基于MATLAB 的有源电力滤波器的设计毕业论文

2020-02-25 22:47:41

摘要

电网负载中有许多是非线性元件，它们的存在会使电网的电流波形偏离正弦，如果不对畸变的电流采取措施，将使电网的供电电能质量恶化。随着各种电器设备的智能化，可控化程度的提高，这一问题变得尤为突出。

由数学分析可知，偏离正弦的波形是由于存在着谐波。为了将波形还原为正弦，必须滤除谐波。针对电力滤波这一内容，本文利用MATLAB的SIMULINK工具包进行了建模与分析，并与无源滤波的滤波效果进行了对比。

仿真分析与对比结果表明，对于带阻感负载的三相不可控整流电路来说，并联型有源电力滤波器有着卓越的滤波性能，其不仅滤波彻底（相对于无源滤波），并且能很好地适应负载的动态变化。

关键词：谐波抑制；并联型有源电力滤波器；瞬时无功功率；仿真

Abstract

Many of the grid loads are non-linear components. Their presence will deviate from the sine of the current waveform of the grid. If no measures are taken to the distorted current, the power quality of the power grid will be deteriorated. With the intelligentization of various electrical equipments and the increase in controllability, this problem has become particularly prominent.

According to mathematical analysis, the deviation from the sinusoidal waveform is due to the presence of harmonics. In order to restore the waveform to sine, harmonics must be filtered out. For the content of power filtering, this paper uses MATLAB's SIMULINK toolkit for modeling and analysis, and compares it with the filtering effect of passive filtering.

Simulation analysis and comparison results show that, for a three-phase uncontrolled rectifier circuit with resistive load, the shunt active power filter has excellent filtering performance. It not only filters completely (as opposed to passive filtering), but also can Adapt to the dynamic changes of the load.

窗体顶端

Key Words：Harmonic elimination; Shunt active power filter; Instantaneous reactive power; Simulation

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1 谐波的基本概念及其危害 1

1.2 有源滤波技术的发展 2

1.3 有源电力滤波器的基本分类 3

1.3.1 并联型有源电力滤波器 3

1.3.2 串联型有源电力滤波器 4

1.3.3 串并联型有源电力滤波器 4

1.3.4混合型有源电力滤波器 5

第2章有源电力滤波器的基本原理 8

2.1 谐波检测 8

2.1.1 基于FFT的数字分析法 8

2.1.2 基于瞬时无功理论的快速谐波检测方法 9

2.2 APF的控制策略 13

2.2.1 电流跟踪控制 13

2.2.2 电压控制 14

第3章并联型有源电力滤波器的设计 16

3.1 概述 16

3.2 电容侧电压计算和电容值的确定 19

3.3 电流电压检测设计 20

3.3.1电流检测电路的设计 20

第4章并联型有源电力滤波器的仿真 21

4.1 仿真环境 21

4.2 仿真模型的建立 21

4.2.1 并联型有源电力滤波器系统仿真模型 21

4.2.2 主电路的仿真 22

4.2.3 谐波源的仿真 22

4.2.4 谐波检测与控制电路的仿真 23

4.3仿真结果 24

4.4 有源滤波与无源滤波的对比 27

第5章结论 30

参考文献 31

致谢 32

绪论

谐波的基本概念及其危害

严格的线性元件是非常少的，因此谐波问题也由来已久。人们也很早地发现了波形畸变的奥秘。即谐波的存在是导致波形偏离正弦的罪魁祸首。目前，国际普遍定义谐波为：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍[^[1]]。

电力系统中谐波源按其产生具体原因的不同主要可以分为四大类[^[2]]，一是铁磁饱和型谐波源：顾名思义，该类谐波源的非线性是由于铁芯磁通饱和而导致的，含有铁芯设备都有可能成为此类型谐波源，如电力变压器，互感器，电抗器。二是电弧型谐波源：这种谐波源的谐波是由于其工作状态具有极强的冲击性所导致的。因为工作状态变化剧烈，所以其产生的谐波也是随机的，因而其谐波的变化范围也比较大。三是电力电子开关型的谐波源：由于开关具有很强的非线性，应用电力电子技术制成的电力电子装置也具有很强的非线性，常用的有各种交直流变换装置，大到特高压直流输电中的换流站，小到手机充电器，都会产生大量谐波。四是发电机谐波源，事实上电力系统的波形从被产生出来就不是严格的正弦波形，这是由发电机自身所决定的。从目前的情况来看，某些发达国家超过一半的负荷供电来自于电力电子装置，并且国内的情况也朝着这个方向发展。不断有更加大型的电子电子装置被研发出来并被投入使用，其产生的谐波污染问题已越来越引起人们的关注。据统相关计表明，由电力电子装置所产生的谐波占有谐波总量的2/3以上，电力电子装置实际上已经成为了最大的谐波源[^[3]]。

电网中的谐波危害十分严重，首先由于谐波的存在，发电机的效率不能全部发挥出来，在电能的传输过程中，谐波会增大电能的损耗，从而引起导线过热烧毁，甚至使电力设备振动，产生噪音等。另外，谐波的存在会给过电压的防治带来诸多挑战，因为谐波可能会引起电力系统的局部甚至系统谐振，从而引起严重的过电压事故。再次谐波对于继电保护装置的干扰问题也不容忽视，更有甚者，谐波还会影响到附近通信系统的正常工作。

