并聯(lián)三相三線制有源電力濾波器的仿真與設(shè)計

1、大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文并聯(lián)三相三線制有源電力濾波器的仿真與設(shè)計姓名：潘凱申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：電機與電器指導(dǎo)教師：廖敏夫20090601大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的電力電子裝置被應(yīng)用到各個領(lǐng)域，給電網(wǎng)注入了不可忽視的無功以及諧波電流。本文首先介紹了諧波的概念和諧波的危害，闡述了諧波問題研究的必要性和緊迫性，并對諧波抑制的方法作了簡單的介紹。并在此基礎(chǔ)上，通過對有源濾波器和無源濾波器各自的優(yōu)缺點以及有源濾波器裝置的結(jié)構(gòu)、原理的分析，提出了基于控制器的三相三線制并聯(lián)型有源電力濾波器裝置的設(shè)計方案。并聯(lián)有源電力濾波器主電路設(shè)計是核心環(huán)節(jié)之一。本文在三相三線并

2、聯(lián)型有源電力濾波器數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過對采用空間矢量調(diào)制的有源電力濾波器的工作過程的研究和分析，揭示了主電路各參數(shù)之間的相互關(guān)系。根據(jù)瞬態(tài)電流跟蹤指標(biāo)的要求推導(dǎo)出并聯(lián)輸出電感的估算公式?；趯﹄娏鞲櫿`差矢量的度量，推導(dǎo)出直流側(cè)電容電壓臨界值表達式。詳細(xì)介紹了輸出濾波器參數(shù)的設(shè)計方法。實時、高精度的諧波檢測是有源電力濾波器的重要部分。本文詳細(xì)地介紹了瞬時無功功率理論，選擇檢測負(fù)載電流的方式以提取諧波。提出了用滑窗迭代作為低通濾波的數(shù)字算法，以快速分離負(fù)載電流中的基波分量得到諧波指令。以全數(shù)字控制為重點，對電流環(huán)的數(shù)字控制方式，包括數(shù)字調(diào)節(jié)器的設(shè)計做出了比較詳細(xì)的分析。本文用中的電力系統(tǒng)模塊對

3、有源電力濾波器進行了動態(tài)仿真研究。仿真結(jié)果表明這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有源電力濾波器對電力系統(tǒng)中的諧波抑制具有較好的效果。在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于控制的并聯(lián)型電力有源濾波器，對其控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成進行了詳細(xì)的介紹。研制了實驗樣機，對并聯(lián)型電力有源濾波器進行了初步的實驗研究。關(guān)鍵詞：電力電子；諧波；有源電力濾波器；瞬時無功并聯(lián)三相三線制有源電力濾波器的仿真與設(shè)計，碭，心，伽，江壓，：；大連理工大學(xué)學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明作者鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進行研究工作所取得的成果。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用內(nèi)容和致謝的地方外，本論文不包含其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表的研究成果，也不包含

4、其他已申請學(xué)位或其他用途使用過的成果。與我一同工作的同志對本研究所做的貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。若有不實之處，本人愿意承擔(dān)相關(guān)法律責(zé)任。學(xué)位論文題目：葺鞋幽蘭逸婚啦麟邀墨遂茸作者簽名：盎勃吐日期：啤年月婆日大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文大連理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本人完全了解學(xué)校有關(guān)學(xué)位論文知識產(chǎn)權(quán)的規(guī)定，在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)屬于大連理工大學(xué)，允許論文被查閱和借閱。學(xué)校有權(quán)保留論文并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印、或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。學(xué)位論文題目：作者簽名

5、：導(dǎo)師簽名：大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論本章對與論文工作相關(guān)的背景知識進行了介紹，包括電力系統(tǒng)中的諧波基本概念及其危害【、各種諧波抑制方法【和有源電力濾波器的發(fā)展，表明了有源電力濾波器應(yīng)用的重要性以及本文工作的意義。諧波的基本概念及其危害諧波基本概念在電力系統(tǒng)中，理想的交流電壓和交流電流的波形應(yīng)該是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，正弦電壓波形可以表示為：擾），（秒）式中，一正弦波電壓“（）的有效值；緲一甜（，）的角頻率；秒一“）的初始相位角。（）當(dāng)式（）表示的正弦波電壓加到無源線性元件電阻、電感和電容上時，所產(chǎn)生的電流與電壓的關(guān)系分別為比例、積分和微分關(guān)系，但其波形仍然是與電壓同頻率的正弦波。若正弦波電壓加到非

6、線性負(fù)載上時，由此產(chǎn)生的電流為非正弦波。對于周期為的非正弦波電流砸），可分解為如下形式的傅里葉級數(shù)：、口，。心，一口玎聆緲聆緲礦、厶式中去和）（）去肌）帥）吃去默）翻（硼如果取厶驢。（并聯(lián)三相三線制有源電力濾波器的仿真與設(shè)計則踴純（爭）酮口療（呼。療）（）此時，。式（）可以寫成：式（）中，頻率為廠（）的分量成為基波，頻率為（刀為大于的整數(shù)）的分量稱為諧波，稱為諧波次數(shù)。通常，用諧波的含有率來表示諧波分量的比重。第次諧波電流的含有率定義為：。枷。其中，厶一第次諧波電流的有效值；正一基波電流的有效值。波的總畸變率定義為：，此外，還可以用諧波電流總畸變率來表示諧波電流分量對電流波形的影響。電流諧唧等

