摘 要

电力的发展是目前能源资源的主流，随着社会能源结构的改革，对当今的电能要求越来越高。UPS强大的抗干扰性功能可确保电力连续运行不受干扰，从而解决了电源质量差和电源故障的问题。但是UPS的使用量越来越多，其内部的电力电子器件使得电网的污染越来越大，而且这些电力电子装置在产生谐波电流的同时对无功功率也有损耗，谐波的产生和无功功率的损耗会影响电网质量。采用有源电力滤波器成为抑制谐波的一个重要手段，其凭借实时跟踪补偿谐波电流的优势，现在其已经成为重点研究的方向。

本文是设计一种APF与UPS混成电源用以消除谐波。首先介绍了UPS和APF的典型拓扑和他们各自的工作原理，然后选择一种合适的拓扑结构构建仿真模型。其次学习APF的谐波检测技术，在本文我采用了单相谐波电流检测法，因为其准确度高而且计算方法简单。UPS的仿真模型我采用的是双变换在线式UPS，将两者结合构建混成电源模型。对于控制策略我研究的是UPS的逆变器，因为不管是UPS还是APF都有逆变器作为电路的主要器件，在本文中我采用双环控制向逆变器输入端输入控制信号。通过MATLAB/SIMULINK仿真混成电源和控制策略得到相应的波形图，通过分析验证此方法的可行性，且基本达成了预期目标。

关键词：UPS；APF；SIMULINK仿真；谐波检测；逆变器

Abstract

The development of electric power is currently the mainstream of energy resources. With the reform of the social energy structure, the requirements for today's electric energy are getting higher and higher. The powerful anti-interference function of UPS can ensure continuous power operation without interference, thereby solving the problems of poor power quality and power failure. However, the use of UPS is increasing, and the internal power electronic devices make the pollution of the power grid more and more, and these power electronic devices generate harmonic currents and also loss of reactive power. The generation and absence of harmonics The loss of active power will affect the quality of the power grid. The use of active power filters has become an important means of suppressing harmonics. With the advantage of real-time tracking and compensation of harmonic currents, it has now become a key research direction.

This article is to design an APF and UPS hybrid power supply to eliminate harmonics. Firstly, the typical topologies of UPS and APF and their respective working principles are introduced, and then a suitable topology is selected to build a simulation model. Secondly, study the harmonic detection technology and compensation current generation technology of APF. In this paper, I use the single-phase harmonic current detection method based on the instantaneous reactive power theory because of its high accuracy and simple calculation method. UPS simulation model I use a double conversion online UPS, the two are combined to build a mixed power model. For the control strategy, I researched the UPS inverter, because both UPS and APF have inverters as the main components of the circuit. In this article, I use double-loop control to input control signals to the inverter input. Through MATLAB / SIMULINK simulation of mixed power supply and control strategy, the corresponding waveforms are obtained. The feasibility of this method is verified by analysis, and the expected goal is basically achieved.

Key Words：UPS；APF；SIMULINK simulation；harmonic detection；inverter

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 1

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究现状 1

1.3 发展前景 2

1.4 研究内容 2

第2章 APF工作原理 3

2.1 APF的类型 3

2.1.1 并联型APF 3

2.1.2 串联型APF 4

2.1.3 串并联型APF 4

2.2 APF拓扑结构的选取 5

2.3 谐波检测方法 6

2.3.1常用的谐波电流检测方法 6

2.3.2基于瞬时无功功率的谐波电流检测法 6

2.3.3单相电路谐波检测方法 11

2.4 谐波电流预测方法研究 12

2.5 APF的控制技术 14

2.5.1滞环比较控制法 14

2.5.2三角波调制控制法 14

第3章 UPS工作原理 15

3.1 UPS的分类 15

3.1.1 后备式UPS 15

3.1.2 在线互动式UPS 15

3.1.3 双变换在线式UPS 16

3.2 UPS模型的选取 17

第4章 混成电源系统建模与仿真分析 18

4.1 单相APF建模与仿真分析 18

4.1.1 单相APF参数设计 18

4.1.2 单相APF仿真分析 19

4.2 单相UPS建模与仿真分析 23

4.2.1 单相UPS仿真建模 24

4.2.2 单相UPS仿真分析 24

4.3 混成电源系统建模与仿真分析 27

第5章 UPS逆变器建模与仿真分析 29

5.1各种控制策略对比分析 29

5.1.1 PID控制策略 29

5.1.2重复控制策略 29

5.1.3无差拍控制策略 29

5.1.4状态反馈控制策略 30

5.1.5滑模变结构控制策略 30

5.1.6智能控制策略 30

5.1.7 SPWM控制策略 30

5.2双环控制策略分析 31

5.2.1概述 31

5.2.2双环控制算法 31

5.3 UPS逆变器控制策略仿真分析 34

5.3.1 构建仿真模型 34

5.3.2优选采样周期 35

5.3.3 仿真分析 35

第6章 结论与展望 39

参考文献 40

致谢 42

第1章 绪论

1.1 研究背景

电力的发展是目前能源资源的主流，随着社会能源结构的改革，对当今的电能要求越来越高。电能质量涵盖了电力系统的谐波污染、电压偏离额定值、三相电压和电流幅值不一致、电压与标称电压偏离和频率幅值相位不一致五个方面。正是因为电力系和负载的非线性，才导致电力系统很难输出理想的正弦波形。

随着电子电子技术的进步，它在电力系统中的大规模的应用，其造成的直接影响就是产生谐波污染电网。同时，各种各样的开关电源、UPS的使用越来越多使电能质量变差，污染日益严重。在电力系统中应用的电力电子装置产生谐波和消耗无功功率的同时对电网的损害也越来越大^[1-3]。

国际电工技术委员会制定IEC555-2和IEC1000-3-2标准，欧洲ASE3600标准、美国IEEE5191993标准颁布说明各个国家对于谐波污染都引起了重视。消除谐波污染和无功功率损耗的思想有：

1. 增加装置对谐波和无功功率进行补偿。其主要是安装辅助设备在供电电网和受电装置之间的公用点，统一对影响电网的谐波产生源进行抑制和补偿无功功率，这种方法应用对象较为广泛。

（2）控制电力电子装置消除谐波和无功功率 ^[4,5]。