畢業(yè)設計（論文）抑制無線電干擾低通濾波器設計

1、第1章 緒論20世紀70年代以來，隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，特別是功率半導體器件和變流技術的發(fā)展，各種電力電子裝置在軍事、工業(yè)、生活及高新技術領域獲得了越來越廣泛的應用，并帶來了一系列的經濟效益，如裝置體積的減小，能量轉換效率的提高，可靠性增加等等。但同時由于這些電力電子器件本身所具有的非線性特性也給電力系統(tǒng)帶來了一系列的問題，其中之一就是電力系統(tǒng)中的諧波問題。電力諧波問題日益嚴重，對電能質量以及電力系統(tǒng)的安全、經濟運行帶來了很大的影響。治理電力系統(tǒng)諧波污染已經成為電力系統(tǒng)所面臨的一個重大課題，受到了越來越多的關注。在此，我們先研究什么是諧波及其危害性，再尋求諧波抑制和無功補償的方法。1.1

2、 諧波的概念及危害性諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數倍，也稱為高次諧波。電網中的實際電流由于有各種諧波源的存在一般并不是標準的與電網同步的正弦電流，而是相位有改變且包含有多種諧波成分，其傅立葉級數展開式為: （1.1）上式中，為直流分量，在交流電網中其值為零，為基波分量，其包含與電網電壓同相位的有功分量和與電網電壓同頻率但不同相位的無功分量兩部分，為諧波成分。以上各種電流分量流過電網回路的阻抗便產生了基波有功功率、無功功率和諧波功率。諧波是由諧波源產生的。所謂諧波源，主要是指電力系統(tǒng)中的各種非線性用電設備。諸如半導體整流器、晶閘管調壓變頻等電力電子裝置、電弧爐、電力機車

3、和家用電器等等。諧波對電力系統(tǒng)電磁環(huán)境的污染日趨嚴重并且會危及系統(tǒng)本身和廣大電力用戶，由諧波引起的各種故障和事故不斷發(fā)生，對國民經濟和生產、生活造成了不必要的損失，因此近二十年來電力諧波的危害和影響己引起世界各國政府和科技界的廣泛關注。 諧波對公用電網和其他系統(tǒng)的危害大致有以下幾個方面1：(1) 產生附加損耗，增加設備的溫升。一般來說，諧波電流與基波電流相比較小，但諧波頻率較高，導線的集膚效應使諧波電阻比基波電阻大的多，因此諧波引起的附加損耗也比較大。在帶鐵芯的電氣設備中，鐵芯的磁滯損耗和渦流損耗也將增大。這些附加損耗除增加電力系統(tǒng)的損耗外，還使設備溫升增加，尤其是局部發(fā)熱點的溫升可能增加更多

4、，使設備絕緣老化加速；(2) 惡化絕緣條件，縮短設備壽命。除附加發(fā)熱影響絕緣壽命外，還因為在較高頻率的電場作用下，絕緣的局部放電加劇，介質損耗顯著增加，致使溫升提高；(3) 引起電機的機械振動。由諧波電流和電機旋轉磁場的相互作用產生的脈動轉矩使電機發(fā)生機械振動，當電機機械系統(tǒng)的自然頻率在受到上述轉矩的激發(fā)而引起共振時，會損壞電機設備，甚至危及人身的安全；(4) 無功補償電容器組引起諧波電流的放大，甚至造成諧振。無功補償電容器與電力系統(tǒng)中的電感構成了局部電感、電容回路，它們的一些組合有時會對某次的諧波電流起到放大的作用，加劇了諧波的危害。當它們構成的局部諧振回路的頻率與系統(tǒng)中存在的某次諧波頻率相

5、同或相近時，就會造成危險的過電流和過電壓；(5) 對繼電保護、自動控制裝置和計算機產生干擾和造成誤動作。這些保護和控制設備通常都是按照工作于所加電壓或電流為工業(yè)頻率和正弦波形而設計的，諧波的存在使它們的正常工作條件受到干擾、工作特性受到改變，嚴重時會造成誤動作或拒動作。對計算機的干擾嚴重時使其無法正常工作；(6) 影響測量儀表的精度，造成電能計量誤差。電力測量儀表一般是按照工頻正弦波形而設計的，當有諧波時將產生誤差；(7) 干擾相鄰通信線路和鐵道信號線路的正常工作。諧波的干擾會引起通信系統(tǒng)的噪聲，降低通話的清晰度。干擾嚴重時會引起信號的丟失，在諧波和基波共同作用下引起電話響鈴，甚至發(fā)生危及設備

6、和人身安全的事故。諧波對電網的危害除造成線路損耗外，更重要的是使電網波形受到污染，供電質量下降，危及各種用電設備的正常運行。諧波電流在電網中的流動會在線路上產生有功功率損耗，它是電網線路損耗的一部分。另外，諧波源在一些頻率上吸收有功功率，另一些頻率上發(fā)出有功功率，而這些諧波有功功率通常都是從電網吸收的基波有功功率轉化而來的，諧波源吸收的諧波有功功率常常對產生諧波裝置本身是有害而無益的，諧波源發(fā)出的諧波有功功率也給接在電網上的其它用電設備帶來危害并增加功率損耗。當然 ，諧波危害的程度將因諧波量的大小以及設備的其它各種條件的不同而不同，但危害是客觀存在的，應予于足夠的重視和有效的管理，將危害限制在

