基于滑模控制的电力有源滤波系统
基于滑模控制的电力有源滤波系统[20191215173007]
本人签名： 日期： 摘 要
随着各类大功率开关器件的广泛使用，电力系统中谐波电流含量与日俱增，引起电网电压波形发生畸变，从而使得电能质量问题日趋严重，谐波补偿已成为国内外高度关注的课题。
实现谐波补偿的方法多种多样，但有源滤波器凭借其快速响应，良好可控性能等多种优势成为研究谐波补偿的主要对象。
本文首先分析了谐波成因、现状及其危害，进一步研究谐波问题势在必行，对比了常用的谐波补偿的方法，以广泛应用于高压输电系统的三相三线制电路为例，详细介绍了并联有源滤波器的系统构成并对其进行了分类，根据其拓扑结构图构建了数学模型。采用能有效避免电压畸变和负序分量影响的基于瞬时无功功率理论的 法进行谐波电流检测；对比分析了多种电流跟踪控制方法，最终选定采用滑模控制与滞环比较法相结合的控制方法；通过分析变流器直流侧电压波动的原因，选择了PI控制法来保持直流侧电压稳定。
针对有源滤波器中谐波电流难以实时检测及加入非线性负载时电流易发生畸变的现象，加入了具有优良鲁棒性的滑模控制模块，并建立了MATLAB仿真模型对其进行了仿真，仿真结果表明：该滤波系统能较好地实现参数的自我调节从而具备更好的动态特性和电流追踪性能，达到良好补偿效果，这也充分证明了本文提出的基于滑模控制的有源滤波器的可靠性和有效性。
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关键字:谐波；有源电力滤波器；滑模控制；ABSTRCT
目 录
摘要 I
ABSTRCT II
第1章 绪论 1
1.1 课题的研究背景及意义 1
1.1.1 谐波的基本概念 1
1.1.2 谐波的成因 2
1.1.3 谐波的危害 3
1.1.4 谐波抑制方法 4
1.1.5 课题的研究意义 4
1.2 有源电力滤波器的起源、现状及发展趋势 5
1.2.1 有源电力滤波器的起源和现状 5
1.2.2 有源电力滤波器的发展趋势 6
1.3 本课题研究内容及组织结构 6
第2章 有源滤波器基本原理 8
2.1 三相三线制并联型有源电力滤波器 8
2.1.1 有源电力滤波器的的系统构成 8
2.1.2 有源电力滤波器的的分类 9
2.1.3 三相三线制有源电力滤波器的拓扑结构 11
2.1.4 三相三线制并联有源电力滤波器的数学建模 12
2.2 并联型有源电力滤波器的主要技术 14
2.2.1 谐波电流检测技术 14
2.2.2 直流侧电容电压控制技术 17
2.2.3 补偿电流跟踪控制技术 18
2.3 有源滤波器的滑模控制 20
2.3.1 滑模控制理论 20
2.3.2 滑模控制的设计方法 22
第3章 有源滤波器的设计 24
3.1 有源电力滤波器仿真参数设计 24
3.1.1 主电路容量 24
3.1.2 直流侧电容设计 24
3.1.3 交流侧输出电感设计 25
3.1.4 开关器件的选择 27
3.1.5 低通滤波器的选择 27
3.2 滑模控制器的设计 28
第4章 有源电力滤波器的仿真研究 30
4.1 MATLAB概述 30
4.1.1 SIMULINK简介 30
4.1.2 SimPowerSystem简介 30
4.1.3 S-function 31
4.2 建立仿真模型 31
4.2.1 谐波电流检测模块 31
4.2.2 谐波电流补偿模块 33
4.2.3 三相并联型有源滤波器仿真 34
4.2.4 三相并联型有源滤波器滑模控制仿真 34
第5章 仿真结果分析 35
5.1 低通滤波器截止频率的选择 36