7、×上式中如稱為諧波電流含有量，定義為：（）（）諧波的危害近幾十年來，各種電力電子裝置的迅速普及使得公用電網(wǎng)的諧波污染日趨嚴(yán)重，由諧波引起的事故也不斷發(fā)生，諧波危害的嚴(yán)重性引起人們高度關(guān)注。諧波造成的危害可以具體歸納為以下幾個方面：（）諧波電流和諧波電壓使電網(wǎng)供電質(zhì)量惡化，降低了發(fā)電、輸配電和用電設(shè)備的效率，甚至使用電設(shè)備不能正常運行。大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文（）在三相四線制的電路中，大量的零序諧波電流，尤其是三次諧波電流流過中線，會引起中線過熱，有引發(fā)火災(zāi)的危險。異常的、過大的中線電流，會導(dǎo)致電網(wǎng)中線對地線的電壓突增，將危及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的安全。（）在旋轉(zhuǎn)電動機中，諧波除了增加損耗和引

8、起發(fā)熱以外，還會產(chǎn)生機械振動、噪聲和諧波過電壓，這會大大減少電動機的使用壽命。（）諧波電流流入變壓器，會增加變壓器損耗，引起變壓器發(fā)熱，使變壓器的噪聲增大。（）諧波電流流經(jīng)電力電纜，電纜會發(fā)生過熱，容易導(dǎo)致電纜的絕緣老化，甚至產(chǎn)生漏電和短路等危險情況。（）為了補償無功功率和濾除諧波，常常需要并聯(lián)電容器，或者設(shè)置無源濾波器。由于諧波頻率高于工頻頻率，會使系統(tǒng)的感抗增加而容抗減小，有可能產(chǎn)生諧振。諧振放大了諧波電流，使電容器或電感器有被燒毀的危險。（）電力系統(tǒng)中的諧波將會使某些繼電器盒漏電開關(guān)產(chǎn)生誤動作。諧波對電壓表、電流表和功率表以及各種與收費有關(guān)的計量儀器的測量結(jié)果帶來直接影響，給人民生活帶來

9、干擾。（）電力系統(tǒng)中的不平衡音頻諧波分量，耦合到通信線路上，可能在通信系統(tǒng)中產(chǎn)生很大的噪聲，將降低通話的清晰度，甚至引起信號的丟失。諧波的抑制方法及發(fā)展現(xiàn)狀在電力系統(tǒng)中對諧波的抑制就是減少或消除注入系統(tǒng)的諧波電流，以便把諧波電壓控制在限制值以內(nèi)。傳統(tǒng)諧波抑制方法傳統(tǒng)的諧波抑制方法有兩大類，一類是對產(chǎn)生諧波的諧波源裝置本身進行改造的方法，另一類是設(shè)置諧波濾波裝置的方法。對于第一類方法，目前主要有：增加整流相數(shù)；改進拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；采用各種先進智能控制技術(shù)等；限制變流裝置的容量；加入濾波裝置等。盡管這些措施可以有效地減少諧波，但由于一些電力電子裝置的工作機理的非線性所決定，必然要另外產(chǎn)生一定量的諧波。對

10、于第二類方法，目前大量使用的是由交流電抗器、電容器和電阻器適當(dāng)組合而成的所謂“無源電力濾波器（）。這種濾波器和諧波源并聯(lián)或者串聯(lián)，除了起濾波的作用，同時還起到了無功補償?shù)淖饔?。由于“無源濾波器結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、維護方便，在價格成本上也有優(yōu)勢，得到了廣泛的應(yīng)用。并聯(lián)三相三線制有源電力濾波器的仿真與設(shè)計傳統(tǒng)無源濾波方法的不足在實際應(yīng)用中，無源濾波器既存在很多的優(yōu)勢，也存在下面幾個問題：（）只能抑制按設(shè)計要求規(guī)定的諧波成分，在大容量的情況下無源濾波裝置的體積較為龐大，損耗多。（）諧波電流過大時可能造成無源濾波器自身的過載，損壞設(shè)備。（）無源濾波器對電網(wǎng)阻抗和頻率的變化十分敏感，難以保證濾波效果。（

11、）在特定的情況下，有可能與電源阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振而產(chǎn)生“諧波電流放大”現(xiàn)象，從而使無源濾波裝置無法正常工作，嚴(yán)重時會損害無源濾波器。（）可能與電力系統(tǒng)發(fā)生串聯(lián)諧振，造成電壓波形畸變而產(chǎn)生附加的諧波電流流進無源濾波器，影響濾波效果。有源電力濾波技術(shù)及其優(yōu)點由于近些年來電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)外諧波抑制和無功補償問題的研究有了很大的進展。為彌補無源濾波方法的不足，人們將研究方向逐步轉(zhuǎn)向有源濾波方法。有源電力濾波器（）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(chǎn)生與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流，注入其中與諧波電流抵消，從而使電網(wǎng)電流只含基波成分。是一種動態(tài)抑制諧波和補償無功的新型

