有源滤波器设计毕业设计论文.doc
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学号：
08033160120
毕业论文
有源电力滤波器设计
Activepowerfilterdesign
学院:
电信学院专业:
电气自动化技术班级:
电气专081
学生:
李昂指导教师（职称）:
罗如山老师
完成时间2011年05月5日至2011年月日
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目录
摘要 1
ABSTRACT 2
第一章谐波产生的机理及其治理 3
1.1谐波产生的机理 3
1.2谐波的治理 4
第二章有源电力滤波器的谐波检测及控制策略 5
2.1有源电力滤波器的谐波检测 5
2.1.1瞬时无功功率理论 5
2.1.2三相电路谐波和无功的检测 7
2.2有源电力滤波器的控制策略 10
2.2.1有源电力滤波器补偿电流的控制 10
2.2.2主电路直流侧电压的控制 12
第三章并联型有源电力滤波器的硬件设计 13
3.1系统结构 13
3.2主电路设计 14
3.2.1主电路参数设计 14
3.2.2开关器件的选取 15
3.3控制电路设计 16
3.3.1控制电路结构 16
3.3.2DSP芯片简介 17
3.4检测与调理电路设计 19
3.4.1电流信号检测调理电路 19
3.4.2电压信号检测调理电路 20
3.4.3采样触发信号提取电路 20
第四章并联型有源电力滤波器的系统仿真 22
4.1并联型有源电力滤波器检测系统仿真 22
（1）仿真模型的建立 22
（2）仿真结果 22
（3）结果分析 23
4.2并联型有源电力滤波器控制系统仿真 24
（1）仿真模型的建立与参数选取 24
（2）仿真结果 24
（3）系统谐波分析 25
结束语 26
参考文献 27
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摘要
随着电力电子技术的发展，非线性负载的使用越来越普遍，产生的谐波对电网的危害日益严重，若不加以控制，将会严重影响整个电网的安全运行，所以对电网谐波进行补偿越来越重要。
有源电力滤波器是一种新型的谐波及无功电流动态补偿装置，与传统的无源LC电力滤波器相比，具有响应速度快、补偿效果好、动态补偿等优点。
本文概述了谐波产生的机理及其治理，并讨论了有源电力滤波器的结构与工作原理。
通过深入研究有源电力滤波器的谐波与无功电流检测方法，对基于三相电路瞬时无功功率理论的法和法的原理进行了分析，由于法的优势，选定其为谐波检测方法；文中还详细分析了有源电力滤波器的控制策略，确定采用滞环比较控制法来对补偿电流进行控制；论文还对DSP芯片TMS320F2812进行了初步的介绍，在此基础上，设计出了并联型有源电力滤波器。
之后，用MATLAD7.0对其进行了仿真和分析。
论文还对本次设计进行了综述，总结了有源电力滤波器的优点，并提出了设计中的不足之处。
关键词：
谐波电流瞬时无功功率理论控制策略DSP有源电力滤波器
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentofelectricpowerandelectronictechnology,non-linearloadhavebeenwidelyused,theharmonicmakesincreasingseriousimpactagainsttheelectricnetwork,ifunchecked,itwillseriouslyaffecttheentireelectricnetwork,therefore,theharmoniccompensationhasbecomemuchmoreimportant.APFisanewharmonicanddynamicreactivecompensationdevices,comparewiththetraditionalpassiveLCfilter,APFhastheadvantagesoffastresponse,goodcompensationanddynamiccompensation.
Thisarticlesummarizestheharmonicmechanismandmanagement,anddiscussedthestructureandactivepowerfilterworks.Fromdepthdepth-studyofthedetectionofharmonicandreactivecurrentforAPF,weanalysisthep-qmethodandip-iqmethodbasedontheinstantaneousreactivepowertheory,becauseofthesuperiorityofip-iqmethod,weselecteditasharmonicdetection.wein-depthanalysisthecontrolstrategyforAPF,determinethehysteresiscontrolmethodusedtocontrolthecompensationcurrent.InthepagerweintroducedDSPchipTMS320F2812.Onthisbasis,IdevicesAPF.After,IuseofitsMATLAD7.0aresimulatedandanalyzed..