7、盡可能小的范圍內。1.2 諧波抑制和無功補償1.2.1 諧波抑制裝設諧波補償裝置的傳統(tǒng)方法就是采用lc濾波器。這種方法既可濾除諧波，又可補償無功功率，而且結構簡單，一直被廣泛使用。這種方法的主要缺點是補償特性受電網阻抗和運行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導致諧波放大，使lc濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能補償固定頻率的諧波，補償效果也不甚理想。盡管如此，lc濾波器當前仍是補償諧波的最主要手段。目前，諧波抑制的一個重要趨勢是采用有源電力濾波器(active power filter，簡稱apf)。有源電力濾波器也是一種電力電子裝置。其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生個與該諧

8、波電流大小相等而極性相反的補償電流，從而使電網電流只含基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網阻抗的影響，因而受到廣泛的重視，并且已在日本等國獲得廣泛應用。有源電力濾波器的基本思想在六七十年代就已經形成。80年代以來，由于大中功率全控型半導體器件的成熟，脈沖寬度調制(pulse width modulation，簡稱pwm)控制技術的進步,以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流及無功電流瞬時檢測方法的提出，有源電力濾波器才得以迅速發(fā)展。有源電力濾波器的變流電路可分為電壓型和電流型，目前應用的裝置中大部分是電壓型。從與補償對象的連接方式來看，又可分為并聯(lián)型和串聯(lián)

9、型。串聯(lián)型有源電力濾波器是補償諧波電壓，并聯(lián)型有源電力濾波器是補償諧波電流，兩者可以單獨使用，也可以和lc濾波器混合使用。混合型濾波器也是目前實際應用的一個方向4。1.2.2 無功補償無功功率對供電系統(tǒng)和負荷運行都是十分重要的，電力系統(tǒng)網絡元件的阻抗主要是電感性的，因此，粗略地說，為輸送有功功率，就要求送電端和受電端的電壓有一定相位差，這在相當寬的范圍內可以實現(xiàn)；而為了輸送無功功率，則要求兩端電壓有一幅值差，這只能在很窄的范圍內實現(xiàn)。不僅大多數網絡元件消耗無功功率，大多數負載也需要消耗無功功率。網絡元件和負載所需要的無功功率必須從網絡中某個地方獲得。顯然，這些無功功率如果都要由發(fā)電機提供并經過

10、長距離傳送是不合理的、通常也是不可能的。合理的方法應是在需要消耗無功功率的地方產生無功功率，這就是所謂的無功補償1。無功補償的作用主要有以下幾點：(1) 提高供用電系統(tǒng)及負載的功率因數，降低設備容量，減少功率損耗；(2) 穩(wěn)定受電端及電網的電壓，提高供電質量，在長距離輸電線中合適的地點設置動態(tài)無功補償裝置還可以改善輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高輸電能力；(3) 在電氣化鐵道等三相負載不平衡的場合，通過適當的無功補償可以平衡三相的有功及無功負載。早期無功補償裝置的典型代表是同步調相機。同步調相機不僅能補償固定的無功功率，對變化的無功功率也能進行動態(tài)補償。至今在無功補償領域中這種裝置還在使用，而且隨著控制

11、技術的進步，其控制性能還有所改善。但從總體上說這種補償手段已顯陳舊。并聯(lián)電容器的成本較低。把并聯(lián)電容器和同步調相機比較，在調節(jié)效果相近的條件下，前者的費用要節(jié)省得多。因此，電容器的迅速發(fā)展幾乎取代了輸電系統(tǒng)中的同步調相機。但是，和同步調相機相比，電容器只能補償固定的無功功率，在系統(tǒng)中有諧波時，還有可能發(fā)生并聯(lián)諧振，使諧波放大，電容器因此而燒毀的事故也時有發(fā)生。1.3 有源濾波技術在諧波抑制和無功補償方面有很多關鍵性的技術和措施。將有源濾波器應用于諧波治理領域，是該領域的一次技術提升。下面簡單介紹一下有源濾波技術和研究并聯(lián)混合型有源電力濾波器的意義。1.3.1有源濾波技術的發(fā)展 上世紀70年代，

12、日本學者提出了有源電力濾波器的概念。即從補償對象中檢測出諧波電流，利用可控的功率半導體器件向電網注入與原有諧波幅度相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達到實時補償諧波電流的目的。1976年美國西屋電氣公司的l.gyugyi和e.c.strycula提出了利用由大功率晶體管組成的pwm逆變器構成的有源電力濾波器來消除電網諧波的思想。進入80年代以后，隨著大功率可關斷器件gtr、gto和igbt的不斷發(fā)展以及瞬時無功理論的提出為有源電力濾波器的實用化提供了必要的理論與技術條件，使之在工業(yè)上得到日益廣泛的應用。1.3.2有源濾波器與無源濾波器的比較以往諧波治理和無功補償的方法，是采用無源濾

13、波器。其優(yōu)點是經濟、實用和可靠。但無源濾波器也有如下的缺點：(1) 補償特性受電網和負載運行參數的影響，無源濾波器的lc參數的漂移會導致濾波特性的改變；(2) 諧波補償頻帶窄，只能消除特定的幾次諧波，可能與系統(tǒng)發(fā)生諧振，產生諧波的放大；(3) 裝置笨重，體積大，損耗大。而apf與無源濾波器相比，有如下優(yōu)點：(1) 占地小，功耗低；(2) 實現(xiàn)動態(tài)補償，可同時對頻率和幅值都變化的諧波以及變化的無功功率進行動態(tài)補償，對補償對象的變化有極快的響應速度；(3) 補償的效果穩(wěn)定，不受系統(tǒng)運行方式和工況的影響；(4) 不會發(fā)生諧振和諧波放大的現(xiàn)象，且可以有效的抑制由于外電路的諧振而發(fā)生的諧波放大；(5)