12、電力電子裝置，它能對頻率和幅值都變化的諧波和無功進行補償，可以彌補無源濾波器的不足，獲得比無源濾波器更好的補償特性，是一種理想的諧波補償裝置。與傳統(tǒng)的無源電力濾波器相比，有源電力濾波器具有以下優(yōu)點：（）實現(xiàn)了動態(tài)補償，有源電力濾波器可對頻率和幅值都變化的諧波進行補償，對補償對象有極快的響應(yīng)。（）可同時對諧波、無功和負(fù)序電流進行補償，也可單獨補償諧波、無功或負(fù)序電流，補償無功的程度可連續(xù)調(diào)節(jié)。（）在實際應(yīng)用中，有源電力濾波器的貯能元件容量很小。（）即使需要補償?shù)碾娏鞒^其額定值，也不會發(fā)生過載情況，并能在其額定容量內(nèi)繼續(xù)正常工作。（）受電網(wǎng)阻抗的影響較小，不易與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振。（）能跟蹤諧波頻

13、率的變化，補償性能不受諧波頻率的影響。大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文有源電力濾波器的起源、發(fā)展及現(xiàn)狀有源電力濾波器的起源和發(fā)展有源電力濾波器的基本思想形成于二十世紀(jì)六十年代末，日本學(xué)者（赤本泰文等人首先完整地提出了具有功率處理能力的有源電力濾波器的概念【】，這是此后各種有源電力濾波器的原始雛形。年，等人提出了用大功率晶體管逆變器結(jié)構(gòu)的有源濾波方案【，當(dāng)時受到器件性能和控制技術(shù)的限制，一直處在實驗室研究階段，未能在工業(yè)中得到應(yīng)用。二十世紀(jì)八十年代以來，由于大、中功率全控型半導(dǎo)體器件的發(fā)展日趨成熟，脈沖寬度調(diào)制（）控制以及各種智能控制技術(shù)的進步，使有源電力濾波器得以迅速發(fā)展。年，等人又提出了“瞬時無功功

14、率理論，【，解決了諧波和無功功率的瞬時檢測問題，對諧波抑制和無功補償裝置的研究和開發(fā)起到了很大的推動作用，使得七十年代提出的有源電力濾波器走出了實驗室，進入了實際應(yīng)用階段。此后該理論不斷地被完善，也使有源電力濾波器的研究和應(yīng)用取得了很大的進展。年，提出了用并聯(lián)型有源電力濾波器消除諧波【】。有源電力濾波器在這種裝置中相當(dāng)于一個諧波電流發(fā)生器，它的主電路與負(fù)載并聯(lián)接入電網(wǎng)，跟蹤負(fù)載電流中的諧波分量，產(chǎn)生與之相反的諧波電流，從而抵消線路中的諧波電流，使電源電流成為正弦波。由于諧波電流一般由非線性負(fù)載所注入，這種有源電力濾波器主要裝設(shè)在負(fù)載端。并聯(lián)有源電力濾波器由于具有功能多樣，連接方便等優(yōu)點，所以它

15、已經(jīng)成為應(yīng)用最多的有源電力濾波器，在日本等國家得到了廣泛應(yīng)用。與并聯(lián)型有源電力濾波器對應(yīng)的是串聯(lián)型有源電力濾波器。它通過補償變壓器被串聯(lián)在電源和負(fù)載之間，以消除諧波電壓、平衡負(fù)載端電壓。它也可以用來消除負(fù)序電壓和調(diào)整三相系統(tǒng)電壓。而且它主要用于補償可以看作電壓源的諧波源。針對電壓源諧波源，串聯(lián)型有源電力濾波器輸出補償電壓，抵消由負(fù)載產(chǎn)生的諧波電壓，使供電點電壓波形成為正弦波。年，等人提出了串聯(lián)有源電力濾波器加并聯(lián)無源濾波器的結(jié)構(gòu)【，在這種方案中，有源電力濾波器對諧波呈現(xiàn)高阻抗，而對基波電流呈現(xiàn)低阻抗。因此有源電力濾波器相當(dāng)于一個電源和負(fù)載之間的諧波隔離裝置，電網(wǎng)的諧波電壓不會加在負(fù)載和無源濾波

16、器上，而負(fù)載的諧波電流也不會流入電網(wǎng)。年，日本的等人提出了將有源電力濾波器與無源濾波器相串聯(lián)的混合有源濾波方案【】，其中有源電力濾波器為電流控制電壓源，產(chǎn)生與電源電流中諧波分量并聯(lián)三相三線制有源電力濾波器的仿真與設(shè)計成比例的電壓，實際上該方案可以等效為的方案。由于注入變壓器聯(lián)結(jié)在型聯(lián)接的無源濾波器的中性點，保護和隔離方便，因此更適合于高壓系統(tǒng)應(yīng)用。有源電力濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀近些年來，有源電力濾波技術(shù)成為研究熱點，大容量、運行可靠的有源電力濾波器已經(jīng)在日、美等國家投入工業(yè)應(yīng)用。有源電力濾波技術(shù)在抑制諧波、補償無功功率方面已經(jīng)比較成熟。在結(jié)構(gòu)組成、控制策略和硬件裝置等各個方面都有了很大的發(fā)展。在結(jié)構(gòu)

