三相三线制并联型有源电力滤波器的设计与研究精Word下载.docx
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ThedesignandresearchofThree-phaseandthree-wireSystemShuntActivePowerFilter
Abstract
Withthedevelopmentofmodernindustrialtechnology，alargenumberofnonlinearloadsinpowersystemstoincrease.Variousnonlinearandtime-scaleapplicationofelectronicdevices,causedpowerqualitydeterioration.Activepowerfilterwithitssuperiorcompensationperformance.hasbecomeoneofhotResearchfocusonpowerelectronicstechnologyarea.
Thethesismainlyconsidersthree-Phasesandthree-wiresystemshuntactive.powerfilter.Thetwokeytechnologiesareharmonicandreactivecurrentsdetection,andcompensationcurrentscontrol.Exactandreal-timedetectionoftheinstantaneousvariableharmonicandreactivecurrentinpowersystemisthepremiseforcompensationofactivepowerfilter.Atpresent，therearemanydetectionmethodsconcerningharmonicandreactivecurrent，inwhich，themethodbasedoninstantaneousreactivepowertheoryisusedwidelyinthree-phasesystemthanothers，anditconsistsofp-qdetectionmethodappliedtosymmetrypowersystemwithoutdistortion，ip-iqdetectionmethodandd-qdetectionmethodappliedtoasymmetrydistortionpowerSystem.Controlmethodforcompensationcurrentisthekeytachetoaccomplishthevariousfunctionsofactivepowerfiltertoestablishtheanticipativecomparedcurrent.Thispaperanalyzestheparallelactivepowerfiltercontrolstrategy,IncludingthecompensationcurrenttrackingcontrolandDCvoltagecontrol.Throughanalysisandcomparisonofhysteresiscontrol,triangularwavecontrolandspacevector-basedvoltagecontrol.Finalizethecompensationcurrenttrackingcontrolmethodusedandthetriangularwavecomparisoncontrolmethodofhysteresiscontrol.
Finally,toverifytheproposeddetectionmethodandcontrolmethodiscorrect.Underthisthesis,thepowersystemwithMATLAB6.5/SIMULNIKSimpowersystemsBlocksetblocksonthewholethree-phasethree-wireshuntactivepowerfiltersystemvoltageconductedasimulationstudy.Simulationresultsshowthatthedesignedfiltercanfilteroutharmonicwell,thecompletionoftheroleofharmonicsuppression.