14、具有過載判斷能力，補償量可控。當諧波總量超過設定值時，裝置仍可運行，并能正常發(fā)揮作用；(6) 補償無功時不需貯能元件，補償諧波時所需貯能元件容量相對較小。三相apf補償時，從理論上講不需要直流儲能元件，實際中由于諧波造成電源與逆變電路少量能量交換，故需要較小的儲能元件維持逆變電路正常工作；(7) 在諧波問題嚴重，但功率因數較高的場合，適合采用apf，而不適用無源濾波器，否則將引起無功過補，產生無功倒送的問題。理論研究和生產實踐表明，有源電力濾波器是目前用來綜合治理諧波等電能質量問題的一種較為理想的電力電子裝置，是用戶電力技術中一個研究熱點。有源濾波器與無源濾波器結合使用，可以單獨實現(xiàn)或同時實現(xiàn)

15、對諧波的抑制、電壓的穩(wěn)定、無功的動態(tài)補償調節(jié)，而且裝置的初始投資也得以降低，是一種在技術和經濟上均能獲滿意結果的方案。因而對這一問題開展研究，在理論上和現(xiàn)實上都具有十分重要的意義。1.3.3 并聯(lián)混合型有源濾波器的研究意義雖然，有源電力濾波器比以往的無源濾波器濾波效果要好，但是相比無源濾波而言，制造和維護價格都要高，無法實現(xiàn)大面積的推廣。而采用有源和無源濾波器相混合的濾波方式，能夠發(fā)揮二者的所長。既能對電網無功進行有效補償，又能對電網的諧波進行有效的抑制，而且制造和運行費用較合理，適合大范圍的推廣和應用。采用并聯(lián)方式的混合型濾波器，有源濾波器被控制為諧波電流源，受電網以及無源濾波器所產生的諧波

16、的影響小，可以有效的降低有源濾波器的容量，使濾波裝置可以投入到大負荷電網中運行，其研究前景非?？捎^。1.4 本文所做的工作本文對基于tms320lf2407型dsp芯片的并聯(lián)混合型有源電力濾波器進行了分析和研究，論文所做主要工作如下:(1) 介紹了諧波的基本概念、產生和危害，以及諧波抑制和無功補償方面的研究情況，并對有源濾波器和無源濾波器進行了比較；(2) 簡要的介紹了瞬時無功功率以及基于此理論的諧波電流檢測方法；(3) 對并聯(lián)混合型有源濾波器進行了結構和參數設計；(4) 對所設計的并聯(lián)混合型有源濾波器，利用matlab進行仿真，輸出仿真波形。 第2章 基于瞬時無功理論的諧波電流檢測方法對電路

17、中諧波電流實時準確的檢測，是諧波抑制的基礎。采用合適的諧波電流檢測方法是有源電力濾波器研究設計的重要一環(huán)。三相電路瞬時無功功率理論自80年代提出以來，在許多方面得到了成功的應用。該理論突破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎的功率定義，系統(tǒng)地定義了瞬時無功功率、瞬時有功功率等瞬時功率量。本章首先簡單介紹此理論，然后介紹基于此理論的、和、諧波電流檢測方法。2.1 瞬時無功功率理論 三相電路瞬時無功功率理論1是由s.fryze、w.quade和akagi(赤木泰文)等提出的。該理論系統(tǒng)地定義了瞬時無功功率、瞬時有功功率等瞬時功率量，以該理論為基礎，可得出用于有源電力濾波器的諧波和無功電流實時檢測方法。設三相平衡

18、電路各項電壓和電流的瞬時值分別為、和、，為了分析問題方便，把它們變換到-兩相正交的坐標系上，經變換可以得到、兩相瞬時電壓、和、兩相瞬時電流、即： (2.1) (2.2)式中 (2.3)在-平面上，矢量、和、實際上是和在軸和軸的投影，即： (2.4) (2.5)式中，、為矢量、的模，、為矢量、的幅角。根據圖2.1所示的坐標下的電流、電壓矢量圖，引入瞬時有功功率和瞬時無功功率，可得：圖2.1 坐標下電流、電壓矢量圖三相電路瞬時有功電流(瞬時無功電流)為矢量在(的法線)上的投影 (2.6)式中。三相電路瞬時無功功率(瞬時有功功率)為電壓矢量的模與三相電路瞬時無功電流(瞬時有功功率)的乘積： (2.7

19、)經變換可得 (2.8)在上述、的定義基礎上，發(fā)展起來的基于、運算方式的諧波電流檢測法無論在電源電壓是否畸變的情況下，都能準確地檢測出諧波和無功電流9。2.2諧波電流的檢測 2.2.1基于、運算方式的諧波電流檢測 基于、運算方式的諧波電流檢測方法1的矢量圖如圖2.2所示：lpflpf-+圖2.2 坐標系中的電壓、電流矢量圖2.3 、運算方式原理圖圖2.3為、運算方式原理圖。根據定義計算出、，經低通濾波器lpf得、的直流分量、，電網電壓無畸變時，為基波有功電流與電壓作用所產生，為基波無功電流與電壓所產生。由、即可計算出被檢測電流、的基波分量、為： (2.9)將、分別與、相減，即可得出、的諧波分量

20、、，當有源濾波器同時用于補償諧波和無功功率時，就需要同時檢測出被補償對象中的諧波和無功電流。這種情況下，只需要斷開圖2.3計算的通道即可。這時，由即可計算被檢測電流、的基波分量、為： （2.10）由于采用了低通濾波器lpf求取、，故當被檢測電流發(fā)生變化時，需要經一定的延遲。但只檢測無功電流時，則不需要低通濾波器，只需將反變換即可得出無功電流： （2.11）此方法檢測諧波電流的精度受電網電壓影響，需要進一步改進和完善。2.2.2 基于、運算方式的諧波電流檢測 圖2.4是、運算方式原理圖1，由該圖可以看出，、理論中，電源電壓不直接參與運算，代之以與電源電壓同相位的標準正弦信號和與之對應的余弦信號。