17、組成方面，針對單相，三相三線，三相四線系統(tǒng)以及電壓補償和電流補償?shù)男枰?，并?lián)、串聯(lián)或者與無源濾波器混合的有源電力濾波器都有了較大的發(fā)展。并聯(lián)型有源電力濾波器對于諧波抑制、無功功率補償和中性線電流補償都具有很好的效果。在硬件裝置方面，隨著快速自換向器件的出現(xiàn)和發(fā)展，推動著有源電力濾波技術(shù)很快的進步。在使用的開關(guān)管方面，起初是晶閘管，大功率雙極型晶體管（）和功率場效應(yīng)晶體管，隨后是靜電感應(yīng)晶體管（）和可關(guān)斷晶閘管（）。隨著絕緣柵雙極晶體管（）的成熟，有源電力濾波技術(shù)得到了極大的推廣。如今，在小容量有源電力濾波器方面，元器件的理想選擇是絕緣柵雙極晶體管（），大容量則選擇可關(guān)斷晶閘管（）。同時，傳感器

18、的發(fā)展也為有源電力濾波技術(shù)發(fā)展做出了很大貢獻，低價位、大容量、高精度的霍爾傳感器大大改進了有源電力濾波器的性能。另外，微處理器、微控制器以及數(shù)字信號處理器（）的使用，使有源電力濾波器能夠在線實現(xiàn)大量、復(fù)雜的算法，保證了有源電力濾波器的快速、實時的補償性能以及良好的穩(wěn)態(tài)特性。檢測、控制電路是有源電力濾波器的關(guān)鍵部分，它完成對電網(wǎng)負(fù)載中的諧波電壓和電流進行實時檢測，得到相應(yīng)的補償控制指令，以控制逆變器產(chǎn)生相應(yīng)的補償電壓或電流。因此，如何快速、準(zhǔn)確地把供電系統(tǒng)中諧波電壓、諧波電流及無功成分檢測出來，進行實時的動態(tài)補償將是實現(xiàn)有源電力濾波器的關(guān)鍵問題。產(chǎn)生補償指令的控制算法可分為頻域法和時域法兩種，在

19、頻域法中主要是傅里葉分析法，其缺點是要求電力有源電力濾波器開關(guān)頻率為所補償諧波最高頻率的兩倍以上，而且計算復(fù)雜，響應(yīng)慢，實時性不好。時域法中有很多種方法，典型且實用的是瞬時無功功率理論方法。除了以上方法外，近年來，也出現(xiàn)了很多智能實時檢測諧波和無功電流的方法，但從文獻資料和實際應(yīng)用看，基于瞬時無功功率理論的檢測方法是占主流地位、應(yīng)用廣泛的檢測方法。本課題也是采用基于這一理論的檢測方法。大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文國內(nèi)在有源電力濾波器方面的研究起步較晚，直到九十年代初期才見到這方面的文獻和試驗性的工業(yè)應(yīng)用實驗。進入二十一世紀(jì)以來，研究有源電力濾波器的國內(nèi)學(xué)者和科研單位逐漸增多，在結(jié)構(gòu)組成、檢測方法和

20、控制方式等方面都有了較大的進步。但國內(nèi)的相關(guān)研究多以理論研究和實驗為主，工業(yè)應(yīng)用較少，與國外相比仍有較大差距。本文的研究內(nèi)容本文主要針對三相電網(wǎng)的諧波補償，采用了并聯(lián)型有源電力濾波器的補償方案，重點研究了三相三線制并聯(lián)型有源電力濾波器裝置的主電路和控制電路。基于諧波補償實時性和準(zhǔn)確性的要求，對主電路參數(shù)如容量、直流側(cè)電容值、電壓值、交流側(cè)電抗值等的設(shè)計進行了分析和設(shè)計；簡單介紹了瞬時無功理論的概念，在三相三線制并聯(lián)有源電力濾波器數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的電流環(huán)和電壓環(huán)進行了穩(wěn)態(tài)分析。并用上敘設(shè)計參數(shù)對主電路進行在中的仿真驗證，證明了方案的可行性，最后搭建了主電路的實驗平臺。，并聯(lián)三相三線制有源

21、電力濾波器的仿真與設(shè)計三相三線制并聯(lián)型有源電力濾波器有源電力濾波器發(fā)展至今，為適應(yīng)用戶對補償性能的要求以及不斷出現(xiàn)的應(yīng)用場合，其結(jié)構(gòu)形式不斷地得到改進。有源電力濾波器的分類根據(jù)電源性質(zhì)分類按電源性質(zhì)可分為交流有源電力濾波器、直流有源電力濾波器。交流用有源電力濾波器應(yīng)用較廣泛，已應(yīng)用于不同頻率、不同相數(shù)、不同線制的交流輸電及用電系統(tǒng)中。相比而言，直流用有源電力濾波器的應(yīng)用則較少，其研究及應(yīng)用正在不斷開展中。直流用有源電力濾波器的典型應(yīng)用是在直流輸電系統(tǒng)中濾除直流輸出諧波和高精度輸出直流電源。根據(jù)直流側(cè)儲能元件的分類有源電力濾波器工作時為了與交流側(cè)交換能量達到補償諧波的效果，其直流側(cè)必須有儲能元件

