有源电力滤波器电流控制器设计毕业论文.docx

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1、有源电力滤波器电流控制器设计毕业论文目录1绪论11.1 谐波的危害11.2 抑制谐波的方式21.4 有源滤波技术的研究现状和发展趋势41.5 谐波标准81.6 本文主要研究的内容102有源电力滤波器结构及谐波电流检测方法102.1 有源电力滤波器的结构及工作原理102.2 谐波电流检测方法123并联型有源电力滤波器主电路参数设计方法143.1 有源电力滤波器容量153.2 主电路直流侧电压（/北的选取153.3 功率器件的选择163.4 主电路直流侧电容的计算183.5 主电路交流侧电感参数计算184有源电力滤波器补偿电流跟踪控制方法214.1 并联型有源电力滤波器的数学模型214.2 APF

2、控制系统基本原理244.3 有源电力滤波器控制策略的实现284. 3. 1 SVPWM算法在APF中的应用284. 3.2无差拍控制法294. 3.3 SVPWM算法的实现304.4并联型有源电力滤波器直流侧电压控制375并联型有源电力滤波器仿真分析395.1 谐波检测算法的验证405.2 交流侧电感对补偿性能的影响415.3 直流侧电压值对补偿性能的影响445.4 鲁棒性分析475.5 动态性能分析486结论51参考文献52翻译部分56英文原文56中文译文73致谢861绪论随着科学技术的发展和社会的进步，电能己经成为人们生产生活和现代社会生产中必不可少的能源。近儿十年来随着电力电子装置在工业

3、生产中的普遍应用，以及非线性负载的容量和数量的增加使得电力系统中的谐波污染越来越严重，然而用户及电力网中的设备对电能质量的要求越来越高。因此,解决日趋严重的谐波污染与电能质量要求越来越高的问题成为当今科技工作者研究的主要问题。有源电力滤波器因有主动的补偿能力且不受系统阻抗特性的影响，在现在的生产中收到普遍的应用。本章从课题研究的背景出发,探讨了谐波治理的研究意义和主要的治理措施，阐述了有源滤波技术的发展概况和国内外研究现状，最后简单介绍了本论文的主要内容。1.1谐波的危害电力系统谐波产牛.根源是非线性负载的使用，致使电流和电压波形发生畸变。非线性负载主要包括：冶金工业中的电弧炉、中频炉与轧钢机

4、，电解铝中用的大功率变流装置，传动与控制领域中用的变频器与电力机车，高压直流输电系统的换流阀以及现实生活中的领域的电脑、电视机与电磁炉等。近儿十年来，随着电力电子技术的发展，大功率开关器件的广泛应用，使得电网电压和电流波形产生了严重的畸变，不是正常的正弦波，电力电子装置给公用电网中注入了大量的高次谐波，严重影响了电气设备的正常运行，因为谐波的产生引起的各种故障和事故不断发生。电力系统谐波的危害引起了人们的高度重视。目前谐波污染对电力系统和接入电力网中的电气设备产生的危害主要表现在以下儿个？(1)谐波的产生增大了负载电流，由于谐波频率高于基波，产生高频的趋肤效应会使导线的等效截面积减小，导致导线

5、过热；(2)谐波会影响电网中用电设备的正常工作。例如，电动机的附加损耗,使其发热，缩短其使用寿命等；(3)谐波会影响通讯设施运行可靠性；(4)谐波会使电气计量出现误差或错误，使保护设备误动作；(5)非平衡谐波会使UPS大功率整流负载的中线电流过大而烧断。(6)谐波损坏无功补偿设备。随着谐波频率的增大，无功补偿电容的阻抗变小而电流增大，可导致电容因发热而损坏。随着对谐波的研究不断深入，电能质量不能仅用频率和电压两个指标来评价，谐波也是评价电能质量的乂一重要指标。为了保障电力系统的正常运行并且保障用户用电设备的正常工作，有效地治理谐波，必将成为当代电力研究领域解决和重点研究对象。1.2 抑制谐波的