21、這樣，電源電壓畸變與否對計算結果不產生影響。具體運算過程如下：pllsin-coslpflpf-+圖2.4 運算方式原理圖圖中的在此方法中，通過一個鎖相環(huán)pll和一個正、余弦發(fā)生電路得到需要用到與相電網電壓同相位的單位正弦信號和余弦信號。按照圖2.4可以算出、，經低通濾波器lpf濾波得出、中的支流成分、，按照下式計算出負載電流的基波分量： (2.12)將、與、的諧波電流、。與、檢測方法相似，當需要同時檢測無功電流時，只需要斷開圖2.4中計算的通道即可。第3章 主電路結構和參數設計混合型有源電力濾波器的種類可以根據無源濾波器和有源濾波器的連接方式不同來劃分。兩種濾波器既可以串聯(lián)也可以并聯(lián)，根據使

22、用的環(huán)境不同，都有各自的特性和優(yōu)點。本章研究的混合型有源電力濾波器，是先將無源濾波器并聯(lián)入網，再將有源濾波器和無源濾波器串聯(lián)，即并聯(lián)混合型有源電力濾波器。本章先介紹該濾波器的主電路結構，再在總體結構的基礎上得出各個元器件的參數。3.1主電路總體結構本章研究了一種并聯(lián)混合型有源電力濾波器的電路結構，這種電路結構下有源濾波器的容量很小，甚至小于補償對象(諧波源負載)容量的1%，這就使得并聯(lián)型有源電力濾波器的應用范圍可擴展到大功率應用場合。這種并聯(lián)混合型濾波器的電路結構如圖3.1所示。系統(tǒng)包括無源濾波器、有源濾波器和控制系統(tǒng)三部分。其中無源濾波器由若干個單調諧支路和高通濾波器組成，圖3.1中設置了5

23、次和7次三相全控整流橋負載（諧波負載），容量為50kva，還設置了5次和7次兩條純調諧濾波器支路和高通濾波器支路。有源濾波器與一個附加小電感l(wèi)a通過耦合變壓器串入無源濾波器中。耦合變壓器可以起到隔離、匹配pwm變流器的電壓與電流容量的作用。諧波抑制和無功補償主要由無源濾波器來完成，而apf的作用是改善無源濾波器的濾波特性和抑制電網與無源濾波器之間可能發(fā)生的諧振。圖3.1 并聯(lián)混合型有源電力濾波器電路圖其中，apf被控制為一個諧波電流源。所以，基波無功電流被強迫流過附加電感l(wèi)a，從而apf中只流過諧波電流。由于無源濾波器被配置為純調諧，apf不承受諧波電壓。又由于la與無源濾波器相比基波阻抗很小

24、，因此它兩端所占基波電壓很小，因此apf承受電壓很小。所以apf的容量可以做到很小。當apf過流或發(fā)生故障時，借助于快速熔斷器，apf可以迅速脫離整個濾波系統(tǒng)，而零偏無源濾波器和頻偏電感l(wèi)a組成的濾波系統(tǒng)還可以正常工作，不至于對電網造成大的沖擊。這一點在工程應用上是非常重要的。因此，這種新型混合濾波器具有很強的實用性。3.2主電路參數設計3.2.1無源濾波器的參數設計在并聯(lián)混合型有源電力濾波系統(tǒng)中，無源濾波器補償電網中的大部分諧波及無功電流，因此它是系統(tǒng)的一個重要組成部分。無源濾波器的設計較有源濾波器而言要簡單，設計時，要考慮是否經濟，是否符合技術指標。除對不同的無源濾波器類型考慮不同的參數外

25、，設計濾波裝置還應考慮2：(1) 單調諧濾波器的諧振頻率會因電容、電感參數的偏差或變化而改變，電網頻率會有一定的波動，這將導致濾波器失諧；(2) 電網阻抗變化會對濾波裝置尤其是其中的單調諧濾波器的濾波效果有較大影響，而更為嚴重的是，電網阻抗與濾波器有發(fā)生并聯(lián)諧振的可能，設計時必須充分予以考慮。根據以上要求，設計濾波裝置的一般步驟如下:(1) 準備設計的原始數據，包括估算系統(tǒng)中諧波源向電力系統(tǒng)注入的各次諧波電流，進行諧波阻抗分析，確定應提供的無功補償容量大小等；(2) 確定濾波裝置的構成；(3) 濾波裝置中各濾波器的初步設計，初步確定各單調諧濾波器、高通濾波器中各元氣件參數、容量等；(4) 濾波

26、裝置的最后確定， 這包括計算濾波器之間的影響，校核濾波裝置是否滿足諧波抑制的要求，對系統(tǒng)進行諧波潮流計算，對不同方案進行經濟分析等。本文所研究的系統(tǒng)，要求的補償容量較小，且諧波負載固定。負載為三相全控橋式整流電路的交流側電流，負載電流中主要含有5次、7次及高次諧波，因而總電路中的無源濾波器主要由5次濾波器，7次濾波器及高通濾波器組成，主要根據所要補償的無功及各次諧波電流大小確定其各個元件的參數。(1) 單調諧濾波器的參數單調諧濾波器中的電容值計算公式為： （3.1）式中p和h分別為電容電感的單位容量成本，為基波相電壓，為次諧波電流，為與電容有關的數。因為n=1/，則電感的計算公式為: （3.2