22、。直流側(cè)儲能元件一般為電感或者電容。電感儲能型有源電力濾波器也被稱為電流源型有源電力濾波器（），電容儲能型有源電力濾波器也被稱為電壓源型有源電力濾波器（）。電流源型有源電力濾波器其結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定，但損耗較大不適用于大功率場合而且無法級聯(lián)且單臺的容量不大，所以應(yīng)用較少。電壓源型有源電力濾波器，直流側(cè)并聯(lián)電容逆變橋損耗較小，由于是電壓源的形式，所以容易實現(xiàn)并聯(lián)從而可降低單臺的容量。電壓源形式的技術(shù)較成熟，目前使用較多。根據(jù)接入電網(wǎng)的方式不同分類。有源電力濾波器按其接入電網(wǎng)的方式不同，大致可分為并聯(lián)型（）、串聯(lián)型（）兩大類及統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器三類。有源電力濾波器總的分類如圖所示。大連理工大學(xué)碩士

23、學(xué)位論文有源電力濾波器并聯(lián)型串聯(lián)型掣甲蚓圈匿圖引圈圈一三相三線制并聯(lián)型有源電力濾波器并聯(lián)型有源電力濾波器（）是最基本，也是目前應(yīng)用最廣泛的一種。三相三線制并聯(lián)型有源電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成圖所示為三相三線并聯(lián)型系統(tǒng)模型。并聯(lián)型通過產(chǎn)生與負(fù)載電流中的諧波和無功分量大小相等相位相反的補償電流注入電網(wǎng)，使網(wǎng)側(cè)電流成為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，從而達到凈化電網(wǎng)的目的。因此，并聯(lián)型實質(zhì)為一個由逆變器構(gòu)成的諧波電流源（包括基波無功），不僅能提供負(fù)載所需的諧波電流，而且能提供負(fù)載所需的無功電流。這種類型的主要用于補償可看作電流源的諧波源，如直流側(cè)為感性負(fù)載的整流電路。圖三相三線制并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)模型并聯(lián)三相三線制有源

24、電力濾波器的仿真與設(shè)計三相三線制并聯(lián)型有源電力濾波器的工作原理含有諧波的負(fù)載電流可以用傅立葉級數(shù)展開表示為：（）皿（島）薹皿（皖）（）（）如（）式中，一負(fù)載電流瞬時值；厶一諧波電流瞬時值；一基波電流瞬時值。只進行諧波補償時，通過電流采樣元件得到的負(fù)載電流經(jīng)過計算得到諧波電流，將其作為指令電流，通過控制電路控制逆變器向電網(wǎng)注入補償電流且使得厶，便可以補償負(fù)載的高次諧波電流使得電源電流正弦化，大大提高電源的功率因數(shù)。主電路參數(shù)的設(shè)計在有源電力濾波器的整個系統(tǒng)模型中，直流側(cè)電壓、直流側(cè)電容、交流側(cè)輸出平波電抗器三以及輸出濾波器的特性對濾波的效果有著很大的影響。主電路容量也是不可忽略的問題，它關(guān)系到有

25、源電力濾波器的制造價格，硬件等級等一系列問題。主電路的容量對并聯(lián)型有源電力濾波器來說，主電路的容量為：“。屯（）式中，甜。一交流輸入的相電壓；一并聯(lián)型有源電力濾波器提供的補償電流。直流側(cè)電壓的計算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(cè)呈鋸齒波狀跟隨其變化。對相補償電流分析，忽略線路電阻的作用，有：譬：導(dǎo)（一（珂）衍三、”、“（）式中，（，）一開關(guān)函數(shù)，取寺或者詈。）（大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文阜表示并聯(lián)型有源電力濾波器輸出補償電流的變化率，它要大于或者等于負(fù)載電流的變化率，并聯(lián)型有源電力濾波器輸出補償電流才能實時跟蹤負(fù)載電流的變化，所以阜為衡量并聯(lián)型有源電力濾波器性能的重要指標(biāo)。

26、講假定當(dāng)乙乞（乞為相補償電流的指令值），有源電力濾波器相橋臂的上開關(guān)器件應(yīng)該關(guān)斷，下開關(guān)器件應(yīng)該導(dǎo)通。若?。ǎ?#247;，則：冬：尋（一一出、”）要使實際補償電流乙更好的跟蹤乙，此時乙必須減小，即：盟（）班將式（）代入式（），可得：（）考慮到最嚴(yán)重的情況，即令：（）即主電路直流側(cè)電壓值應(yīng)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倍。在此基礎(chǔ)上直流側(cè)電壓越大，補償電流的跟隨性能越好，但開關(guān)器件耐壓要求也越高，因此要綜合考慮。本文在三相供電系統(tǒng)下，結(jié)合開關(guān)元件的開關(guān)頻率和控制策略，取。直流側(cè)電容值的計算有源電力濾波器在實際運行時很難將主電路直流側(cè)電壓控制在某一恒定值。直流側(cè)電壓波動的根本原

27、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(cè)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(cè)電壓動態(tài)響應(yīng)變慢，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(cè)電容始終工作在充放電的狀態(tài)，設(shè)某一周期內(nèi)，直流側(cè)電容電壓的最大允許偏離設(shè)定值為一，則有：一瓦么）式中，脈沖的頻率；并聯(lián)三相三線制有源電力濾波器的仿真與設(shè)計么一一流過電容的電流最大值。所以，可以算得直流側(cè)電容值：瓦交流電抗器的選取如一。（本文構(gòu)造的系統(tǒng)中，通過計算得出直流側(cè)電容容量為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

