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1、三相有源滤波器的仿真研究毕业论文目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 绪论11.1选题目的及意义11.1.1电力系统谐波11.1.2谐波的治理策略21.2 有源电力滤波器研究现状及发展趋势31.2.1有源电力滤波器的国内外研究现状31.2.2有源电力滤波器的发展趋势41.3本文所做的工作4第二章 并联型有源电力滤波器62.1 有源电力滤波器62.2有源滤波器的工作原理92.3主电路结构及其相关参数设计102.3.1主电路工作原理102.3.2开关器件的选择122.3.3主电路容量122.3.4开关频率与死区时间122.3.5直流侧储能电容稳定电压132.3.6储能电容C132.
2、3.7交流侧电感L132.4 本章小结13第三章 有源滤波器的谐波电流检测技术153.1常用的谐波电流检测技术153.2基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波电流检测法163.3 PWM控制方式的研究193.3.1 定时瞬时值比较PWM控制方式193.3.2 三角波比较PWM控制方式193.3.3 滞环瞬时值比较方式203.4本章小结21第四章 三相串联型有源电力滤波器的建模与仿真224.1 Matlab/Simulink仿真软件及其工具箱简介224.2系统仿真模型的构建234.3 有源电力滤波器仿真模型设计244.3.1 谐波源建模244.3.2 并联型有源电力滤波器建模244.4 仿真实验及
3、结果分析284.5 本章小结33第五章 总结与展望34II 5.1论文总结345.2下一步工作展望34致 谢35参考文献36IV 第一章 绪论1.1选题目的及意义 随着科学技术与现代化建设的发展,电能在现代社会工业生产和日常生活中成为了不可缺少的重要能源之一。目前,世界各国供电系统几乎都采用正弦供电方式,理想状况下,电网可近似为一个线性时不变系统；但是随着电力电子技术的迅速发展,在现代化生产(特别是冶金、钢铁、化工）交通、楼宇自动化及日常家庭生活中广泛地应用各种电力电子装置,电力系统中的非线性负载比重不断增大,电流和电压波形产生周期性畸变。高度非线性装置数量和额定容量的日趋增大,对电力系统地安
4、全的、经济的运行造成极大的影响,人们对谐波污染的问题越来越重视。因此研究如何有效的抑制谐波,改善电力系统安全性与经济性具有重要现实意义。1.1.1电力系统谐波 谐波被定义为“谐波是一个周期电气量的正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍”。最早在二十世纪二、三十年代电力系统的谐波污染就引起了人们的关注,四十年代中期才出现关于变流器谐波研究的经典文献。到了七十年代,电力系统、工业、交通及家庭生活中广泛应用各种电力电子装置,电力电子设备产生的谐波造成的危害也日趋严重,全世界不少国家己制定了电力系统和用电设备有关谐波和波形畸变的标准。通常在电力系统中波形的畸变主要来源于两大因素:第一是接入电网的电阻、电
5、容、电感元件的非线性特性,比如发电机、变压器等设备;第二是大量使用的电力电子装置,变流器在提高电力装置的性能的同时也造成了波形的畸变。日趋严重的谐波对电力系统的危害概括起来主要有以下几个方面: 1、当高频电流通过导体时,由于集肤效应的影响导体增加了对谐波电流的实际阻感负载,从而降低设备的效率和利用率,且设备过热,此外还加大了发电、输电、供电和用电设备的功率损耗； 2、对电力系统中继电保护和自动控制装置工作的可靠性产生影响。电力系统中继电保护和自动装置大多以基波负序量为基础,谐波会引起发电机负序电流保护装置误动作、变电站主变复合电压过流保护装置的启动电压的负序分量的误行动、总线差动保护负序电压阻
6、断装置故障,对电力系统的安全的危害性较大； 3、电力系统线路上的谐波电流大多为低频、奇次谐波分量,由于磁场耦合,在电力线路附近的线路中对通信系统造成不必要的干扰,影响通信线路的正常工作品质,更严重的情况还会对通信设备和相关人员的安全造成威胁； 4、谐波会使用电设备内的元件过热,影响用电设备的运行效果,例如电视机和计算机的图形出现畸变、画面亮度发生波动变化,计算机信息处理系统发生故障。1.1.2谐波的治理策略 随着现代电力电子技术的迅猛发展,广泛应用电力电子元器件所产生的谐波对电网系统的污染不容忽视。为了响应社会推动节能减排的号召,提倡建设生态环保、技术先进、经济高效的新型绿色电网模式,迫切需要
7、对日益凸显的谐波污染问题进行有效的治理。日前,在电力系统中抑制或减少谐波主要从以下两个方面进行: 1、主动型手段-谐波源装置的结构设计和增加辅助控制策略 目前电力系统中大量使用的可控和不可控整流器,针对此类整流器造成的谐波主要治理手段有以下几种: (l)变压器结构设计 三相整流变压器多采用Y/d或D/y的结构,多用于消除3k次谐波； (2)多相整流技术对于大功率相控整流器大多采用多相整流的方法,这样整流装置注入电力系统的谐波电流成分可以明显减少； (3)脉宽调制PWM(Pulse width Modulation)整流技术 通过改变周期或频率,使直流电压变换为等幅不等宽的交流输出电压；但功率器