27、）(2) 高通濾波器的參數本系統(tǒng)中采用二階高通濾波器濾除次以上的諧波電流，其濾波特性由以下兩個參數描述： （3.3） （3.4）式中為截止頻率。在頻率的頻率范圍內，是一個與品質因數有關的參數，一般在之間取值。電阻和電感的計算公式如下： （3.5） （3.6）取截止頻率為9次，計算可得高通濾波器的參數。由上述經驗公式我們可以得出無源部分的參數:5次部分: c=51uf, l=11.9mh7次部分: c=25.1uf, l=14.9mh高通部分: c=27.ouf, l =9.5mh, r =12.9(3) 附加電感l(wèi)a的確定 附加電感l(wèi)a值的選取對整個系統(tǒng)、無源濾波器單獨工作的濾波效果以及apf

28、容量都有重要影響。從系統(tǒng)工作穩(wěn)定性出發(fā)，首先要保證系統(tǒng)無源部分單獨工作時不易與電網發(fā)生諧振。這就要求根據lc濾波支路的參數選取la的值，保證包括附加電感l(wèi)a在內的無源部分有一定的頻偏。其次，在不發(fā)生諧振的情況下無源部分要有較好的濾波效果。另外，從減小apf容量出發(fā)，又要求附加電感l(wèi)a的值盡量要取得小一些來減小其上分得的基波電壓。顯然，上述要求之間是存在矛盾的，在選擇時要根據具體情況和性能指標進行選擇。在穩(wěn)定性和濾波性能指標要求較高的場合下可以適當犧牲apf容量來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和更好的濾波效果。在對濾波指標要求較低而容量較大的場合，當滿足基本濾波要求時，可通過選擇較小的la來減小apf的容量

29、。3.3.2有源濾波器的參數設計(1) 主電路電力電子器件的選擇在實際應用中，為了使有源電力濾波器的補償電流能快速地跟隨指令電流的變化，必須根據實際補償要求選擇開關速度快的器件。同時，要根據有源電力濾波器容量的大小來選取器件的電壓和電流等級。目前有源電力濾波器主電路所采用的電力電子器件多為gto和igbt。對于100kva以上大容量的有源電力濾波器一般采用gto作為其主電路的可控開關器件，但因其工作頻率較低，對較高次諧波的補償效果較差。對于100kva以下中、小容量的有源電力濾波器，一般選用igbt。igbt器件的容量和控制手段等方面具有一定的優(yōu)勢，可用于大容量的有源電力濾波器，但目前較高的價

30、格可能限制其使用范圍。有源電力濾波器主電路器件的電壓是根據主電路直流側電容電壓值并考慮一定的裕量來選取的。器件的電流可根據最大補償電流值并考慮一定的裕量來選取。器件的工作頻率由實際補償對象和具體補償要求來確定。(2) 主電路直流側電壓計算和電容選取有源電力濾波器正常工作時，輸出的補償電流在指令電流兩側呈鋸齒波狀跟隨其變化。由有源電力濾波器的數學模型，對于a相有： （3.7）當(為a相指令電流)，有源電力濾波器a相橋臂的上開關器件應該導通，下開關器件應該關斷。為1/3或2/3時。若取為1/3，則 （3.8）要使實際補償電流更好地跟蹤，此時必須增大，即 （3.9）也就是 （3.10）考慮到最嚴重的

31、情況 （3.11）即主電路直流側電壓值應大于有源電力濾波器與供電系統(tǒng)連接點的相電壓峰值的3倍。在此基礎上直流側電壓越大，補償電流的跟隨性能越好，但器件耐壓要求也越高，因此要綜合考慮.結合開關元件的開關頻率和控制策略，算出直流側的電壓: ，即取直流側電壓為650v，波動值為50v，即當直流側電壓為600v時也能滿足補償要求。有源電力濾波器在實際運行時很難將主電路直流側電壓控制在某一恒定值。直流側電壓波動的根本原因在于補償電流在交流電源和有源電力濾波器之間的能量脈動。如果電容值選擇得過小，主電路直流側電壓波動就會過大，影響有源電力濾波器的補償效果；而如果電容值選擇過大，則主電路直流側電壓動態(tài)響應變

32、慢，電容體積和造價也會增加。考慮到有源電力濾波器在正常工作時直流側電容始終工作在充放電狀態(tài)。假設在某一pwm周期內電容始終處于充電或放電狀態(tài)，直流側電容電壓的最大允許偏離設定值為，則有 （3.12）所以 （3.13）式中為直流側電容值，為pwm脈沖的頻率， 為通過電容的電流最大值在本文構造的系統(tǒng)中，通過計算得出直流側電容容量為1000uf(3) 主電路交流側電抗器的選取有源電力濾波器的補償特性主要取決于輸出補償電流對于補償指令電流的跟蹤控制能力。因此主電路交流側電抗器的取值應保證有源電力濾波器具有跟隨指令電流最大變化率的能力。電抗器最大取值的計算由有源電力濾波器的數學模型，對于a相有 （3.1

33、4）若則有： （3.15）如果有源電力濾波器能跟隨指令電流最大變化率，需要有 （3.16）所以主電路電抗器的最大值為 （3.17）上式中，對于不同的諧波源和不同的補償要求，補償指令電流是不盡相同的，其中最大電流變化率與補償電流的具體表達式形式密切相關。相關資料中給出了計算的經驗公式： （3.18）上式中為基波電流頻率，且 （3.19）其中為補償指令電流有效值。 電抗器最小取值的計算如果電抗器取值過小，則會使補償電流的紋波過大， 從而影響有源電力濾波器的補償效果。因此電抗器的最小取值應主要由主電路開關器件所產生的紋波來決定，電抗器的作用是將其在補償電流上產生的紋波限制在一定范圍內。若有源電力濾波