Keyword:
ActivePowerFilter;
Harmonicandreactivecurrentdetection;
Compensationcurrentcontrol;
Triangularwavecomparisonandhysteresiscontrol;
Simulation
第一章电网谐波的实际问题
电力系统中三相桥式整流器的使用极为广泛,由此引起的谐波电流也成了人们日益关注的问题。
安置滤波器是减小谐波电流的有效措施,然而多数滤波器的设计要求对整流器所产生的谐波电流进行计算。
三相不可控整流器的电路图如下图所示：
图1.1三相不可控整流电路
上述电路中取相关参数如下表所示：
表1.1三相不可控整流电路的相关器件参数
值数据形式,基波电流与电抗分别定义为:
Id1=P0/EmZ1=E/p0
式中P0为整流器额定输出功率。
2
m
（1.1）
直流侧n次谐波电流以其有效值与平均电流Id0的比值表示;
交流侧ν次谐波电流以其幅值与基波电流幅值的比值表示。
交流侧电流波形畸变率计算到v=25
1
THD%=
Ia1
2I∑av⨯100%（1.2）23
=5,7
其中直流侧电流计算公式为：
id=Id0+
dn
n=6,12,
∑I
cons（θ-δn）（1.3）
式中Id0—直流分量
Idn,δn—n次谐波电流的幅值及相角
Id0=Ed0-Ec（1.4）Rd
π+ξ+μ+ξ⎡π⎤623⎢⎥=⎢⎰（-1.5eb）dθ+⎰（ea-eb）⎥（1.5）πππ⎢+ξ⎥+ξ+μ6⎣6⎦Ed0—整流输出电压的直流分量：
Ed0
交流侧谐波电流的计算公式可由直流侧导出，。
由于三相电流对称,所以只需计算a相电流。
ia=
v=1,5,7,sθ+B∑[AcovvVsinvθ]=avv=1,5,7∑Icosvθ（+φv）（1.6）5π5π+ξ+μ+ξ+ξ+μ⎡π⎤6662⎢⎥AV=⎢⎰i1cosvθ.dθ+⎰idcosvθ.dθ+⎰i2cosvθ.dθ⎥πππ5π⎢+ξ⎥+ξ+μ+ξ66⎣6⎦式中：
（1.7）π5π5π+ξ+ξ+μ⎡6+ξ+μ⎤662⎢⎥BV=⎢⎰i1sinvθ.dθ+⎰idsinvθ.dθ+⎰i2sinvθ.dθ⎥πππ5π⎢+ξ⎥+ξ+μ+ξ66⎣6⎦
公式1.7中：
ia=i1=Id1-im（θ）+
ia=id=Id01⎡π⎤π+ξ≤θ≤π+ξ+μ.⎢θ-（+ξ）⎥.∑Idncos（nθ-δn）μ⎣6⎦n=6,12,π+ξ+μ≤θ≤5π+ξ+∑Idn.cos（nθ-δn）n=6,12,
5π+ξ≤θ≤5π+ξ+μia=i2=Id05π⎡⎤θ-（+ξ）⎢⎥6-Id1+in（θ）+.⎢1-⎥.∑Idncos（nθ-δn）μ⎢⎥n=6,12,⎢⎥⎣⎦id1=Em⎧kk⎫+⎨cosξ-5cos5（ξ+a5）-7cos7（ξ+a7）+⎬.2XS57⎩⎭
Em
2XSk5ππk7π⎧⎫cos（θ-）+cos[5（θ+a）+]-cos[7（θ+a）-]+⎨⎬.5765676⎩⎭
in（θ）=im（θ-2π）（1.8）im（θ）=式中ξ为换流起始角偏移量，μ换流重叠角，可由下式计算得到：
sinξ+
v=5,7,
∑
（-1）lkvsinv（ξ+av）=0
（-1）l
kv2XSId0
.[cosv（ξ+av）-cosv（ξ+av+μ）]=vEm
cosξ-cos（ξ+μ）+v=6l±
（l=1,2,3,）
（1.9）
ν次谐波电流幅值及相角分别为：
Iav=
22
AV+BV
φV=arctan（BVAV）
如下表所示：
（1.8）
结合上述相关公式和表中相关数据可得整流电路的整流谐波电流的计算值，
表1.2整流谐波电流的计算值
针对上述整流器产生的谐波电流，本文设计了下文所介绍的三相三线制有源电力滤波器用于补偿该整流器产生的谐波电流，提高公用电网的电能质量。
第二章绪论
2.1有源电力滤波的产生、发展及现状