Finally,Thisdisserationalsodesignswerereviewed,summarizedtheadvantagesofactivepowerfilterandproposeddesigndeficiencies.
Keywords:
HarmoniccurrentInstantaneousreactivepowertheory
ControlstrategyDSPAPF
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第一章谐波产生的机理及其治理
20世纪以来，随着科学技术的迅猛发展，电力电子技术也随之不断取得新的突破，各种家用电器大规模的进入我们的生活以及电力电子器件等非线性负载如逆变器、整流器和各种开关电源得到广泛的应用，由此产生的谐波对电网的危害日益严重。
电力电子器件开关动作时向电网注入了大量的谐波，使电网中的电流和电压波形严重失真。
然而由于各种电能质量敏感设备，计算机等信息设备及空调、冰箱、电视等家用电器设备的大量使用，对电能质量的要求也越来越高。
由谐波引发的各类故障和事故频发，对生产生活及国家经济建设产生了很大的负面影响。
由此谐波的研究和治理问题也开始引起人们的广泛关注，谐波的管理、分析和治理被摆到了十分重要的地位。
谐波问题包括谐波分析、谐波检测和谐波抑制等方面，有效的抑制谐波已经成为保证电网安全、高质量运行的必要措施之一。
解决谐波问题的主要途径有两种：
一是对电力电子设备自身进行改进；二是对电网进行谐波补偿。
本文主要研究方向就是对电网进行谐波补偿。
1.1谐波产生的机理
在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波的。
在只含线性元件（电阻、电感及电容）的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。
用傅立叶分析原理，能够把非正弦曲线信号分解成基本部分和它的倍数。
在电力系统中，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。
当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。
由于半导体晶闸管的开关操作和二极管、半导体晶闸管的非线性特性，电力系统的某些设备如功率转换器比较大的背离正弦曲线波形。
谐波电流的产生是与功率转换器的脉冲数相关的。
6脉冲设备仅有5、7、11、13、17、19….n倍于电网频率。
功率变换器的脉冲数越高，最低次的谐波分量的频率的次数就越高。
其他功率消耗装置，例如荧光灯的电子控制调节器产生大强度的3次谐波（150赫兹）。
在供电网络阻抗（电阻）下这样的非正弦曲线电流导致一个非正弦曲线的电压降。
在供电网络阻抗下产生谐波电压的振幅等于相应谐波电流和对应于该电流频率的供电网络阻抗Z的乘积。
次数越高，谐波分量的振幅越低。
只要哪里有谐波源那里就有谐波产生。
也有可能，谐波分量通过供电网络到达用户网络。
例如，供电网络中一个用户工厂的运转可能被相邻的另一个用户设备产生的谐波所干扰。
产生谐波的设备类型：
所有的非线性负荷都能产生谐波电流，产生谐波的设备类型有：
开关模式电源（SMPS）、电子荧火灯镇流器、调速传动装置、不间断电源（UPS）、磁性铁芯设备及某些家用电器如电视机等。
1.2谐波的治理
谐波的治理主要有两条途径：
一是主动治理，即从谐波源本身出发，使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波，这只适用于作为主要谐波源的电力电子装置，如有源功率因数校正技术和PWM整流技术；二是被动治理，即设置谐波补偿装置，抵消谐波源注入电网的谐波，如各种无源、有源滤波器，这对各种谐波源都适用。