6、方式目前所使用的谐波抑制有三种方式：主动治理,从谐波源本身考虑,使谐波源不产生谐波或产生少量的谐波,例如，用脉宽调制(PWM)技术、增加变流装置的脉动数、多重化技术等都能降低谐波；被动治理，就是加入外部滤波器，使滤波器产生的电流与非线性负载产生的高次谐波相抵消，抑制谐波进入电网，或者抑制电力系统中的高次谐波流入负载端，降低谐波对设备的影响；受端治理，即从谐波影响的设备或者电力系统出发，增加它们抵抗谐波干扰的能力，例如，选择合适的供电方式，降低谐波对电网和用电设备的影响；改变接入电网中的电容器组的数量，降低电容器对谐波的放大影响；提高电网中的设备性能从而增加它们抵抗谐波干扰的能力。主动治理的目标

7、主要是提高电力电子设备的功率因数，虽然能消除谐波，但是对大容量的电力系统来说并不能改善整个电网的性能。受端治理只是在负载端进行改进，增强设备抵抗谐波的干扰能力，并没从根本上消除谐波对电网的危害。因此，无源电力滤波器和有源电力滤波器是治理谐波的有效手段，尤其是先进的有源滤波技术对谐波的治理将起到主导作用。APF将成为综合治理电网污染的最有效手段，能有效的改善电能质量。被动治理谐波的方式有以下儿种：(1)采用无源滤波器PFo在电力网和需要补偿的非线性负载即谐波源之间并联按照一定的参数比例构造的含有电抗器和电阻器等无源器件具有滤波效果的的无源滤器。为谐波电流提供低阻抗通路，达到抑制谐波的目的，因为可

8、以同时提供负载所需要的无功功率，因而同时实现了谐波抑制效果和无功功率补偿效果。PF的特点是：成本低、运行维护简单、还可补偿无功功率，但是也存在不足:只对特定次谐波进行滤波，对电网负载中不断变化的谐波次数其滤波效果不理想，不能实现动态补偿；受电网参数影响PF容易与系统发生串联或并联谐振。(2)采用有源滤波器APFo有源电力滤波器的基本原理是通过对电网中的谐波电流与无功电流的检测得出指令信号电流，根据按照指令信号在直流侧主电路产生一个与其大小相等方向相反的补偿电流注入电网，消除了由非线性负载产生的谐波电流与无功电流，同时实现谐波抑制和无功功率补偿的目的。与PF相比，APF的优点：滤波器的性能不受电

9、网参数影响，不会与电力系统发生谐振现象；实时跟踪补偿动态变化的谐波电流和无功功率；可实现连续调节，不会因补偿电流过大而出现过载；对负序电流和无功功率等进行有效的补偿；实现对控制电路的限流保护，系统安全性较高。有源电力滤波器通过电力有源逆变的方式将产生的谐波电流注入电力系统，消除或减少了非线性负载产生的谐波电流。APF是既能实现谐波动态补偿乂能实现无功功率补偿的电力电子装置。有源滤波装置能对幅值大小和频率都不断变化的谐波及变化的无功进行有效补偿，克服了无源滤波治理谐波和补偿无功的缺点。有源电力滤波器是解决谐波和无功功率最有效的方法，提高了整个电力系统的电能质量。它的使用既减少了非线性负载产生的谐

10、波电流，补偿了无功功率，保护电网不受污染，又改善电网的供电质量,使用户正常工作。随着电力电子技术的发展，谐波检测理论的不断完善，控制算法的不断优化，以及数字化技术的不断进步。有源滤波器的应用将会越来越广泛，电力系统的稳定具有深远的意义。1.3 有源滤波器的发展背景波形畸变一直都是研究者在电力领域研究的问题。上世纪20年代，德国研究者由引起的波形畸变的静止汞弧变流装置提出了电力系统谐波的概念。上世纪50年代，伴随着高压直流输电技术的发展，变流装置谐波问题得到进一步的研究，同时期诞生了大量有关谐波问题的论文。我们国家在谐波的研究领域起步较晚。吴竞昌等在1988年出版的电力系统谐波对我国早期关于谐波