各种非线性和时性电子装置如逆变器、整流器及各种开关电源等大规模地应用，其负面效应也日益明显。
电力电子装置的开关动作向电网中注入了大量的谐波和次谐波分量，导致了交流电网中电压和电流波形的严重失真，从而替代了传统的变压器等铁磁材料的非线性引起的谐波，成为主要的谐波源。
电能质量的下降严重影响着供、用电设备的安全经济运行，降低了人们的生活质量。
世界各国已经十分重视电能的质量的管理。
谐波治理是电能问题的核心内容之一，也是现代电力发展的迫切要求。
谐波抑制是提高电能质量，保证供用电设备安全可靠运行的重要手段之
一。
减小谐波影响的技术措施可以从两方面入手：
一是从谐波源出发，减少谐波的产生；
二是安装滤波装置。
同时滤波器又主要包含无源滤波器和有源滤波器两大类。
无源滤波器仅可对特定谐波进行有效地衰减，而出于经济和占地面积方面的考虑，滤波器的个数均是有限的，所以对于谐波含量丰富的场合，无源滤波器滤波效果往往不够理想。
为了达到更好的滤去电网谐波的目的，我们在电网中引入了有源电力滤波器。
有源电力滤波器的思想最早出现于1969年
B.M.Bird和J.F.Marsh的论文中。
文中描述了通过向交流电源注入三次谐波电流以减少电源中的谐波，改善电源电流波形的新方法。
文中所述的方法被认为是有源电力滤波器思想的诞生。
1971年，日本H.Sasaki和T.Machida完整描述了有源电力滤波器的基本原理。
1976年美国西屋电气公司的L.Gyugyi和E.C.Strycula提供了采用脉冲宽度调制控制的有源电力滤波器，确定了主电路的基本拓扑结构和控制方式，从原理上阐明了有源电力滤波器是一种理想的谐波电流发生器，并讨论了实现方法和相应的控制原理。
然而，在20世纪70年代由于缺少大功率可关断器件，有源电力滤波器除了少数的实验研究外，几乎没有任何进展。
进入20世纪80年代以来，新型电力半导体器件的出现，PWM技术的发展，尤其是1983年日本的H.Akagi等人提出了“三相电路瞬时无功功率理论”，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在三相APF中得到了成功的应用，极大的促进了APF的发展。
1982年第一台APF在日本投入运行，1986年H.Akagi提出并联有源滤波器消除谐波，APF在这种装置中相当于一个
谐波电流发生器，它跟踪负载电流的谐波分量，产生与之相反的谐波电流，从而抵消了线路中的谐波电流，1987年，Nnkeda等人提出用并联有源电力滤波器和并联无源滤波器方案，在这种电路中有源滤波器仍起谐波补偿的作用，无源滤波器分担大部分谐波，因此有源电力滤波器容量很小，但这种有源滤波系统在使用时，电源与有源电力滤波器及无源滤波器之间存在谐波通道;
1988年，F．Z．Peng等人提出将串联有源电力滤波器加并联无源滤波器的结构，在这种方案中，有源电力滤波器对谐波呈现高阻抗，而对基波电流呈现低阻抗，因此电力滤波器相当于一个电源和负载之间的谐波隔离装置，电网的谐波电压不会加在负载和无源滤波器上，而负载的谐波电流也不会流入电网;
1900年，日本的H.Futjita等人提出将有源电力滤波器与无源滤波器相串联的综合有源滤波方案，无源滤波器对负载的谐波电流进行滤波，并提供一定的基波无功补偿，而有源滤波器则起改善无源滤波特性的作用，这样，以极小容量的有源滤波器就可以弥补无源滤波器的一些固有缺陷;
1994年，H.Akagi等人提出了一种综合了串联有源电力滤波器和并联有源电力滤波器的综合有源滤波系统，串联有源电力滤波器将电源和负载及无源滤波器隔离，使负载谐波电流流入无源滤波器，同时阻止电源谐波电压流入负载端，并联有源电力滤波器提供一个零阻抗的谐波支路，使得负载中的谐波电流不会在无源滤波器上产生谐波电压[4]。
现在APF技术得到了长足的发展，越来越多的APF投入了运行，不论从实现功能还是运行功率上都有明显改善，其中在日本，已经投入使用的APF从50KVA到60MVA，功率范围越来越宽，从谐波补偿到抑制闪变和电压调节应用功能越来越丰富。
目前，有源滤波器已经用在提高电能质量，解决三相电力系统中终端电压调节，电压波动抑制，电压平衡改善以及谐波和无功补偿等问题。