电力系统中传统的补偿谐波和无功的装置是LC无源电力滤波器，LC无源电力滤波器因其既可以补偿无功，又可以抑制谐波而一直被广泛应用。
它具有结构简单，投入费用低，运行成本低，可在很宽的频率范围内呈现为低阻抗，可抑制多个频率的谐波，在吸收高次谐波的同时补偿无功功率，还具有改善负载功率因数的功能。
但由于结构原理上的原因，LC无源电力滤波器也存在着滤波补偿特性依赖于电网和负载参数、LC参数的漂移会导致滤波特性的改变、具有负的电压调整效应、重量大、体积大和容易同系统发生谐振的缺点。
由于无源电力滤波装置存在着许多的缺点和不足之处，为了解决这些问题，人们开始对有源电力滤波技术进行探讨。
有源电力滤波器是一种动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能对频率和大小都变化的谐波和无功进行补偿，可以弥补无源滤波器的缺点，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的谐波补偿装置。
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第二章有源电力滤波器的谐波检测及控制策略
2.1有源电力滤波器的谐波检测
2.1.1瞬时无功功率理论
瞬时无功功率理论首先于1983年由日本学者赤木泰文提出，主要针对三相三线制电路总谐波的实时检测。
瞬时无功功率理论的核心思想是采用变换矩阵将三相电路的各相电压和电流瞬时值变换到-正交坐标系，并将电压、电流矢量的点极定义为瞬时有功功率，电压、电流矢量的叉积定义为瞬时无功功率，如图2-1所示。
在此基础上发展出了p-q法。
在三相三线电路中，其各相电压和电流的瞬时值为、、和、、，分别把它们变换到两相正交-坐标系上，两相瞬时电压为、，两相瞬时电流为、，则：
（2-1）
（2-2）
其中
定义瞬时有功功率p和瞬时无功功率q：
（2-3）
（2-4）
式中，的正方向与、轴组成相互垂直的右手坐标系，如图2-2示。
从数学上推导可知，基于瞬时无功功率的p-q法使用需要满足或，也就是说-法仅适用于三相对称的情况。
在-法的基础上，补充定义瞬时有功电流和瞬时无功电流，衍生出法。
在图2-2所示-坐标系上，矢量、和、分别可以合成为旋转电压矢量和电流矢量。
三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流分别为矢量和矢量在其法线上的投影。
（2-5）
（2-6）
式中。
瞬时有功功率p和瞬时无功功率q可表示为：
（2-7）
（2-8）
在-平面内，、可表示为：
（2-9）
式中
三相电路各相瞬时无功电流、、是、两相瞬时无功电流、两相到三相变化得到的，瞬时有功电流、、是、两相瞬时有功电流、通过两相到三相变化得到的。
（2-10）
（2-11）
式中
-法和法都是以三相电路瞬时无功功率理论为基础的谐波检测法，对于三相三线制电路，不论三相电压、电流是否对称，-检测法检测结果都有误差，只是误差的情况有所不同，而法检测结果不受电压波形畸变的影响，检测结果较准确。
2.1.2三相电路谐波和无功的检测
-
ich
ibh
iah
+
+
+
-
ic
ib
ia
ec
eb
ea
-
q
p
C32
C32Cpq
Cpq-1C23
LPF
LPF
（1）-检测法
图2-3-检测法原理框图
-检测法原理框图如图2-3所示，图中LPF为低通滤波器（LowPassFilter）。
-检测法以三相电路瞬时无功功率理论为基础，根据定义计算出、，经LPF得到、的直流分量、。
电网电压无畸变的时候，由基波有功电流与电压作用所产生，由基波无功电流与电压作用所产生，于是根据、经矩阵逆变换可以计算出被检测电流、、的基波分量、、。
将、、与、、相减，即可得到、、的谐波分量、、。