28、跟蹤控制能力。因此主電路交流側(cè)電抗器的取值應(yīng)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若設(shè)相電源電壓為：則由式（）可得：（）蚓曲鼉一知剮一所以，主電路電抗器的最大值為：汜（鞏一曇）瞰（）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乙是不盡相同的，其中最大電流變化率譬一與補償電流的具體形式密切相關(guān)。也可粗略的用以下經(jīng)驗公式計算。剖（眥）。一式中，為基波電流頻率，且當(dāng)補償電流只補償諧波時：（）一乞當(dāng)補償電流補償諧波以及無功申流時：（）大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文一乞（）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

29、的補償效果。因此電抗器的最小取值應(yīng)主要由主電路開關(guān)器件所產(chǎn)生的紋波來決定，電抗器的作用是將其在補償電流上產(chǎn)生的紋波限制在一定范圍內(nèi)。若有源電力濾波器的實際輸出電流中偏離指令電流的最大允許值為之一則：盟：功一（）由式（）以及式（）可得：（）蚓一號那么。汜之一三÷電抗器的最小取值為：（）厶血囂，詈在對有源電力濾波器的參數(shù)進行計算時，可根據(jù)式（）和（）并結(jié)合實際情況對交流側(cè)電抗器的參數(shù)進行選取和調(diào)整。但是，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

30、果補償電流中的紋波過大，可另加紋波濾波裝置。本文構(gòu)造的系統(tǒng)中，根據(jù)上述公式的計算以及實驗的情況，取平波電抗器的值為。輸出濾波器的設(shè)計主電路的電力半導(dǎo)體器件在通斷過程中會在其工作頻率附近產(chǎn)生一些次數(shù)高的諧波，為了防止諧波對電網(wǎng)造成新的污染，必須采用輸出濾波器（），以濾除逆變器的開關(guān)分量。輸出濾波器對逆變器輸出的補償諧波的幅值同樣有著很大的影響。如果設(shè)計不當(dāng)，一方面會使高頻開關(guān)諧波注入公用電網(wǎng)和用戶受電端，影響到控制、通訊設(shè)備以及精密儀器等的正常工作，另一方面可能會降低逆變器在補償諧波頻率段的工作效率，從而影響的補償能力。并聯(lián)三相三線制有源電力濾波器的仿真與設(shè)計本系統(tǒng)針對三相三線制并聯(lián)型有源電力濾

31、波器工作中產(chǎn)生的開關(guān)頻率附近的高次諧波，設(shè)計一種高通濾波器并聯(lián)在系統(tǒng)的負(fù)載側(cè)，將有源濾波和無源濾波結(jié)合起來，使得有源電力濾波器工作中產(chǎn)生的高次諧波電流大部分流入高通濾波器，從而達到消除系統(tǒng)中高次諧波的目的，提高系統(tǒng)電壓質(zhì)量。如圖，高通濾波器主要分為四種結(jié)構(gòu)：一階減幅型濾波器、二階高通濾波器、三階高通濾波器和型阻尼濾波器，它們各有優(yōu)缺點：一階減幅型濾波器電容很大，基波損耗也很大，一般很少采用；二階高通濾波器濾波性能最好，但基波損耗高于三階高通濾波器；三階高通濾波器與二階高通濾波器相比，只多了一個電容，提高了基波阻抗，減小了基波功率損耗；型阻尼濾波器性能介于二階高通濾波器和三階高通濾波器之間，基波

32、損耗小，但是對基波頻率的失諧和元件參數(shù)的漂移比較敏感。工工工，一階減幅型二階高通濾波器濾波器工工學(xué)三階高通濾波器螄型阻尼濾波器圖高通濾波器原理圖各種高通濾波器中，以二階高通濾波器應(yīng)用最為廣泛，本文以二階為例，設(shè)計一個輸出高通濾波器，用來吸收有源電力濾波器工作中產(chǎn)生的開關(guān)頻率附近的高次諧波。（）確定截止頻率五本有源電力濾波器系統(tǒng)中，主要補償?shù)闹C波分量為、等奇次諧波，設(shè)要補償?shù)淖畲蟠螖?shù)的諧波分量的頻率為，開關(guān)頻率為，則截止頻率選擇的范圍應(yīng)為：五（）當(dāng)截止頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電網(wǎng)基波頻率時，黼，在廠的頻率范圍內(nèi)，二階高通濾波器可以等效為濾波器，截止頻率為：瓦菘大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文（）濾波電容的選擇為了減

33、小投資，應(yīng)選取最小的電容量的電容器：嘉式中，劬一電網(wǎng)電壓的基波角頻率；一無畸變電網(wǎng)電壓電壓值；臻一高通濾波器濾除的電流的次數(shù)；（吩）一濾除高次諧波的無功電流。（）電阻的計算確定了截止頻率和電容值之后，可根據(jù)式（）算得電阻值：（）：上萬（）電感的計算電感可按下式計算：三（）（）式中，志稱為濾波器調(diào)諧曲線的形狀系數(shù)，它是一個與濾波器調(diào)諧銳度有關(guān)的參數(shù)。一般情況下，高通濾波器相應(yīng)的值取之間。本系統(tǒng)中，取，此時品質(zhì)因數(shù)最大，具有較好的濾波性能，截止頻率取，考慮一定的裕度，取電容器，則可以算的，蘆日。本章小結(jié)本章從接入電源性質(zhì)、直流側(cè)儲能元件種類、接入電網(wǎng)方式等方面著手對有源電力濾波器進行了分類，簡要分