5.2 滞环宽度的选择 37
5.3 直流侧电容电压选择 37
5.4 整体仿真分析 38
第6章 总结和展望 41
6.1 工作总结 41
6.2 工作展望 41
参考文献 43
附件 47
第1章 绪论
本章首先介绍了与本课题相关的背景知识，主要着重描述了谐波的产生及其主要危害，分析比较了各种谐波抑制方法的优点和缺点，强调了本课题提出的重要性以及本文工作的意义。
1.1 课题的研究背景及意义
在环境污染问题日趋严重的今天，环境保护一直都是大家广为关注的话题，而电网污染作为环境污染问题的头号难题之一，电力系统的净化已经迫在眉睫，如何提高电网质量就成了当务之急。电力系统的谐波是检验电能质量的一项重要指标，而由电力电子装置所带入的谐波和次谐波分量又是最主要的谐波源，所以如何抑制谐波就成了重中之重。
为了改善电能质量，保证供用电装置能安全高效运行，进行谐波抑制是主要手段，我们可以抑制谐波的产生和加装滤波装置两方面双管齐下。虽然在许多发达国家，由于滤波标准日趋严格，滤波技术已经得到良好地应用；然而在我国，滤波技术仍处于成长阶段，深入探索这门技术是提高电能质量、净化电网的当务之急。
1.1.1 谐波的基本概念
根据IEEE 519-1981标准，谐波是指一个频率为基波频率整数倍的周期波或周期量的正弦波分量。
在电力系统中，未畸变的交流电压和交流电流为工频正弦波形。如正弦波电压可表示为：
(1.1)
在公式中，U是电压有效值； 是初始相位角； 是角频率， ； 是频率； 是周期。
施加正弦电压到非线性负荷上，电流波形就可能变成非正弦波形，而电流会引起阻抗的电压降，使电压波形发生改变。以周期为 的非正弦电压信号为例，若其满足满足狄里赫利条件，就可以分解为傅立叶级数：
(1.2)
式中，
（n=1、2、3.......）
在(l.2)式的傅立叶级数中，基波是频率与工频相同的分量，即为 ，谐波是频率为基波的a倍（a>1，a Z）的分量，谐波次数的定义是谐波频率与基波频率的比值 。
电压畸变率 为：
式中， 是谐波电压， 为基波电压有效值。
上述参数可以表征谐波含有量及畸变程度，据此可以判断谐波治理效果的好坏，而根据电压谐波分量进行类比即可得出电流谐波分量的定义。
1.1.2 谐波的成因
负荷侧和供电侧是电网中谐波的主要来源，负荷侧主要包括各类变流装置、相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器等，后者主要包含系统的不对称运行或故障、发电机线槽谐波的产生、输电线路产生的电晕等。而非线性元件产生的高次谐波是电网的主要污染源，当正弦基波电压施加在非线性负载上时，流过非线性元件的电流与所加电压不成线性关系，形成了非正弦电流，即失真电流，那么失真电流就会影响电流回路中的分配电流或输送电流的装置（假设电源阻抗为零阻抗）；失真电流会在电源阻抗上产生压降，生成失真电压影响负载（假设存在电源阻抗）。若根据非线性器件类型的不同，影响电网的主要谐波源包括两类：一类包含半导体非线性器件；一类含有电弧和铁磁非线性设备。前者主要包括整流设备、交直流换流装置、PWM控制变频器，后者主要有日光灯、旋转电机、变压器，后者不仅会产生谐波，还会产生间谐波等，而这些负荷都会导致电流和电压失真，进而对电力电子设备、通信设备等产生干扰和危害。
1.1.3 谐波的危害
理想电网中的电压应该具有统一的频率和规定的幅值。然而，各种非线性元件的广泛应用使得电网的谐波问题日益突出，因谐波导致的事故也让人们不得不重视谐波危害的严重性。谐波的危害性主要包括：