尽管我国近年来也有较大容量的有源电力滤波器研制成功，比方说清华大学研制的10MVA的APF，但由于我国工业基础较薄弱，电力电子工业和世界先进水平相比差距还较大，总体而言，有源电力滤波器的研究还处于理论探讨和实验小规模研究过程中。
2.2有源电力滤波器的发展趋势
从近年来的国内外研究和应用中可以看出有源电力滤波器（APF）具有如下的发展趋势：
（1）通过采用PWM调制和提高开关器件等效开关频率的多重化技术，
实现对高次谐波的有效补偿。
（2）当前APF的成本相对较高，从经济上考虑，可以采用APF与LC无源滤波器并联使用的混合型有源滤波系统，以减小APF的容量，达到降低成本、提高效率的目的。
同时，随着大量换流器用于变频调速系统运用了大量换流器，以及半导体器件制造水平的迅速发展，尤其是IGBT的广泛应用，其价格必然下降，混合型APF低成本的优势将逐渐消失，而串—并联APF由于其功能强大、性价比高，将是一种很有发展前途的有源滤波装置。
（3）在装置技术上主要需要解决如下问题:
降低装置的价格、降低装置的价格、简化控制系统、多功能化、降低损耗和提高系统的可靠性，包括过压、过流等保护技术，故障诊断技术及电磁兼容技术的研究和开发。
2.3本章小结
本章介绍了有源电力滤波器的产生、发展及现状以及发展趋势。
第三章有源电力滤波器的基本原理及拓扑结构
3.1有源电力滤波器的基本原理
有源电力滤波器根据其与电网连接的方式不同，分为并联型和串联型两种，并联型滤波器在实际中应用较广。
由于本文采用的是并联型有源滤波器，下面就以并联型有源滤波器为例，介绍其工作原理。
图3.1为最基本的并联型有源电力滤波器系统结构图。
从结构上来看，有源电力滤波器主要由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路（由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分组成）。
其中指令电流运算电路的作用是检测出被补偿对象中的谐波和无功电流分量。
补偿电流发生电路的作用是根据指令电流发出补偿电流的指令信号，控制逆变主电路产生补偿电流，并注入到电网中，以达到消除谐波和无功电流的目的。
图3.1有源电力滤波器原理框图
如图3.1所示并联型有源滤波器的基本工作原理是:
通过电压和电流传感器检测补偿对象（非线性负载）的电压和电流信号，然后经指令电流运算单元计算出补偿电流的指令信号，再经PWM控制信号单元将其转换为PWM指令，控制逆变器输出与负载中所产生的谐波或无功电流大小相等、相位相反的补偿电流，最终得到期望的电源电流。
其中如图3.1所示，电源电流is由负载电流il
和有源滤波器的输出电流ic共同组成。
负载电流i1又可分解为基波分量i1f和谐波分量i1h之和。
而基波分量又可分为基波有功分量i1fp和基波无功分量i1fq之和。
这样负载电流可表示为基波有功分量i1fp、基波无功分量i1fq和谐波分量i1h之和。
如果控制有源滤波器的输出电流ic和谐波分量i1h相等，那么电源电流中就只剩下基波电流了，这样就达到了抑制谐波的目的。
上述原理可以用一组公式来表示：
is=i1+ic
i1=i1f+i1h
i1f=i1fp+i1fq
i1=i1fp+i1fq+i1h
ic=-i1h
is=i1+ic=i1f
:
（3.1）
简言之，并联型有源滤波器相当于并联在电网上的受控电流源，它实时检测负载电流中的谐波电流，并产生与之大小相等而方向相反的补偿电流，使流入电网的谐波电流基本为零。
如果要求有源滤波器在补偿谐波的同时，补偿无功功率，则只需要在补偿谐波电流的指令信号中增加与负载电流基波无功分量反极性分量即可，使得补偿电流与负载电流中的谐波及无功分量相互抵消，电源电流等于负载电流的基波有功分量。
公式表达如下:
ic=-（i1h+i1fq）is=i1+ic=i1fp（3.2）
3.2有源电力滤波器的分类
从不同的角度出发，APF有不同的分类方法，根据用户使用的电源类型是直流电源还是交流电源，APF可分为直流APF和交流APF;
根据接入系统的相数不同，APF分为单相APF和三相APF;
根据主电路的形式不同，APF分为单个主电路型和多重叠加主电路型;
根据直流侧储能元件的不同，APF又分为电压型和电流型;
根据APF和电网连接方式的不同，APF分为并联型、串联型、串—并联型，这是目前对APF分类的主要方法，其中串联型和并联型又可以继续