34、析了各種有源電力濾波器的特點【，并闡述了目前使用較廣泛的三相三線制并聯(lián)型有源電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理，最后，對三相三線制并聯(lián)型有源電力濾波器的主電路參數(shù)，主要是容量、直流側(cè)電容值、直流側(cè)電壓值、交流輸出側(cè)平波電抗器值以及輸出濾波器的計算進行了分析。并聯(lián)三相三線制有源電力濾波器的仿真與設(shè)計瞬時無功理論以及諧波檢測方法諧波電流檢測是有源電力濾波器的關(guān)鍵性技術(shù)之一，只有準(zhǔn)確地檢測出負(fù)載電流中的諧波分量才能較好地實施補償，從而使得電源電流正弦化，提高功率因數(shù)。功率理論則是諧波和無功電流檢測的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的功率理論對于電壓、電流為正弦的電路。設(shè)電壓、電流的瞬時值分別為：（口）（）式中，一正弦電壓的有

35、效值；，一正弦電流的有效值。則瞬時功率為：（）（）（）有功功率為瞬時功率在一個周期內(nèi)的平均值：一專叩。矽式中，伊一電流滯后電壓的相角，伊。矽可以表示為：（）定義電源與電路元件的磁場（電場）周期性變換功率的最大值為無功功率，則（）通常規(guī)定感性無功功率為正，容性無功功率為負(fù)。視在功率及功率因數(shù)分別（）緲（）當(dāng)電壓、電流為非正弦波時，電路的有功功率等于瞬時功率的平均值，考慮到三角函數(shù)的正交性可得：尸專甜純式中，純一第，次諧波電流滯后第甩次諧波電壓的相角。（）大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文因此，可以得知只有同頻率的電壓和電流才可能產(chǎn)生有功功率，頻率不同的電壓、電流之間不能產(chǎn)生有功功率，而總的有功功率等于基波

36、和各次諧波有功功率之和。同樣，可以仿照有功功率的算式，定義無功功率為：以厶口（）由上述傳統(tǒng)的功率理論可以看出，傳統(tǒng)的無功功率理論的概念是建立在平均值的基礎(chǔ)之上的，需要對電壓和電流采樣至少一個周期才能得出無功功率，所以采用傳統(tǒng)的無功功率理論難以對無功功率和無功電流進行瞬時檢測。三相瞬時無功理論及諧波檢測斷地得到發(fā)展。赤目泰文提出的三相瞬時無功功率理論也稱作理論【。設(shè)三相三線制電路其各相電壓、電流的瞬時值分別為乞、巳和、之。把三相電壓及電流分別變換到兩相正交的口一坐標(biāo)系。融圈肛豳廳一一！。詈（）笪一笪三相電壓乞、職三相電流、之變換至坐標(biāo)系下后，及屯、在口平面上合成旋轉(zhuǎn)電壓矢量、如圖所示。圖中，將氣

37、、以哆（）并聯(lián)三相三線制有源電力濾波器的仿真與設(shè)計在口一坐標(biāo)系下將旋轉(zhuǎn)電流矢量分解為石、云分量，其中分量與旋轉(zhuǎn)電壓矢量；同方向而分量與旋轉(zhuǎn)電壓矢量；垂直且落后；的角度為。有功電流及無功電流分量的標(biāo)量值分別為：緲毛式中，伊依一仍，為坐標(biāo)變換后旋轉(zhuǎn)矢量落后于旋轉(zhuǎn)矢量的角度。（）（）圖口一坐標(biāo)系下電流電壓矢量圖儀一仿照在向量意義上的有功功率尸和無功功率的定義，分別定義瞬時有功功率和瞬時無功功率為：即進一步可以表示為：口，基于三相瞬時無功功率的法（）（）（）（）設(shè)三相電路電壓及電流分別為：大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文丘（）：乜（一孚巳：乜（國卜與厶（一緲）一了一緲）（）之塒（掰一等一力式中，一相電壓的最大

38、值；一相電流的最大值。將三相坐標(biāo)系下的電壓電流量分別變換至口一坐標(biāo)系下可得：盼摩點：，阡摩焉分量。將兩式代入式（）以及式（）可得兩相口一夕坐標(biāo)系下的有功分量和無功夕三矽互率為直流量。，緲（）（）可見當(dāng)電壓平衡且為正弦，同時電流也為平衡正弦時，瞬時有功功率和瞬時無功功基于上述理論的諧波電流檢測方法稱為法。該方法根據(jù)三相瞬時無功功率理論計算出有功功率和無功功率，經(jīng)低通濾波器得到其中的直流分量、，再經(jīng)反變換后得到三相電流中的基波分量。此方法只能夠在電壓平衡無畸變的情況下使用，具有很大的局限性。并聯(lián)三相三線制有源電力濾波器的仿真與設(shè)計基于三相瞬時無功功率的。一法對基于三相瞬時無功功率理論的諧波電流檢測

