所以有源电力滤波器的研究很有其必然性。
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关键字:有源电力滤波器、谐波检测、瞬时无功功率
目录
摘要 I
ABSTRACT II
目录 III
第1章 绪论 1
1.1 谐波问题的提出和研究 1
1.1.1 谐波的概念 1
1.1.2 谐波的产生 2
1.1.3 谐波的危害 2
1.1.4 谐波的治理 3
1.2 有源电力滤波器的发展现状及研究意义 4
1.3 本文的主要工作 5
1.4 本章总结 6
第2章 有源电力滤波器的介绍 7
2.1 有源电力滤波器的工作原理 7
2.2 有源电力滤波器的分类 9
2.3有源电力滤波器的关键技术 9
2.3.1谐波检测技术 9
2.3.2 瞬时无功功率理论 11
2.3.3基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测算法 12
2.3.4并联型有源电力滤波器的电流跟踪控制方法 14
2.4本章总结 15
第3章 主电路设计及其仿真电路图 16
3.1三相三线制有源电力滤波器的数学模型 16
3.2 主电路的设计 17
3.2.1 主电路的工作原理 18
3.2.2 主电路开关器件选择 18
3.2.3 直流侧电压控制 19
3.3 基于Simulink的并联有源电力滤波器的仿真实现 20
3.3.1 搭建仿真模型 21
3.3.2 电力图形用户分析界面powergui 22
3.3.3 ip-iq谐波电流检测模型 23
3.3.4 补偿电流发生电路和PWM控制信号发生电路 24
3.4 本章小结 25
第4章 结果与结论 26
第5章 工作总结 29
鸣谢 30
参考文献 31
附录 34
第1章 绪论
如今社会，电力电子技术的迅速发展，在提高了人类用电能效率的同时，也带来了很多电力系统谐波污染的问题。谐波产生的主要原因是因为在电力电子器件中接入了非线性负荷，造成了电压和电流波形失真。然而，在科学家的研究下，发现了一个可以很好解决谐波问题的方法，那就是有源电力滤波器，有源电力滤波器的产生，共有两个主要的功能，分别是能够实现谐波抑制，同时也能起到无功功率补偿的功能，并且其具备两个特点，分别是高度的可控性和迅速响应性，所以，总体来说，有源电力滤波器能够很好的应用到电力系统中。所以有源电力滤波器的研究对促进社会的发展有很大的必要性。
1.1 谐波问题的提出和研究
1.1.1 谐波的概念
国际电气电子工程师协会标准(IEEE标准519—1981)定义谐波为：“谐波为一个周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”[1]。
在电力系统里，正弦波电压可用下式表示：
式中 代表周期； 代表电压 的有效值； 代表频率；
代表 的初相角； 代表 的角频率； ；
如果按照正常的逻辑推理，将具有正弦波形的电压加载到线性负载之上，它们所产生的波形为相同频率的正弦波。若在非线性元器件施加正弦电压时，负载电流就出现了非正弦波，它在电网电抗上产生电压降会影响电压波形，导致电压发生畸变，成为非正弦形状所以综上所述，便可以总结出，当我们将非正弦波形的电压施加到线性电路中时，电路中产生的电流必然也并非是正弦波。接下来我们将周期为 的具有非正弦波形的电压 ，可利用傅里叶级数分解为以下的形式:
式子中
在上面所示公式中，我们可以知道，基波是指频率为1/T的分量，所以我们一般情况下将频率值是基波频率的整数倍的分量就叫做谐波，以上所有的公式包括对应的定义均是以具有非正弦波形的电压为例得出来的，所以也同样可以适用于具有非正弦波形的电流的情况[2]。
1.1.2 谐波的产生
我们都知道在电力系统中具有各种阶次的谐波，那么谐波到底是怎么产生的呢？我们接下来仔细分析一下：在比较理想的情况下，电力供应系统中一般应该供应的电压是正弦波形的。但在实践中，在电力系统中的电压波形将被扭曲，因为一些原因，造成谐波失真。所以，在实际的电力系统中，由于非线性负载的存在，造成了谐波的产生。并且在实际的过程中，非线性负载本身是会反馈并且产生高次谐波的，而同时容易让电源系统接收到，这样也就导致了电力系统中的电压和电流的波形出现失真的情况，电力系统的质量也会伴随着降低[3]。