（1）各类元器件的附加损耗增多，配电、输电装置的使用效率下降，影响其安全稳定运行。
因为集肤效应的存在，更高频率的谐波将致使导体的谐波电阻增加，线路附加损耗也会增加，从而减少传输容量。电路中的谐波分量会导致变压器绕组因集肤效应而增加铜耗和铁损；旋转电机的定子等也会因涡流效应而产生附加损耗。
（2）引起电容器和电抗器共振，导致设备过热、设备的附加损耗增加问题。
为了滤除谐波和补偿无功功率，在电网中并联无源滤波器组，但因为谐波频率高于基波频率会导致其容抗减小而感抗增加，从而与电网发生共振。共振相当于一个谐波电流和电压的放大器，其大小最大可达原来谐波的几十倍，如此大的谐波会严重损害电网和用电设备。
（3）引起自动控制设备、继电保护等装置的误动作。
当电压或电流发生畸变时，数字继电保护装置可能产生误差，因为保护继电器的动作特性已发生改变。许多的继电器可能因谐波的存在而产生误动或拒动，保护装置工作发生紊乱，使电能计量出现混乱。
（4）谐波会严重干扰通信系统地正常运行。
当静止变流器进行换相时，电流波形会发生突变，注入一个脉冲电压到正常供电电压中，该脉冲电压中包含较高的谐波频率，有时甚至高达通信频率，产生电磁干扰，从而对疾控平行通信线路、远程装置通信等通信线路和通信设备产生很大的影响。
（5）延缓电弧熄灭时间。
在高压远距离输电系统中，当发生跳闸事故时，若存在较大的谐波电流，那么电弧熄灭的时间会延长，可能会导致闸无法重合；在消弧线圈接地系统中，当谐波电流含量较大时，灭弧效果会受到阻碍或消弧线圈被延迟。原本电流过零时电流变化率不大，但注入谐波后会突然增大，导致断路器无法正常断弧，从而使断路器的断流能力受到影响。
1.1.4 谐波抑制方法
谐波抑制就是控制注入电力系统中的谐波电流，以便将谐波电流控制在一定范围之内，减小其对电网的干扰，这是提高电能质量和安全运行电力设备的主要手段之一。谐波抑制方法主要可分为以下三类：
（1）受端治理是指增强受到影响的装置的抗干扰能力。主要治理措施有：在电网规划和设计阶段选择合理的供电方式，如使用高电压级别的电网向谐波源供电，但此法准备时间过长且具有不可期性；削弱电容器对谐波的放大作用，如改变电容器的串联电抗器，但须保证电容器组能安全工作；以增强抗谐波干扰能力为目标改善装置性能，但是如果谐波分量较多，此法就无法实现；对抗谐波干扰能力弱的设备采用谐波保护装置，同样地，此法也不能确保谐波含有量高时不会损坏设备。
（2）主动治理是指设计制造出产生很少谐波甚至不产生谐波、功率因数为1的电力电子设备。主要措施有：采用多脉整流或其他整流技术来增加变流装置的相数和脉冲数；将谐波先叠加后注入系统，以3的倍数次谐波或谐波源为标准将谐波电流施加在产生的矩形波上，用以抑制某些运行点处的谐波；利用多重化技术，联合多个变流器；从谐波源的工作方式或装置入手进行突破，尽量减少使用会产生大量谐波的装置，改变会产生大量谐波的工作方式，将能相互补偿谐波的装置集中起来应用，但此方法短期内难以实现；也可利用正弦波可以分化为无数个方波的特性，借助多重化技术将方波进行叠加，这样就可以得到近似正弦的波形，实现了消除低谐波的目的。
（3）被动治理是指采用专用的谐波抑制装置在谐波产生以后再对谐波进行治理，比如本文设计的电力有源滤波器。主要包括：采用由无源滤波器PPF吸收谐波电流，补偿无功功率，虽然具有易设计的优点，但是滤波效果易受系统阻抗、温度漂移、非线性负荷等影响；使用有源滤波器APF向交流电源补偿电流，也能达到补偿无功功率、隔离谐波的效果；采用混合型有源滤波器HAPF，具有物美价廉、快速响应等优点，这属于APF的拓展和发展。