34、器的實際輸出電流中偏離指令電流的最大允許值為則 （3.20）由式(3.14),(3.15)有 （3.21）那么 （3.22） （3.23）以上各式中為pwm脈沖頻率。在對有源電力濾波器的參數進行計算時，可根據式（3.17)和(3.23)并結合實際情況對交流側電抗器的參數進行選取和調整。有時根據式(3.17)計算出的比根據式(3.23)計算出來的還要小很多，這看起來是矛盾的。但是一般情況下按式(3.17)計算出的最大值是偏小的，而按式(3.23)計算的最小值是偏大的。同時，從有源電力濾波器工作角度來講，保證補償電流跟隨指令電流的變化與限制補償電流紋波本身就是矛盾的。解決辦法是以犧牲限制補償電流中

35、紋波電流為代價，而盡可能首先保證補償電流跟蹤指令電流的變化，如果補償電流中的紋波過大，可另加紋波濾波裝置。在本文構造的系統(tǒng)中，假設要濾除90%的開關頻率諧波電壓，根據上文的公式計算， 則l=27.9mh。主電路各部分的結構參數如表3.1所示。表3.1 總電路結構參數表5次=51uf,=11.9mh7次=25.1uf, =14.9mh高通濾波器=27uf, =9.5mh, =12.9lala=0.1mh平波電容=0.1uf平波電感=27.9mhapf支流側電容1000uf第4章 并聯(lián)型混合濾波器控制系統(tǒng)的設計本章介紹了并聯(lián)混合濾波器的通用網側數學模型和幾種實用的控制策略，如根據電源諧波電流來控制

36、、根據負載諧波電流來控制等等，且在其中選擇了根據負載諧波電壓來控制有源濾波器諧波電壓的方式做為本章的主要控制策略。這種策略的優(yōu)點是能夠自動調整阻抗值順應電網諧波阻抗的變化。控制系統(tǒng)采用基于tms320lf2407(以下簡稱為f2407)芯片的控制系統(tǒng)對并聯(lián)型混合濾波器進行控制。另外，還選用了hl402集成電路對igbt進行隔離保護。有關dsp的設計中，器件的正確選擇非常重要。應按照以下原則8來進行選擇：(1) 數字部分的計算精度(即dsp和單片機的位數)要滿足有源濾波器的要求；(2) 實時性要求，即器件的工作頻率要足夠高、數字部分的計算能力和計算速度要足夠快；(3) 通用性問題，在設計中采用的

37、芯片應該是現(xiàn)今和日后數年內有市場供貨的型號，對今后設計進行改進時避免變化芯片而導致芯片的兼容問題；(4) 成本問題，設計中因為要選用較多的數字芯片，所以存在一個設計成本和有源濾波器的硬件實現(xiàn)問題。有源濾波器的價格比傳統(tǒng)的濾波器要貴幾倍甚至幾百倍，所以在我國有源濾波器一直沒有被人們重視和廣泛推廣。因此在設計有源濾波器時必須認真考慮成本問題，采用性價比高的芯片。4.1 控制策略對于并聯(lián)混合型有源電力濾波器，有一個通用的電氣模型，它的電路圖如圖4.1所示：圖4.1 并聯(lián)混合型有源濾波器的通用網側模型圖中的和在此分別代表網側等效輸出濾波電容和無源濾波器組，、分別為電源諧波電阻、電流和電壓，、為有源濾波

38、器諧波電流和電壓，、為負載諧波電壓和電流。對此通用電氣模型可采用的控制策略有：(1) 根據濾波器支路電流來控制。這種方法實質上等效于控制有源電力濾波器來改善無源支路的諧波阻抗特性；(2) 根據電源諧波電流來控制。這種控制策略相當于在電網上增加了一個可調的諧波阻抗，可以通過控制有源電力濾波器來增大電網諧波阻抗；(3) 根據負載諧波電流來控制，這種控制策略實質上等效于通過控制有源電力濾波器在改善無源濾波器的同時，又增大電網諧波阻抗。(4) 根據負載諧波電壓來控制。本文采用這種控制方式控制有源濾波器，先介紹其推導過程：控制負載諧波電壓，實際上是控制。由圖4.1的數學模型結合基爾霍夫定律，可以得到：

39、（4.1）化簡為： （4.2）由式(4.2)反推等效電路圖4.2如圖所示：圖4.2 采用負載諧波電壓控制方式時系統(tǒng)的等效電路圖此時有源濾波器的控制效果是使得電網的諧波阻抗增大，這種阻抗跟電網阻抗呈線性關系能夠自動跟隨系統(tǒng)阻抗的變化。當控制時，能夠有效抑制電網阻抗波動時對濾波器和負載的影響，同時消除電網諧波電壓的影響。4.2 基于tms320lf2407的檢測控制系統(tǒng)tms320lf2407的主要特點有：(1) 采用高性能靜態(tài)cmos技術，使得供電電壓降為3.3 v，減少了控制器功耗；30mips 的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33ns(30mhz)，從而提高了控制器的實時控制能力，通過采用片內集

40、成外圍設備方案，在結構上含有傳統(tǒng)處理器(mcus)和多種外圍芯片；(2) 有高達32k字的片內flash程序存儲器，高達1.5k字的數據、程序ram,544字雙口ram(daram)和2k字的單口ram(saram)；(3) 兩個事件管理器模塊eva和evb，每個包括：兩個16位通用定時器；8個16位的脈寬調制(pwm)通道。能夠實現(xiàn)：三相反響器控制；pwm的對稱和非對稱波形；可迅速關閉pwm通道;可編程的pwm死區(qū)控制以防止上下橋臂同時輸出觸發(fā)脈沖；三個捕獲單元；片內光電編碼器接口電路；16通道a/d轉換器；(4) 外接1/0端口豐富，可擴展的外部存儲器總共有192k字的空間；(5) 有5個