通常我们所说的非线性，即是指自变量和因变量之间的关系不是线性关系，一般情况下会成曲线或者其他关系[4]。若用函数来表示则为：y=f（x）。
在y=f（x）中，如果是一次函数，则是指y与x的关系是线性的，在其他条件下，其关系均为非线性的。通常我们所见到的典型的非线性负载有：软启动器 ，比如可控硅 和电机启动器 ；也还包括像电视之类的电子 图像处理设备的无线电发射装置，也有可控的灯光设备之类的电子元件；也像开关电源，UPS，变频器，变频调速电机，电池充电器，电梯，起重机，泵属于非线性负荷[5]。
非线性负载使得电力系统中产生谐波，非线性负载主要指的是内含整流设备的负载[6]。
一般在实际情况下，电路中的电压和电流根本不成线性关系，在非线性负载的运行过程中，电压和电流的波形变化也同样是不稳定的。
1.1.3 谐波的危害
谐波的危害主要体现在对电力系统的质量上面。在以前，科技不是很发达的时候，各种资源都比较短缺，一般的用电器都比较少，所以对应的非线性元器件也就比较少，这样的话接入在电力系统中的也就比较少，从而在电力系统中也只能产生少量的谐波电流，所以整体来说，在当时的情况下对电力系统的质量影响不是很大。
然而，科技的发展伴随着人们生活水平的提高，物质生活的丰富使得各种类型的开关电源，高功率半导体开关和产品被人们开始使用，比如电视机，空调等，虽然从单独的设备来说，每个设备的谐波电流注入到电网中并不是很大，但类似于这样的设备本身存在的数量巨大，并且分布范围也比较宽广，所以像这类设备在电力系统接入，足以影响到谐波的产生。尤其是像电视机、空调等相似的设备，一般会在比较集中的时间段使用，这样也就造成了在某些特定的时间段，电网中的谐波电流会很大，严重的影响到了电网中电流传输的效率和电能的使用率。所以，对现阶段的发展来看，研究谐波如何解决，提高电力系统的质量是很有必要的。谐波能够严重的危害到电力系统，比如它能增加用电设备的附加损耗，使接入电路中的电子元件过热，降低了整体的效率以及利用率；也能够影响继电保护和自动装置的工作和可靠性；谐波干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，而且在谐波和基波的共同作用下，触发电话铃响，甚至在极端情况下，还会威胁通信设备和人员的安全,更甚者会出现利用载波工作的闭锁和继电保护装置动作失误，影响电网运行的安全；谐波使计量和测量仪器的计量和指示数据不准确，出现大的误差或者错误。由于我国的电力计量装置都是按工业用电频率50Hz的标准的正弦波设计的，所以当供电电压或者负荷电流中存在谐波时，就会影响到感应式电能表的正常工作；谐波对用电设备的影响,谐波会使电视机、计算机显示的图形发生畸变，画面亮度也会发生波动，并使机内的元件出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误[7]。对于整个电网系统来说，谐波能够造成很大的危害，所以谐波的治理显得尤为重要。接下来我们讨论一下谐波的治理方法。
1.1.4 谐波的治理
由于谐波可以对现在的电力系统产生很大的影响，所以就需要研究人员能够研究出解决谐波问题的方法。而同时我们知道谐波的危害不仅影响到了电力系统的质量，同时也和普通用户的生活质量息息相关。所以，如何解决谐波污染的问题？是一项非常重要的研究。从书籍可以查阅到，有两种方法能够很好的解决谐波问题，那便是从设备入手抑制谐波的产生和从产生的谐波入手进行补偿谐波。比如无源、有源以及混合型有源电力滤波器的使用，就是从第二种方法入手，对谐波源起到了良好的补偿作用。同时也可以对电力电子设备进行专业化的良性改造，从第一种方法入手，使其不产生谐波或者没有无功功率的存在[8]。