本人签名： 日期： 摘 要
随着各类大功率开关器件的广泛使用，电力系统中谐波电流含量与日俱增，引起电网电压波形发生畸变，从而使得电能质量问题日趋严重，谐波补偿已成为国内外高度关注的课题。
实现谐波补偿的方法多种多样，但有源滤波器凭借其快速响应，良好可控性能等多种优势成为研究谐波补偿的主要对象。
本文首先分析了谐波成因、现状及其危害，进一步研究谐波问题势在必行，对比了常用的谐波补偿的方法，以广泛应用于高压输电系统的三相三线制电路为例，详细介绍了并联有源滤波器的系统构成并对其进行了分类，根据其拓扑结构图构建了数学模型。采用能有效避免电压畸变和负序分量影响的基于瞬时无功功率理论的 法进行谐波电流检测；对比分析了多种电流跟踪控制方法，最终选定采用滑模控制与滞环比较法相结合的控制方法；通过分析变流器直流侧电压波动的原因，选择了PI控制法来保持直流侧电压稳定。
针对有源滤波器中谐波电流难以实时检测及加入非线性负载时电流易发生畸变的现象，加入了具有优良鲁棒性的滑模控制模块，并建立了MATLAB仿真模型对其进行了仿真，仿真结果表明：该滤波系统能较好地实现参数的自我调节从而具备更好的动态特性和电流追踪性能，达到良好补偿效果，这也充分证明了本文提出的基于滑模控制的有源滤波器的可靠性和有效性。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:谐波；有源电力滤波器；滑模控制；ABSTRCT
目 录
摘要 I
ABSTRCT II
第1章 绪论 1
1.1 课题的研究背景及意义 1
1.1.1 谐波的基本概念 1
1.1.2 谐波的成因 2
1.1.3 谐波的危害 3
1.1.4 谐波抑制方法 4
1.1.5 课题的研究意义 4
1.2 有源电力滤波器的起源、现状及发展趋势 5
1.2.1 有源电力滤波器的起源和现状 5
1.2.2 有源电力滤波器的发展趋势 6
1.3 本课题研究内容及组织结构 6
第2章 有源滤波器基本原理 8
2.1 三相三线制并联型有源电力滤波器 8
2.1.1 有源电力滤波器的的系统构成 8
2.1.2 有源电力滤波器的的分类 9
2.1.3 三相三线制有源电力滤波器的拓扑结构 11
2.1.4 三相三线制并联有源电力滤波器的数学建模 12
2.2 并联型有源电力滤波器的主要技术 14
2.2.1 谐波电流检测技术 14
2.2.2 直流侧电容电压控制技术 17
2.2.3 补偿电流跟踪控制技术 18
2.3 有源滤波器的滑模控制 20
2.3.1 滑模控制理论 20
2.3.2 滑模控制的设计方法 22
第3章 有源滤波器的设计 24
3.1 有源电力滤波器仿真参数设计 24
3.1.1 主电路容量 24
3.1.2 直流侧电容设计 24
3.1.3 交流侧输出电感设计 25
3.1.4 开关器件的选择 27
3.1.5 低通滤波器的选择 27
3.2 滑模控制器的设计 28
第4章 有源电力滤波器的仿真研究 30
4.1 MATLAB概述 30
4.1.1 SIMULINK简介 30
4.1.2 SimPowerSystem简介 30
4.1.3 S-function 31
4.2 建立仿真模型 31
4.2.1 谐波电流检测模块 31
4.2.2 谐波电流补偿模块 33
4.2.3 三相并联型有源滤波器仿真 34
4.2.4 三相并联型有源滤波器滑模控制仿真 34
第5章 仿真结果分析 35
5.1 低通滤波器截止频率的选择 36
5.2 滞环宽度的选择 37
5.3 直流侧电容电压选择 37
5.4 整体仿真分析 38