11、问题研究起到了重要作用。1998年，王兆安等出版的谐波抑制和无功功率补偿，以及2005年出版的谐波抑制和无功功率补偿(第二版)是到目前为止国内在谐波分析和谐波抑制方面有很重要影响的著作,被研究专家者们广泛的参考和引用。经过最近二三十年对谐波问题的研究，研究者们和电力行业专家对谐波问题的研究做出了巨大的成果，缩短了与国外的差距。近年来，随着我国电力电子技术的迅速发展，实际工业场合中，非线性用电设备的种类、数量增加，导致了电网中的谐波含量增加，给电网和用户的正常运行带来隐患。许多国家和国际组织为此制订了限制用户的用电设备产生谐波的标准。从而使生产电力电子装置的厂家不得不降低其产品产生的谐波。因此，

12、消除或减少电力网中所产生的谐波，提高电力网的运行效率，改善电力网中的电能质量，维护电力系统中的电气设备的安全稳定运行是当代研究的主要目的。1.4 有源滤波技术的研究现状和发展趋势随着有源电力滤波技术的发展和进步，谐波的抑制也开始从无源滤波器向有源电力滤波器转变。上世纪七十年代，H. Sasaki等首次相对全面的提出了有源电力滤波器的基本概念。然而受制于当时制造功率半导体器件的水平有限，制造出的全控型功率器件功率小且频率低，使得APF只局限于实验室的研究，无法得到应用。80年代以后，电力电子技术迅速发展，尤其表现在大功率半导体器件(GTR, GTO, IGBT等)的问世，与此同时谐波电流检测方法

13、理论和电流跟踪控制算法不断成熟，伴随着“瞬时无功理论的提出”，谐波和无功功率的瞬时检测的问题迎刃而解。有源电力滤波器的研制自此从实验室到工业进入实际应用阶段。国外在APF研究领域成果主要表现在：1976年，美国的L.Gyugyi等人首先研制了由PWM控制变流器组成的800KVA有源滤波器，基本确定了主电路的拓扑结构。目前，国外有源电力滤波器发展趋势表现在:装置方面，向提高补偿容量、改善性能、降低损耗、减少研发成本；应用方面，研究优化有源滤波器的配置、电磁兼容及停电和瞬间保打;逐渐提高谐波补偿次数,逐步提高APF单机装置容量，逐步使其应用范围从单纯的补偿电气设备的谐波向提高电网电能质量的方向发展

14、。国外生产APF的公司有ABB、TOSHIBA. SIEMENS等。研究有源电力滤波器主要在电力电子新器件的选用和控制策略上的进行改进。APF的结构多样，可以按照不同的方式进行划分，常见的划分方式有:按变流器直流侧所采用的贮能元件不同，APF可以分类为电压型及电流型两种。电压型有源滤波器的变流器直流侧所采用的贮能元件为电容，它在正常工作时保持电压恒定，其优点是线路损耗较小、经济实用、效率高，可以用于对电网的谐波进行抑制。电流型有源滤波器的变流器直流侧所采用的贮能元件为电感，当电路中的电流通过电感时会产生不小的损耗，使APF效率降低，所以电流型有源滤波器不适用于大容量系统。随着电力电子技术的快速

15、发展，采用电容作为变流器直流侧贮能元件的电压型APF更具现实意义。依照不同的接入电网方式，APF可分类为串联型、并联型及统一有源电力滤波器图1-1有源滤波器系统结构分类1）串联型APF串联型APF与负载串联。谐波电压检测模块检测出电网中存在的谐波电压成分，控制APF以输出与谐波电压大小相同、方向相反的补偿电压,从而补偿系统中存在的谐波电压。串联型APF的主要作用在于对谐波电压进行调节和补偿。但由于串联型APF所需的功率和产生的损耗都比较大，所以目前很少被单独使用。串联型APF又可以分为独立串联型和混合串联型两类，其拓扑结构如图1-2所示：(a)独立串联型APF(b)混合串联型APF图1-2串联型APF拓扑结构2)并联型APF并联型APF与负载并联，主要对负载的谐波电流进行补偿。谐波电流检测模块检测出负载中存在的谐波电流，控制APF以输出与谐波电流大小相同、方向相反的补偿电流，以达到对谐