将LC调谐滤波器安装到电力系统中，是比较传统的控制谐波的主要形式。LC调谐滤波器具有两个作用，分别是抑制谐波和补偿无功功率，同时LC调谐滤波器的结构比较简单，方便应用到电力系统中，所以一直被广泛的采纳应用。不过任何事物都有其优缺点，LC调谐滤波器也不例外，比如当LC滤波器的参数在进行调整时，或者由于环境等因素发生变化时，它的滤波效果也会伴随着改变，它本身的补偿效果也特别脆弱，容易受到负载和电网中的各类参数影响，LC调谐滤波器的体积和重量都很大，并且比较容易与系统发生串并联谐振等问题。
目前，相对于无源滤波器而言，研究人员研究出来的有源电力滤波器，就能够很好的替换掉无源滤波器，在电力系统进行无功功率的补偿和谐波的抑制。不过，目前我国在工业上对有源电力滤波器的应用还是不够成熟的，所以此项成果还有待深入的研究。
1.2 有源电力滤波器的发展现状及研究意义
在1971年时，研究人员第一次比较完善的对有源电力滤波器进行了定义，那个时候利用的方法是线性放大，以此来进行谐波补偿电流，不过这种方法损耗比较大，成本很高，因此整个过程仅局限于在实验室的分析和研究，未能应用于工业中。在1976年的时候，有研究人员便提出了这样的观点：电力有源滤波器可以利用大功率晶体管和PWM逆变器组成，并正式将其概念进行了明确[9]。以现在的知识储备，我们知道PWM交流器在暂时的当时发展水平来看，是一种相对比较理想的补偿电流发生电路，但是，由于受限于当时那个时候电力电子技术的相对比较落后的发展水平，所以有源电力滤波器的整体发展就只能用来在实验中的分析。科学家们在研究出这样的技术，都很好地促进了并联型有源电力滤波技术在科学界以及企业界的发展，使得有源电力滤波器能够真正应用于工业中。
摘要
由于现今社会科技的飞速发展，导致电网中的谐波逐渐增多。从而使得电网质量下降，同时也影响到普通人民群众的生活。在国内，抑制谐波一直在研究中，比如通过采用滤波器，达到抑制谐波和补偿无功功率的作用，从而减少电能以及用电设备的损失，提高电能的使用率。然而，国内的滤波器正处于研究阶段，还没有投入到工业设备的使用中去，所以，对有源电力滤波器的研究存在一定的必然性。
本文首先介绍此课题研究的背景和意义，对谐波进行了仔细的讲解，包括谐波的概念、产生原因以及危害。接下来介绍了现阶段电力电子领域对谐波的处理技术，主要采用的是有源电力滤波器进行滤波，从而达到消除谐波的作用。再介绍了有源电力滤波器的发展现状、工作原理、分类以及有源电力滤波器的关键技术，包括谐波检测技术中的“瞬时无功功率理论”以及电流跟踪控制方法。“瞬时无功功率理论”在本文中主要应用了 检测法，从而检测出谐波电流。电流跟踪控制方法在本文中则主要应用了滞环比较控制方法，从而起到跟踪谐波的作用。最后将有源电力滤波器整体的数学模型进行了简单介绍，并将仿真模型展示出来。从仿真的结果可以看出在有源电力滤波器的作用下，电力系统中的谐波减少，电压和电流波形靠近正弦波，表明了在电力系统中接入有源电力滤波器可以起到了很好的滤波效果。所以有源电力滤波器的研究很有其必然性。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:有源电力滤波器、谐波检测、瞬时无功功率
目录
摘要 I
ABSTRACT II
目录 III
第1章 绪论 1
1.1 谐波问题的提出和研究 1
1.1.1 谐波的概念 1
1.1.2 谐波的产生 2
1.1.3 谐波的危害 2
1.1.4 谐波的治理 3
1.2 有源电力滤波器的发展现状及研究意义 4
1.3 本文的主要工作 5
1.4 本章总结 6
第2章 有源电力滤波器的介绍 7
2.1 有源电力滤波器的工作原理 7
2.2 有源电力滤波器的分类 9
2.3有源电力滤波器的关键技术 9
2.3.1谐波检测技术 9
2.3.2 瞬时无功功率理论 11
2.3.3基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测算法 12
2.3.4并联型有源电力滤波器的电流跟踪控制方法 14
2.4本章总结 15
第3章 主电路设计及其仿真电路图 16
3.1三相三线制有源电力滤波器的数学模型 16