8、件大多需要具有自关断功能,提高了成本,从而不适合大功率使用； (4)功率因素校正器(Power Factor Corrector，PFC) 目前市场上大多家电、个人计算机、办公电子设备中大量使用带电容滤波的二极管整流电路,这种电路输入电流中含有大量谐波成分,输出不可控电压；在整流桥和滤波电容之间增加一级校正功率因数的功率变换电路,在预调整器的直流侧通过控制保证网侧电流为正弦电流并与电网电压同相。 2、被动型手段-添加滤波装置主动型谐波治理手段虽然可以有效的限制谐波的产生,但不可能彻底消除谐波,目前谐波治理的有效手段是添加滤波装置。传统方法是使用无源电力滤波器,利用感性负载的谐振特性,可以减小流
9、入电网的谐波电流和完成无功补偿；虽然结构简单、成本低、易维护,但结构原理上的缺点使得它很难满足现代电力系统的要求。随着新型电子半导体器件的出现与脉宽调制技术的发展,人们开始致力于APF的研究。APF与PPF特点比较如表l-l所示:表1-1 无源滤波器与有源滤波器的比较无源滤波器有源滤波器工作原理由LC等被动元件组成，将其设计为某频率下极低阻抗，对相应频率谐波电流进行分流，其行为模式为提供被动式谐波电流旁路通道采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备，通过检测负载谐波电流，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或
10、抵消，主动消除电力谐波谐波处理能力只能滤除固定次数的谐波能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿频率变化的影响谐振点偏移，效果降低不受影响系统阻抗变化的影响受系统阻抗影响严重，存在谐波放大和共振的危险不受影响负载变化对谐波补偿效果的影响补偿效果随负载变化而变化不受影响负载增加的影响可能因为超载而损坏无损坏危险，谐波量大于补偿能力时，仅发生补偿效果不足而已设备造价较低较高应用场合 容量单套无限制容量单套不超过100KVA最高适用电网电压可达3000V最高适用电网电压不超过450V广泛用于电力、油田、钢铁、冶金、煤矿、石化、造船、汽车、新能源等行业电信、医院等用电功率较小且谐波率较高的单
11、位1.2 有源电力滤波器研究现状及发展趋势1.2.1有源电力滤波器的国内外研究现状 近年来随着电力电子技术、控制技术和数字信号处理技术的发展,特别是GTO、IGBT等自关断器件的出现和高性能DPS芯片的应用,电力有源滤波器已经进入实用阶段,日本及欧美国家开始使用电力有源滤波器来补偿电网中的谐波以提高电能的质量。二十世纪八十年代初日本成功研制并投入实际使用世界第一台APF以来,据日本电气学会对APF在日本应用情况的调查,在工业应用中,APF主要用于补偿谐波,其中只补偿谐波的占71.7%。目前,世界上有源电力滤波器的主要研发和生产厂家有日本东芝公司、日本Mitsubishi Electric公司、
12、美国西屋电气公司、德国Siemens公司、瑞士ABB公司等,在投入运行的APF数目、功率范围、应用功能、系统安装容量等方面都有新的突破,APF的研究日趋受到关注。此外,国际一些高校及学术机构也对有源滤波器进行了深入广泛的高水平研究。 我国对谐波问题的研究起步较晚,80年代末期才出现这方面的文献,以1988年吴竟昌等出版了我国有关谐波问题非常经典的著作电力系统谐波为代表；此外国内高校如中南大学、湖南大学、西安交通大学等对有源电力滤波器也开展了深入的研究,并成功研发了许多实验样机；同时我国市场最近也逐渐出现了一些企业自主研发的APF产品,例如:上海宝钢安大电能质量有限公司研发生产的PQFA低压AP
13、F、上海追日电气有限公司生产的JCBL系列、ZRAF系列的、APF装置；此外,国内部分公司代理国外APF产品,如上海伙伴技术咨询公司代理美国Square D公司的Accusine、深圳市龙源电气有限公司代理AetiveSine、SineWave电网有源滤波补偿装置、深圳市科雷特电子有限公司代理诺基亚MaxSine型有源滤波器等。1.2.2有源电力滤波器的发展趋势 随着现代社会对电能质量要求的日益提高,APF作为有效治理电网谐波的手段也得到了日益广泛的应用。目前国内外对APF的研究主要集中在谐波电流检测方法、控制系统、主电路设计等几个方面。虽然己经研制出一些样机与产品投入使用,但对电网电能质量进
14、行补偿的效果还存在缺陷,APF的发展趋势体现在诸如以下几个方面： 1、应该更加深入研究新型的谐波电流检测方法和跟踪控制策略,提高算法的实时性与简洁性； 2、为了降低成木和提高效率,大多采用混合型APF系统来降低装置容量。例如对于大功率滤波装置,可采用APF并联LC滤波器混合使用的APF系统来减小容量,降低成本,提高效率；另外还可在供电系统的供电侧安装称为“统一电能质量调节器”,其功能强大、性价比高,是APF的发展新趋势之一；3、提出新的APF拓扑结构,提高系统补偿性能,简化控制系统结构；4、通过采用PWM调制和提高开关器件等效开关效率的多重化技术,对于容量小于2MVA的APF,通常采用IGBT
15、及PWM技术进行谐波补偿；对于容量大于5MVA的APF,通常采用GTO及多重化技术进行谐波补偿； 5、APF的多功能化,使之不仅可以补偿系统谐波,还可以补偿无功电流;此外,通过在控制电路上采用先进的智能控制技术可抑制电压闪变以及电压不平衡等,使其具有综合补偿的功能; 6、补偿装置的控制系统趋向数字化。采用高速数字信号处理器(DSP)可以实时计算谐波和无功,通过I/0接口和PWM接口直接发送开关控制信号,有效地解决了元件老化和温漂等因素带来的问题,提高了系统的抗干扰能力。1.3本文所做的工作 本文主要以三相三线并联型有源电力滤波器为研究对象,针对其工作特性深入研究谐波检测方法和补偿电流控制方法,主要工作有: 1、介绍非线性负载和换流设备对电力系统的影响和谐波治理的研究现状,了解有源滤波器的现状与发展趋势,分析有源