细分为不同的类型，如图3.2所示:
图3.2APF的分类
3.3有源电力滤波器的基本结构
无论有源电力滤波器如何分类，它都由几个共同的部分构成即谐波检测环节、控制系统、主电路几个主要的部分构成。
3.3.1谐波检测环节
谐波检测是有源电力滤波器非常关键的一环，对于谐波的快速检测方法我们将在下一章进行具体讨论，这里主要介绍检测环节的构成及设计中的关键问题。
图3.3是谐波检测环节的原理框图。
图3.3APF谐波检测结构框图
①电压与电流互感器
用于APF的电压互感器PT与电流互感器CT，与一般用于电力系统继电保护与测量的PT与CT有一定的区别，即该PT与CT要求精度较高，要求精度0.2级以上，线性度好。
其次要求PT与CT具有快的响应特性，一般要求信号延时在10µ
s以下。
最后要求PT、CT能测量直流信号。
对于接在系统侧的PT和CT，可以不需要测量直流信号，但对于接在APF装置上的PT和CT，一定要能测量出直流电压和电流分量，否则在控制过程中装置的性能可能难以达到要求。
满足上述要求的PT和CT，一般是基于霍尔效应的电压电流测量模块。
接在电网侧用于检测系统谐波电压或谐波电流的PT和CT，安装位置也要根据实际情况选择，如图3.4所示谐波检测应该互感器安装在电网的谐波源侧，以避免因APF补偿而影响谐波的变化。
图3.4谐波检测互感器安装位置的选择
②预处理环节
一般的预处理环节，是将电压或电流互感器输出的电流信号转化为电压信
号，并进行适当的滤波与放大。
互感器输出的信号经过转化环节变成电压信号，而由于实际中总存在一定的高频噪声，因此一般都要对信号进行一定的滤波及进行放大或缩小。
由于APF对谐波信号的延迟非常敏感，因此预处理环节的延时必须很小，否则将影响谐波补偿的效果。
为此要求预处理环节的延时为微秒级，如小于10µ
s。
因为现在APF的器件开关频率很高，如有的达20kHz，则开关周期为50µ
s，因此一旦预处理环节延时超过10µ
s，会影响整个APF的谐波跟踪及补偿效果。
③采样保持与A/D转换
APF对谐波信号的时间同时性要求比较高，因此一般情况下应该对所需要的信号进行同步采样，所以需要加采样保持电路，即在同一时刻对输入的信号进行采样。
将采样的信号保持起来，然后可以分别进行A/D转换，将模拟量转换为数字量。
由于APF对信号频率范围及精度的检测有较高的要求，因此应该根据滤波器对谐波补偿的要求确定采样保持的频率及A/D转换的速度。
按照采样定理，信号的采样频率必须为信号频率的2倍以上才能复原该信号，实际中为了获得较好的效果，一般要求采样频率为信号频率的4倍以上才能较好的得到该信号。
例如如果电力系统要求补偿谐波的最高频率为21次谐波，则信号的采样频率最好在4x21x50·
4200HZ（以上）。
同时A/D转换的精度应该满足要求，通常在12位以上。
3.3.2控制系统
有源电力滤波器的控制系统及选用的控制算法是其滤波效果好坏的关键。
APF的控制系统主要由模拟控制系统、数字控制系统以及数字模拟混合控制系统三类。
近年来随着微电子技术的快速发展，各种数字芯片的性能大大提高，因此有源电力滤波器的控制系统逐步由模拟控制系统转化为模拟数字混合控制及数字控制系统。
APF控制系统一般由控制算法和触发脉冲产生两个部分组成，如图3.5所示。
其中控制算法处理部分对谐波检测环节送来的数字信号进行处理，并与APF产生的谐波比较，根据其差值采用一定的控制方法，产生适当的驱动脉冲信号给触发脉冲发生部分。
由于微处理器的能力很强，能够完成APF所需要的谐波检测，并产生所需补偿的参考谐波信号，而如果采用模拟电路则非常繁琐，算法与参数的调整也很不方便，因此APF这一部分一般采用微处理器来实现。
图3.5有源电力滤波器的控制系统
所谓的数字模拟混合控制系统，通常是在获取参考谐波信号后，通过模拟电路实现谐波跟踪并产生控制有源电力滤波器所需的PWM脉冲。
与数字电路相比，采用模拟芯片来实现一般的谐波跟踪和PWM脉冲控制具有更快的速度和更高的分辨率。
图3.6为APF中经常采用的一种数字模拟混合控制系器的模拟部分。
其中参考电流信号有微处理
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