41、外部中斷(兩個驅動保護、復位和兩個可屏蔽中斷)；(6) 高達40個可單獨編程或復用的通用輸入/輸出引腳(gpio)。以上的性能特點使f24x系列dsp控制性能遠遠超過傳統(tǒng)的16位微控制器和微處理器。同時，f24x器件的16位定點dsp內核為控制系統(tǒng)設計提供了一個不犧牲系統(tǒng)精度和性能的高性能解決方案。tms320lf2407檢測控制子系統(tǒng)主要包括a/d，d/a，a/d調理電路、日歷時鐘、鍵盤顯示等功能單元。下面對部分單元作簡單介紹：tms320lf2407pwm輸出互鍵保護下位機鍵盤顯示a/dd/a串行通訊圖4.3 有源濾波器控制系統(tǒng)的結構框圖4.1.1 a/d功能單元有源濾波器通過實時采集三相

42、電源電壓、電流和負載電流來計算出指令電流，由于采用數字化控制，算法復雜，而又對實時性、快速性和精確性有很高的要求，為了避免電流、電壓采樣時間不一致引起有功或無功測量誤差，選用了ad7859對各相電壓電流同時采樣。4.1.2 d/a功能單元由于控制算法均由軟件構成，各中間變量無法用示波器觀測，而f2407片內沒有d/a，因此選用了ad7841作為系統(tǒng)d/a輸出單元，將中間變量轉變?yōu)槟M信號輸出，便于系統(tǒng)調試和監(jiān)控。4.1.3 a/d信號調理電路為保證在a/d轉換過程中被轉換信號保持不變，必須在a/d自帶多路信號切換技術和采用模擬多路開關方式的同時，在a/d轉換前加入調理電路。圖4.4 a/d信號

43、調理電路 圖4.2為交流電壓、電流信號的調理電路。a/d調理電路中運算放大器為lm258，lm258由兩個獨立的、高增益的、含內在頻率補償的運算放大器，采用雙電源供電。 lm258有正負兩個輸入信號，這樣可以消除共模信號。器件bat54s主要作用是將電壓鉗制在ov-3.3v內，起到保護作用。4.1.4 日歷功能單元本系統(tǒng)采用epson公司推出的日歷時鐘芯片rx8580，該芯片是內含i2c總線接口功能的具有低功耗的多功能時鐘/日歷芯片。4.2隔離驅動電路絕緣柵雙極型場效應管igbt的驅動問題是制約其應用的關鍵技術之一。驅動電路性能不好，常常會造成功率igbt的擊穿和損壞。本文采用hl402a/

44、bigbt驅動集成電路。它具有先降柵壓、后軟關斷的雙重保護功能，其降柵壓延遲時間、降柵壓時間、軟關斷斜率均可通過外接電容器進行整定，因而能適應不同飽和壓降igbt的驅動和保護。hl402是n溝道大功率igbt模塊的驅動電路，能驅動600v/300a和1200v/150a的igbt。由于hl402內含一個具有靜電屏蔽層的高速光耦合器，因而可以實現(xiàn)信號隔離，它抗干擾能力強，響應速度快，隔離電壓高。并具有對被驅動功率igbt進行降柵壓、軟關斷的雙重保護功能。在軟關斷及降柵壓的同時還將輸出報警信號，以實現(xiàn)對封鎖脈沖或分斷主回路的保護。它的輸出驅動電壓幅值很高，其正向驅動電壓可達15-17v，負向驅動電

45、壓可達10-12v。第5章 主電路的軟件仿真5.1 matlab仿真軟件介紹matlab是功能強大的科學及工程計算軟件，它不但具有以矩陣計算為基礎的強大數學計算和分析功能，而且還具有豐富的可視化圖形表現(xiàn)功能和方便的程序設計能力。matlab的應用領域極為廣泛，除數學計算和分析外，還被廣泛地應用于自動控制、系統(tǒng)仿真、數字信號處理、圖形圖象分析、數理統(tǒng)計、人工智能、虛擬現(xiàn)實技術、通信工程、金融系統(tǒng)等領域，因此，matlab是面向21世紀的計算機程序設計及科學計算的軟件。matlab的特點如下：(1) 語言簡潔緊湊，使用方便靈活，庫函數極其豐富。matlab程序書寫形式自由，利用豐富的庫函數避開繁雜

46、的子程序編程任務，壓縮了一切不必要的編程工作。由于庫函數都由本領域的專家編寫，用戶不必擔心函數的可靠性。可以說，用matlab進行科技開發(fā)是站在專家的肩膀上； (2) 運算符豐富。由于matlab是用c語言編寫的，matlab提供了和c語言幾乎一樣多的運算符，靈活使用matlab的運算符將使程序變得極為簡短； (3) matlab既具有結構化的控制語句（如for循環(huán)，while循環(huán)，break語句和if語句），又有面向對象編程的特性； (4) 程序限制不嚴格，程序設計自由度大。例如，在matlab里，用戶無需對矩陣預定義就可使用； (5) 程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各種型號的計

47、算機和操作系統(tǒng)上運行； (6) matlab的圖形功能強大。在fortran和c語言里，繪圖都很不容易，但在 matlab里，數據的可視化非常簡單。matlab還具有較強的編輯圖形界面的能力； (7) matlab的缺點是，它和其他高級程序相比，程序的執(zhí)行速度較慢。由于matlab的程序不用編譯等預處理，也不生成可執(zhí)行文件，程序為解釋執(zhí)行，所以速度較慢； (8) 功能強大的工具箱是matlab的另一特色。matlab包含兩個部分：核心部分和各種可選的工具箱。核心部分中有數百個核心內部函數。其工具箱又分為兩類：功能性工具箱和學科性工具箱。功能性工具箱主要用來擴充其符號計算功能，圖示建模仿真功能，