由于该检测法中三相电压信号也参与到计算中，故三相电压的变化会影响谐波电流的检测，当三相电压对称且无畸变时，-检测法能检测出全部的谐波和无功电流，但当电网电压波形发生畸变时，检测结果将会发生误差，影响电路的检测精度。
所以-检测法仅适用于三相电压对称的谐波和无功电流检测。
（2）检测法
在实际电网运行中，三相电压通常不对称且有畸变，所以应用-检测法检测谐波会有误差，为此，通过对-检测法进行改进提出了检测法[6]。
如图2-4为检测法原理框图。
-
-
-
+
+
+
ich
ibh
iah
ic
ib
ia
ea
PLL
C32
C
C-1
C23
LPF
LPF
图2-4检测法原理框图
图中PLL为锁相环电路（PhaseLockLoop）。
该检测法以计算、为出发点，把式（2-7）和式（2-8）代入式（2-9）的左边有：
（2-12）
将e移到等式的右端，得：
（2-13）
若电网电压波形无畸变，设电网三相对称电压：
（2-14）
式中是电网电压基波即电网电压有效值；是电源角频率。
将式（2-14）进行三相到两相变换：
（2-15）
被检测电流为：
（2-16）
将式（2-16）进行三相到两相变换：
（2-17）
式中时取，时取。
按运算方式，将式（2-15）和式（2-17）代入式（2-9）得：
（2-18）
、经LPF滤波得：
（2-19）
此时，，和式（2-15）代入式（2-13）得：
（2-20）
与检测法相比，检测法用锁相技术对a相基波电压的相位进行提取，代替系统相电压，所以该算法的检测结果不受电压波形畸变的影响。
而且将基波分量变换到零频率处，用数字低通滤波器提取基波信号可以消除模拟低通滤波器的相位问题，且不会造成对有些频率分量的增大或衰减。
上述两种方法均可适用于三相三线制电路，当电网电压无畸变时，两者皆可检测出谐波电流。
但当电网电压波形发生畸变时，检测法的检测结果会出现误差，因为该检测法中电压信号参与了计算，所以电压信号有任何变动都会影响运算的结果，直接影响到检测的效果。
而检测法只提取了与电压信号同相位的正弦信号和余弦信号参与运算，电压信号的谐波成分在运算过程中不出现，因而检测结果不受电压波形畸变的影响，能够充分保证检测结果的准确性。
2.2有源电力滤波器的控制策略
2.2.1有源电力滤波器补偿电流的控制
目前有源电力滤波器补偿电流的控制方法主要有以下几种：
三角载波比较法、滞环比较控制法、电压矢量控制法、滑模变结构控制法等。
其中三角载波比较法和滞环比较控制法是应用最多的两种方法。
（1）三角载波比较法。
三角载波比较法是最简单、常用的一种PWM控制方式，如图2-5所示为其比较原理图。
-
+
PWM信号
比较器
A
三角波
图2-5三角载波比较法原理图
该方法通过将调制后的实际补偿电流与电流指令信号的偏差经放大器A放大后，与高频三角调制波进行实时比较，从而得到不同时刻逆变器的开关状态，使逆变器输出端获取需要的波形。
采用三角载波比较法的优点是电力电子器件的开关频率是固定的，有利于简化器件的选择和器件保护的设计，而且动态响应好，实现电路简单，对高开关频率的系统具有较好的控制特性。
但由于逆变器始终处于高频工作状态，输出波形中含有与三角载波同频率的高频畸变分量，开关损耗较大，在大功率应用中受到限制。
（2）滞环比较控制法。
滞环比较控制法的原理图如图2-6所示。
滞环比较器
PWM信号
图2-6滞环比较控制法原理图
滞环控制是一种简单的bang-bang控制，它预先给定一个允许误差，在补偿对象与滤波器输出之差超过这个允许误差时，主电路功率开关器件动作。
电流滞环比较控制的基本思想是实际电流与指令电流的上、下限相比较，交点作为开关点，在指令电流的上、下限形成一个环带。
在该方式中，补偿电流指令信号与实际电流信号的偏差作为滞环比较器的输入，设滞环比较器的高低阀值分别为和，当时，比较器输出高电位；当时，比较器输出低电位；当时，保持原值。