3.2 主电路的设计 17
3.2.1 主电路的工作原理 18
3.2.2 主电路开关器件选择 18
3.2.3 直流侧电压控制 19
3.3 基于Simulink的并联有源电力滤波器的仿真实现 20
3.3.1 搭建仿真模型 21
3.3.2 电力图形用户分析界面powergui 22
3.3.3 ip-iq谐波电流检测模型 23
3.3.4 补偿电流发生电路和PWM控制信号发生电路 24
3.4 本章小结 25
第4章 结果与结论 26
第5章 工作总结 29
鸣谢 30
参考文献 31
附录 34
第1章 绪论
如今社会，电力电子技术的迅速发展，在提高了人类用电能效率的同时，也带来了很多电力系统谐波污染的问题。谐波产生的主要原因是因为在电力电子器件中接入了非线性负荷，造成了电压和电流波形失真。然而，在科学家的研究下，发现了一个可以很好解决谐波问题的方法，那就是有源电力滤波器，有源电力滤波器的产生，共有两个主要的功能，分别是能够实现谐波抑制，同时也能起到无功功率补偿的功能，并且其具备两个特点，分别是高度的可控性和迅速响应性，所以，总体来说，有源电力滤波器能够很好的应用到电力系统中。所以有源电力滤波器的研究对促进社会的发展有很大的必要性。
1.1 谐波问题的提出和研究
1.1.1 谐波的概念
国际电气电子工程师协会标准(IEEE标准519—1981)定义谐波为：“谐波为一个周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”[1]。
在电力系统里，正弦波电压可用下式表示：
式中 代表周期； 代表电压 的有效值； 代表频率；
代表 的初相角； 代表 的角频率； ；
如果按照正常的逻辑推理，将具有正弦波形的电压加载到线性负载之上，它们所产生的波形为相同频率的正弦波。若在非线性元器件施加正弦电压时，负载电流就出现了非正弦波，它在电网电抗上产生电压降会影响电压波形，导致电压发生畸变，成为非正弦形状所以综上所述，便可以总结出，当我们将非正弦波形的电压施加到线性电路中时，电路中产生的电流必然也并非是正弦波。接下来我们将周期为 的具有非正弦波形的电压 ，可利用傅里叶级数分解为以下的形式:
式子中
在上面所示公式中，我们可以知道，基波是指频率为1/T的分量，所以我们一般情况下将频率值是基波频率的整数倍的分量就叫做谐波，以上所有的公式包括对应的定义均是以具有非正弦波形的电压为例得出来的，所以也同样可以适用于具有非正弦波形的电流的情况[2]。
1.1.2 谐波的产生
我们都知道在电力系统中具有各种阶次的谐波，那么谐波到底是怎么产生的呢？我们接下来仔细分析一下：在比较理想的情况下，电力供应系统中一般应该供应的电压是正弦波形的。但在实践中，在电力系统中的电压波形将被扭曲，因为一些原因，造成谐波失真。所以，在实际的电力系统中，由于非线性负载的存在，造成了谐波的产生。并且在实际的过程中，非线性负载本身是会反馈并且产生高次谐波的，而同时容易让电源系统接收到，这样也就导致了电力系统中的电压和电流的波形出现失真的情况，电力系统的质量也会伴随着降低[3]。
通常我们所说的非线性，即是指自变量和因变量之间的关系不是线性关系，一般情况下会成曲线或者其他关系[4]。若用函数来表示则为：y=f（x）。
在y=f（x）中，如果是一次函数
非线性负载
一般在实际情况下，电路中的电压和电流根本不成线性关系
1.1.3 谐波的危害
谐波的危害主要体现在对电力系统的质量上面。在以前，科技不是很发达的时候，各种资源都比较短缺，一般的用电器都比较少，所以对应的非线性元器件也就比较少，这样的话接入在电力系统中的也就比较少，从而在电力系统中也只能产生少量的谐波电流，所以整体来说，在当时的情况下对电力系统的质量影响不是很大。