第6章 总结和展望 41
6.1 工作总结 41
6.2 工作展望 41
参考文献 43
附件 47
第1章 绪论
本章首先介绍了与本课题相关的背景知识，主要着重描述了谐波的产生及其主要危害，分析比较了各种谐波抑制方法的优点和缺点，强调了本课题提出的重要性以及本文工作的意义。
1.1 课题的研究背景及意义
在环境污染问题日趋严重的今天，环境保护一直都是大家广为关注的话题，而电网污染作为环境污染问题的头号难题之一，电力系统的净化已经迫在眉睫，如何提高电网质量就成了当务之急。电力系统的谐波是检验电能质量的一项重要指标，而由电力电子装置所带入的谐波和次谐波分量又是最主要的谐波源，所以如何抑制谐波就成了重中之重。
为了改善电能质量，保证供用电装置能安全高效运行，进行谐波抑制是主要手段，我们可以抑制谐波的产生和加装滤波装置两方面双管齐下。虽然在许多发达国家，由于滤波标准日趋严格，滤波技术已经得到良好地应用；然而在我国，滤波技术仍处于成长阶段，深入探索这门技术是提高电能质量、净化电网的当务之急。
1.1.1 谐波的基本概念
根据IEEE 519-1981标准，谐波是指一个频率为基波频率整数倍的周期波或周期量的正弦波分量。
在电力系统中，未畸变的交流电压和交流电流为工频正弦波形。如正弦波电压可表示为：
(1.1)
在公式中，U是电压有效值； 是初始相位角； 是角频率， ； 是频率； 是周期。
施加正弦电压到非线性负荷上，电流波形就可能变成非正弦波形，而电流会引起阻抗的电压降，使电压波形发生改变。以周期为 的非正弦电压信号为例，若其满足满足狄里赫利条件，就可以分解为傅立叶级数：
(1.2)
式中，
（n=1、2、3.......）
在(l.2)式的傅立叶级数中，基波是频率与工频相同的分量，即为 ，谐波是频率为基波的a倍（a>1，a Z）的分量，谐波次数的定义是谐波频率与基波频率的比值 。
电压畸变率 为：
式中， 是谐波电压， 为基波电压有效值。
上述参数可以表征谐波含有量及畸变程度，据此可以判断谐波治理效果的好坏，而根据电压谐波分量进行类比即可得出电流谐波分量的定义。
1.1.2 谐波的成因
负荷侧和供电侧是电网中谐波的主要来源，负荷侧主要包括各类变流装置、相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器等，后者主要包含系统的不对称运行或故障、发电机线槽谐波的产生、输电线路产生的电晕等。而非线性元件产生的高次谐波是电网的主要污染源，当正弦基波电压施加在非线性负载上时，流过非线性元件的电流与所加电压不成线性关系，形成了非正弦电流，即失真电流，那么失真电流就会影响电流回路中的分配电流或输送电流的装置（假设电源阻抗为零阻抗）；失真电流会在电源阻抗上产生压降，生成失真电压影响负载（假设存在电源阻抗）。若根据非线性器件类型的不同，影响电网的主要谐波源包括两类：一类包含半导体非线性器件；一类含有电弧和铁磁非线性设备。前者主要包括整流设备、交直流换流装置、PWM控制变频器，后者主要有日光灯、旋转电机、变压器，后者不仅会产生谐波，还会产生间谐波等，而这些负荷都会导致电流和电压失真，进而对电力电子设备、通信设备等产生干扰和危害。
1.1.3 谐波的危害
理想电网中的电压应该具有统一的频率和规定的幅值。然而，各种非线性元件的广泛应用使得电网的谐波问题日益突出，因谐波导致的事故也让人们不得不重视谐波危害的严重性。谐波的危害性主要包括：
（1）各类元器件的附加损耗增多，配电、输电装置的使用效率下降，影响其安全稳定运行。