通过驱动信号来控制主电路开关器件的通断，从而控制补偿电流的变化，使补偿电流保持在滞环带内，围绕其参考值做上下波动[7]。
PWM信号
滞环比较器
时钟信号
由于通常滞环带的宽度是固定的，而开关器件的开关频率是变化的，当变化的范围较大，值小时，固定的环宽可能使补偿电流的相对跟随误差过大；值大时，固定的环宽可能使器件的开关频率过高，甚至超过器件的工频导致器件损坏。
为了避免上述缺点，可采用定时控制的滞环比较控制法，其原理如图2-7所示。
图2-7定时控制的滞环比较控制原理图
采用定时控制的滞环比较控制，是加入了一个时钟定时控制比较器，每个时钟周期对误差进行一次判断，这样控制开关器件的时钟信号需要至少一个时钟周期才变化一次，那么器件的最高开关频率不会超过时钟频率的一半。
这种PWM控制器的结构简单，对电路参数的变化不敏感，动态响应快，逆变器的开关频率由滞环比较器的带宽和时钟频率决定。
2.2.2主电路直流侧电压的控制
ich
ibh
iah
+
+
+
-
-
-
Uc
Uref
ic
ib
ia
ea
C32
C
C-1
C23
PI
PLL
LPF
LPF
有源电力滤波器的主电路是一个电压型变流器，按照PWM控制规律，变流器的直流侧电容电压必须保持恒定，从而提供一个稳定的电压基准。
但在实际运行中由于系统存在损耗和补偿电流的变化，电容电压会产生衰减或大的波动。
对主电路直流侧电压的控制可由图2-8来实现。
图2-8具有直流侧电压控制环的基准电流计算原理图
图中，是直流侧电压的给定值，是实际的直流侧电压。
此控制的基本思想是：
把与之差通过PI调节后得到调节信号，将叠加到瞬时有功电流的直流分量上，经运算使指令电流信号包含一定的有功电流，使有源电力滤波器的补偿电流包含一定的基波有功电流分量，从而使有源电力滤波器的直流侧和交流侧交换能量，将直流侧电压调节到给定值。
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第三章并联型有源电力滤波器的硬件设计
3.1系统结构
并联型有源电力滤波器通过向电网注入一个与检测到的谐波和无功电流反相位的补偿电流，以使电源侧电流波形近似为正弦波，从而消除了谐波和无功电流对电网中其他设备和继电保护装置的影响。
并联型有源电力滤波器的硬件结构相对复杂，整个系统一般由以下几个部分组成[8]：
检测与调理电路，主要功能是将电网中的强电信号转换成为弱电信号，并将之调理成适合DSP输入要求范围的电信号；DSP控制电路，由DSP芯片构成的控制电路是整个控制系统的核心，其功能是完成A/D转换、指令信号的运算、反馈信号的处理和PWM信号的生成；主电路，主电路由三相桥式逆变电路组成，它的功能是根据DSP控制电路发出的PWM脉冲信号来控制逆变器开关器件的通断时间，发出符合要求的补偿电流到电网中。
并联型有源电力滤波器的硬件结构图如图3-1所示。
图3-1并联型有源电力滤波器硬件结构图
3.2主电路设计
3.2.1主电路参数设计
（1）主电路容量。
并联型有源电力滤波器的容量：
（3-1）
式中是APF交流侧电压的有效值，是补偿电流的有效值。
有源电力滤波器与谐波负载并联连接，其交流电压时相同的，因此主电路容量主要由补偿电流的大小决定，也就是由补偿对象的容量和补偿目的决定。
当有源电力滤波器只补偿谐波时，有。
由于补偿对象为三相桥式整流电路，其，故此有源电力滤波器的容量约为补偿对象容量的25%。
当有源电力滤波器在补偿谐波时，还补偿无功功率，则：
（3-2）
则有源电力滤波器容量与补偿对象容量之比为：
（3-3）
故有源电力滤波器同时补偿谐波和无功功率时，要求其容量比只补偿谐波时大，且与三相整流电路最大触发角有关。
（2）直流侧电压的选取。
有源电力滤波器正常工作时，输出的补偿电流在指令电流的两侧呈锯齿波形状跟随其变化，对于A相有：
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