然而，科技的发展伴随着人们生活水平的提高，物质生活的丰富使得各种类型的开关电源，高功率半导体开关和产品被人们开始使用，比如电视机，空调等，虽然从单独的设备来说，每个设备的谐波电流注入到电网中并不是很大，但类似于这样的设备本身存在的数量巨大，并且分布范围也比较宽广，所以像这类设备在电力系统接入，足以影响到谐波的产生。尤其是像电视机、空调等相似的设备，一般会在比较集中的时间段使用，这样也就造成了在某些特定的时间段，电网中的谐波电流会很大，严重的影响到了电网中电流传输的效率和电能的使用率。所以，对现阶段的发展来看，研究谐波如何解决，提高电力系统的质量是很有必要的。谐波能够严重的危害到电力系统，比如它能增加用电设备的附加损耗，使接入电路中的电子元件过热，降低了整体的效率以及利用率；也能够影响继电保护和自动装置的工作和可靠性；谐波干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，而且在谐波和基波的共同作用下，触发电话铃响，甚至在极端情况下，还会威胁通信设备和人员的安全,更甚者会出现利用载波工作的闭锁和继电保护装置动作失误，影响电网运行的安全；谐波使计量和测量仪器的计量和指示数据不准确，出现大的误差或者错误。由于我国的电力计量装置都是按工业用电频率50Hz的标准的正弦波设计的，所以当供电电压或者负荷电流中存在谐波时，就会影响到感应式电能表的正常工作；谐波对用电设备的影响,谐波会使电视机、计算机显示的图形发生畸变，画面亮度也会发生波动，并使机内的元件出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误[7]。对于整个电网系统来说，谐波能够造成很大的危害，所以谐波的治理显得尤为重要。接下来我们讨论一下谐波的治理方法。
1.1.4 谐波的治理
由于谐波可以对现在的电力系统产生很大的影响，所以就需要研究人员能够研究出解决谐波问题的方法。而同时我们知道谐波的危害不仅影响到了电力系统的质量，同时也和普通用户的生活质量息息相关。所以，如何解决谐波污染的问题？是一项非常重要的研究。从书籍可以查阅到，有两种方法能够很好的解决谐波问题，那便是从设备入手抑制谐波的产生和从产生的谐波入手进行补偿谐波。比如无源、有源以及混合型有源电力滤波器的使用，就是从第二种方法入手，对谐波源起到了良好的补偿作用。同时也可以对电力电子设备进行专业化的良性改造，从第一种方法入手，使其不产生谐波或者没有无功功率的存在[8]。
将LC调谐滤波器安装到电力系统中，是比较传统的控制谐波的主要形式。LC调谐滤波器具有两个作用，分别是抑制谐波和补偿无功功率，同时LC调谐滤波器的结构比较简单，方便应用到电力系统中，所以一直被广泛的采纳应用。不过任何事物都有其优缺点，LC调谐滤波器也不例外，比如当LC滤波器的参数在进行调整时，或者由于环境等因素发生变化时，它的滤波效果也会伴随着改变，它本身的补偿效果也特别脆弱，容易受到负载和电网中的各类参数影响，LC调谐滤波器的体积和重量都很大，并且比较容易与系统发生串并联谐振等问题。
目前，相对于无源滤波器而言，研究人员研究出来的有源电力滤波器，就能够很好的替换掉无源滤波器，在电力系统进行无功功率的补偿和谐波的抑制。不过，目前我国在工业上对有源电力滤波器的应用还是不够成熟的，所以此项成果还有待深入的研究。
1.2 有源电力滤波器的发展现状及研究意义
在1971年时，研究人员第一次比较完善的对有源电力滤波器进行了定义，那个时候利用的方法是线性放大，以此来进行谐波补偿电流，不过这种方法损耗比较大，成本很高，因此整个过程仅局限于在实验室的分析和研究，未能应用于工业中。在1976年的时候，有研究人员便提出了这样的观点：电力有源滤波器可以利用大功率晶体管和PWM逆变器组成，并正式将其概念进行了明确[9]。以现在的知识储备，我们知道PWM交流器在暂时的当时发展水平来看，是一种相对比较理想的补偿电流发生电路，但是，由于受限于当时那个时候电力电子技术的相对比较落后的发展水平，所以有源电力滤波器的整体发展就只能用来在实验中的分析。科学家们在研究出这样的技术，都很好地促进了并联型有源电力滤波技术在科学界以及企业界的发展，使得有源电力滤波器能够真正应用于工业中。
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