因为集肤效应的存在，更高频率的谐波将致使导体的谐波电阻增加，线路附加损耗也会增加，从而减少传输容量。电路中的谐波分量会导致变压器绕组因集肤效应而增加铜耗和铁损；旋转电机的定子等也会因涡流效应而产生附加损耗。
（2）引起电容器和电抗器共振，导致设备过热、设备的附加损耗增加问题。
为了滤除谐波和补偿无功功率，在电网中并联无源滤波器组，但因为谐波频率高于基波频率会导致其容抗减小而感抗增加，从而与电网发生共振。共振相当于一个谐波电流和电压的放大器，其大小最大可达原来谐波的几十倍，如此大的谐波会严重损害电网和用电设备。
（3）引起自动控制设备、继电保护等装置的误动作。
当电压或电流发生畸变时，数字继电保护装置可能产生误差，因为保护继电器的动作特性已发生改变。许多的继电器可能因谐波的存在而产生误动或拒动，保护装置工作发生紊乱，使电能计量出现混乱。
（4）谐波会严重干扰通信系统地正常运行。
当静止变流器进行换相时，电流波形会发生突变，注入一个脉冲电压到正常供电电压中，该脉冲电压中包含较高的谐波频率，有时甚至高达通信频率，产生电磁干扰，从而对疾控平行通信线路、远程装置通信等通信线路和通信设备产生很大的影响。
（5）延缓电弧熄灭时间。
在高压远距离输电系统中，当发生跳闸事故时，若存在较大的谐波电流，那么电弧熄灭的时间会延长，可能会导致闸无法重合；在消弧线圈接地系统中，当谐波电流含量较大时，灭弧效果会受到阻碍或消弧线圈被延迟。原本电流过零时电流变化率不大，但注入谐波后会突然增大，导致断路器无法正常断弧，从而使断路器的断流能力受到影响。
1.1.4 谐波抑制方法
谐波抑制就是控制注入电力系统中的谐波电流，以便将谐波电流控制在一定范围之内，减小其对电网的干扰，这是提高电能质量和安全运行电力设备的主要手段之一。谐波抑制方法主要可分为以下三类：
（1）受端治理是指增强受到影响的装置的抗干扰能力。主要治理措施有：在电网规划和设计阶段选择合理的供电方式，如使用高电压级别的电网向谐波源供电，但此法准备时间过长且具有不可期性；削弱电容器对谐波的放大作用，如改变电容器的串联电抗器，但须保证电容器组能安全工作；以增强抗谐波干扰能力为目标改善装置性能，但是如果谐波分量较多，此法就无法实现；对抗谐波干扰能力弱的设备采用谐波保护装置，同样地，此法也不能确保谐波含有量高时不会损坏设备。
（2）主动治理是指设计制造出产生很少谐波甚至不产生谐波、功率因数为1的电力电子设备。主要措施有：采用多脉整流或其他整流技术来增加变流装置的相数和脉冲数；将谐波先叠加后注入系统，以3的倍数次谐波或谐波源为标准将谐波电流施加在产生的矩形波上，用以抑制某些运行点处的谐波；利用多重化技术，联合多个变流器；从谐波源的工作方式或装置入手进行突破，尽量减少使用会产生大量谐波的装置，改变会产生大量谐波的工作方式，将能相互补偿谐波的装置集中起来应用，但此方法短期内难以实现；也可利用正弦波可以分化为无数个方波的特性，借助多重化技术将方波进行叠加，这样就可以得到近似正弦的波形，实现了消除低谐波的目的。
（3）被动治理是指采用专用的谐波抑制装置在谐波产生以后再对谐波进行治理，比如本文设计的电力有源滤波器。主要包括：采用由无源滤波器PPF吸收谐波电流，补偿无功功率，虽然具有易设计的优点，但是滤波效果易受系统阻抗、温度漂移、非线性负荷等影响；使用有源滤波器APF向交流电源补偿电流，也能达到补偿无功功率、隔离谐波的效果；采用混合型有源滤波器HAPF，具有物美价廉、快速响应等优点，这属于APF的拓展和发展。
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