39、法進行改進可以得到口法。它并不需要檢測三相電網(wǎng)電壓，因而能在電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變時也能準(zhǔn)確地測出高次諧波電流。在三相電源電壓正弦、對稱時，可以得到：；乏乞緲吁一耐屯將式（）以及式（）代入上式可得：，乏研一耐屯再將式（）代入上式，可得：，咖耐一一兮曼研研，壓恬一刪三莉鞫剮考慮三相電流為非正弦的情況，將三相電流進行傅立葉分解，可得：乞（）（）毛喜（。）一戧，七，”喜證一力一吼將式（）代入式（）司得：嘲融擁瞄（揖：）咖剛表達式中不含，次分量。式中當(dāng)：，時取負(fù)號，當(dāng)，時取正號。對于三相三線制系統(tǒng)當(dāng)后時，、成分反映了、中的基波分量，定義為。、。當(dāng)七時，礦乇成分對應(yīng)了其中的諧波分量，定義為鋤、。從而、的表達式

40、可寫為：大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文乏：十乏（，其中時畫。嘲，時虞口髏；麓二繃，由上式可知三相電流。毛、經(jīng)變換后，對應(yīng)于基波分量的。、變?yōu)橹绷鞣至?，。一藝法的原理圖如圖所示：上函“【圖一乇法檢測諧波電流框圖唾塹一垂一圖中變換陣為：一三一一研一，研一吣口研魚一笪（）口研（）壓慪啪咧（力（）一（）出其中的直流分量、。對應(yīng)于高次諧波分量的鋤、（七，）經(jīng)變換后為次的諧波分量之和。要獲取變換后電流的基波分量，只需采用低通濾波器從變換后的電流、中濾并聯(lián)三相三線制有源電力濾波器的仿真與設(shè)計該方法采用鎖相環(huán)電路獲得與相電壓同相位的正弦信號和對應(yīng)的余弦信號國，這兩個信號與屯、小共同計算得到有功電流分量和無功電流分量

41、乞。再通過低通濾波器（）得到基波有功分量。和基波無功分量，經(jīng)反變換后得三相電流中的基波分量，最后從三相電流中減去基波分量便得到三相電流中的高次諧波分量。數(shù)字低通濾波器的選擇從前面研究的諧波檢測方法可以看到，每一種檢測方法都需要使用低通濾波器，目的是分離出基波分量后再除去，以獲得所需的諧波分量。應(yīng)當(dāng)指出的是，基于瞬時無功功率理論的諧波檢測方法，由于采用了低通濾波器，需經(jīng)一定的延遲時間才能得到準(zhǔn)確的直流分量。因此使得檢測結(jié)果有一定的延時，但延遲時間最多也不會超過一個電源周期。產(chǎn)生延遲時間的主要原因就是低通濾波器的影響。所以為了準(zhǔn)確、實時地用基于瞬時無功功率理論的諧波檢測方法檢測出諧波分量，必須分析

42、研究低通濾波器對諧波檢測的準(zhǔn)確性和實時性的影響。傳統(tǒng)數(shù)字低通濾波器在諧波檢測環(huán)節(jié)所用到的低通濾波器【白通常有、等。對于具有同樣階數(shù)的濾波器，當(dāng)截止頻率選得比較低時，濾波器的檢測精度最高，這是因為它的頻率特性在零點附近最好。如果要求截止頻率大一些，則用濾波器的檢測精度最高，濾波器次之，稍差一些，最差，這是由濾波器阻帶的衰減特性決定的。而用濾波器時動態(tài)響應(yīng)過程最快，因為它的時延特性最好。雖然這些濾波器在設(shè)計中都有相應(yīng)的模型，參數(shù)的計算與設(shè)定十分方便，但是，實際中的實現(xiàn)仍然存在一定的難度，特別是在定點的數(shù)字信號處理器（）中，對復(fù)雜小數(shù)的計算精度無法滿足要求?；暗ū疚?，采用另外一種低通濾波器的設(shè)

43、計方法，即滑窗迭代法】。根據(jù)上一節(jié)的分析，我們知道進入低通濾波器之前的信號中，。代表有功電流直流分量，與負(fù)載的基波有功功率相對應(yīng)；代表無功電流直流分量，與負(fù)載基波的無功功率相對應(yīng)。當(dāng)作諧波補償?shù)臅r候，低通濾波器的目的即是分離出這些信號中的直流分量。，大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文除去基波電流之外的諧波信號對應(yīng)的交流分量，對其一個周期內(nèi)的所有采樣點累加，和為零。而對于一個直流信號，在一個正弦周期內(nèi)進行所有采樣點累加后除以采樣點數(shù)結(jié)果仍然為該直流信號。如果只考慮一個周期，我們將進入低通濾波器前的信號按采樣點進行累加后除以采樣點數(shù)，結(jié)果即為該直流信號。這樣分離出直流信號的意義是十分明了的，操作也十分簡單，只需要對一個周期內(nèi)的所有采樣點進行求和即可。考慮到，根據(jù)交流信號每個周期的重復(fù)性以及在有源濾波中對信號實時變化靈敏度的要求，我們當(dāng)采樣第點時，用當(dāng)前新的信息代替一個周期前同一個位置的信息。此時和的信息可以由下式表達：（七）（）甜（后）一（一）（）式