48、文字處理功能以及與硬件實時交互功能。功能性工具箱用于多種學科。而學科性工具箱是專業(yè)性比較強的，如control toolbox，single processing toolbox，communication toolbox等。這些工具箱都是由該領域內學術水平很高的專家編寫的，所以用戶無需編寫自己學科范圍內的基礎程序，而直接進行高、精、尖的研究； (9) 源程序的開放性。開放性也許是matlab最受人們歡迎的特點。除內部函數以外，所有matlab的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件，用戶可通過對源文件的修改以及加入自己的文件構成新的工具箱。5.2 仿真參數的確定由前章可以知道，無源濾波器由

49、5次和7次兩條純調諧lc濾波器、高通濾波器以及附加電感l(wèi)a組成，其參數如表5.1所示。仿真系統(tǒng)中，設置輸入電壓為220v。諧波電流源為帶阻感負載的單相橋式整流電路。表5.1 無源部分參數5次單調諧濾波器，7次單調諧濾波器，高通濾波器，另外，附加電感l(wèi)a=0.1mh，負載容量為50kva。有源濾波器直流側電容容量為1000uf。5.3 仿真結果利用matlab仿真軟件分別對未投入濾波器、投入了無源濾波器和投入并聯(lián)混合型有源電力濾波器三種情況進行仿真，得到如圖5.2、圖5.3和圖5.4的仿真波形圖。從圖5.2中可以看出電網電流發(fā)生了嚴重的畸變含有很大的諧波成分，其中5次和7次諧波所占比重最大，需要

50、對其進行補償。5.2 未投入濾波器前電網電流的波形圖5.3表明投入無源濾波器后網側電流波形有一定的改善，但是還是存在一定程度的畸變，所以無源電力濾波器起到了一定的濾波作用，但是濾波效果不理想，需要進一步的補償。5.3 投入無源濾波器后的電網電流波形圖5.4表明投入有源濾波器和無源濾波器后網側電流波形得到非常大的改善，已經非常接近正弦波形，并且諧波含量只有3%，達到國家規(guī)定標準。5.4 投入并聯(lián)混合型濾波器后電網電流的波形上述仿真實驗的結果表明由無源濾波器和有源濾波器構成的并聯(lián)混合型濾波器具有優(yōu)良的濾波特性能，在濾波效果上大大優(yōu)于單獨使用的無源濾波器，同時在應用范圍和造價上又優(yōu)于單獨使用的有源濾

51、波器，是一種值得推廣的濾波方式。結 論本文首先介紹了諧波的危害和諧波抑制與無功補償方面的情況。接著通過對無源濾波器和有源濾波器的客觀比較，闡明了混合型濾波器在諧波抑制上的研究意義。最后研究了一種先將無源濾波器并聯(lián)入網再將有源濾波器與無源部分串聯(lián)的混合型濾波器，并對它的電路結構和元件參數作了分析研究和討論。本文的主要工作及結論如下：(1) 研究了并聯(lián)混合型濾波器主電路結構，根據主電路結構和經濟技術指標設計了無源部分和有源部分的參數；(2) 介紹了三相電路瞬時無功功率和基于此理論的諧波電流檢測方法；(3) 完成了混合濾波器硬件控制系統(tǒng)的主體設計。在硬件系統(tǒng)構成的芯片選型、信號調理等方面作了很多工作

52、；(4) 采用了根據負載諧波電壓確定有源濾波器諧波電壓的控制策略；(5) 利用matlab仿真軟件對主電路進行了仿真研究，仿真的結果表明由無源濾波器和有源濾波器混合構成的混合濾波器具有優(yōu)良的濾波性能，在濾波效果上優(yōu)于單獨使用的無源濾波器。基于tms320lf2407的并聯(lián)混合型有源電力濾波器，在結構上是合理的，同時也滿足給定條件下的經濟和技術上的要求。但由于時間上的原因，本文所研究的并聯(lián)混合型有源濾波器系統(tǒng)的部分特性有待進一步提高。致 謝本文是在肖申平教授的親切關懷和悉心指導下完成的，肖教授嚴謹、求實、一絲不茍的治學精神使我受益非淺，對我今后學習工作產生深遠的影響。在此謹向肖教授致以最誠摯的謝

53、意和最崇高的敬意。 在論文的寫作過程中參考了大量的資料，其中很多資料是完成本論文的關鍵性材料，在此，也向這些文章的作者表示深深的謝意，是他們的開拓性工作給了我深入研究的基礎。 在論文撰寫和修改的時候，我也得到了幾位專家教授的親切指導，他們幫我分析了論文存在的一些問題和不足，并且給了一定的參考意見和修改措施。在此，我也向這幾位和藹可親的長輩表示由衷的感謝。最后，也對給我關懷和鼓舞的電氣031班的各位同學致敬，是你們在我漫長的學習道路上給我信心和勇氣。謝謝大家！學生簽名：日 期：參考文獻1王兆安,楊君,劉進軍.諧波抑制和無功功率補償m.北京:機械工業(yè)出版社,1998. 2徐永海，肖湘寧，楊以涵.低成本混合濾波方案及特性分析.中國電機工程學報，1999，19(12):5-8 3李圣清，朱英浩，周有慶，何立志.電網諧波檢測方法的綜述.高壓電技術，2004,10(5):10-134謝運祥，唐中琦.電力有源濾波器及其應用技術的發(fā)展j.電工技術,2004(4):1-3.5劉進軍，劉波，王兆安.基于瞬時無功功率理論的串聯(lián)混合型單相電力濾波器.中國電機工程學報，1997，13(7