由以上的分析可以知道，谐波既广泛存在与各级电网中，又存在着很大的安全隐患，所以人们很早就开始思考如何减少电网中的谐波。但在这个领域做出卓越贡献的确是一位数学家——傅里叶，根据他提出的傅里叶变换，人们将其用于分析周期性电流，为谐波的治理奠定了初步基础。到了50年代，由于高压直流输电的兴起，同时电力电子技术也在这一时期诞生，它们带来的谐波问题开始引起人们的广泛关注；进入21世纪以后，我国的柔性交流输电以及特高压直流输电得到迅速发展，由此带来的谐波治理问题更加严峻。我国制定的标准为:

低压电网（1KV）4%～5%；
中压电网（2.4～72KV）2%～8%；
高压电网（84KV及以上）1%～1.5%[^[4]]。

有源滤波技术的发展

从滤波技术的发展历程来看，按其元件类型分类，可以将其分为两大类，即有源滤波与无源滤波。无源滤波没有电源，只能依靠各种元件（电感、电容、电阻）的组合来构成谐波的低阻抗通路，从而达到抑制谐波的效果。无源滤波器的电路结构如图 1.1 所示。

图1.1 无源滤波器结构图

无源滤波器成本较低，技术成熟，但其不足之处也是显而易见的，例如只能滤除固定的一次或者几次谐波，生产生活中不断地有负载从与电网脱离，也不断有新的负载工作，负载的变动会直接影响到谐波的次数与幅度，这时无源滤波器的缺点就暴露无遗，因为其不能很好地适应电网的变化，所以无源滤波器的滤波效果会受到很大的限制。此外，无源滤波器接在电网中本身也存在着诸多安全隐患，如果由于外部条件变化导致LC参数发生变化，不光其滤波效果也会受到影响，严重的甚至会导致电力系统局部谐振，产生严重的过电压，危及电力设备与相关工作人员。正是由于无源滤波器的诸多局限，迫使人们不得不重新寻找一种新的滤波方式。

有源电力滤波器的历史可以追溯到五十年前的两篇论文，即通过向交流电网注入谐波电流来减小电源电流的谐波成分，从而达到改善电源电流波形的目的，这就是有源电力滤波器基本思想的萌芽[^[5]]。但由于当时的环境下缺少快速检测谐波的新方法以及受到器件的限制，有源电力滤波器还未付诸实践。但是PWM技术的快速发展以及赤木泰文瞬时无功功率理论被提出后，有源电力滤波器理论得到了突破性的发展，人们已经拥有足够的技术积累将有源电力滤波由理论变成现实。

在巨大的经理利益的推动下，有源电力滤波的实践应用也快速发展起来。许多世界知名企业如西屋电气、三菱电机、西门子都在这方面做了许多工作。有源电力滤波器在巨大的市场需求中得到发展，容量问题却一直是限制滤波器应用的一大障碍，但随着电力电子器件容量的快速增加，这个问题逐渐得到解决。

有源电力滤波器起源于国外，但随着政府对电能质量的不断关心，国产有源电力滤波器也不断发展起来。但现在国产有源电力滤波器面对的主要问题是性能的不稳定，后期维护量大，比起欧美老牌企业，竞争力不大。在此过程中，国产有源电力滤波器已经发展出了深圳盛弘、重庆麦克斯韦、西安赛博等一系列品牌。

有源电力滤波器的基本分类

人们通常把有源电力滤波器分为四大类：即并联型有源电力滤波器、串联型有源电力滤波器、串并联型有源电力滤波器、混合有源电力滤波器[^[6]]。

有源滤波只把波形分为基波与谐波，而不关心谐波的次数及含量，因此相对于无源滤波来说，滤波更为彻底与简便。但整个过程要求迅速快捷，否则补偿电流跟不上谐波电流会导致补偿失败。

并联型有源电力滤波器

在各类有源电力滤波器中，并联型有源电力滤波器的应用独占鳌头。其原理框图如图1.2所示。

图1.2 并联型有源电力滤波器的原理框图

从图1.2可以看出，负载与主电路以并联形式存在。为了方便理解，可以将其近似看做一个受控电流源，为电路注入补偿电流。以下文将要讨论的三相不可控整流电路为例，由于这部分谐波电流基本不受外部条件的影响，故通常将其近似视为电流源。这类非线性负载适宜使用并联型有源滤波。

串联型有源电力滤波器

串联型有源电力滤波器串联在电源与负载间。一般接在对负载电压稳定性较高的装置前，即当系统电压受到干扰时，它能够输出适当的补偿电压，使负载侧电压保持稳定[^[7]]。其结构原理框图如图1.3所示。

图1.3 串联型有源电力滤波经变压器接入系统的基本结构

图1.3所示为通过变压器接入线路，这种接入方式的好处是只需要改变变压器的变比即可将装置接入系统相应的电压等级，逆变器的设计比较灵活，而且由于变压器的隔离作用，逆变器三相可以共用同一直流侧，有利于利用直流侧的容量，不足之处是投资大以及存在铁磁非线性等缺点。也可以将串联型有源电力滤波器直接接在电网中，即不需要变压器，逆变器直接通过电容串联接入系统中。这种方式的好处是可以减少投资，但三相直流侧必须隔离。

串并联型有源电力滤波器

由上面的分析可以知道：并联型电力有源滤波器只能针对谐波电流进行补偿，并且其补偿效果受到补偿装置与被补偿设备之间距离的限制。但是，由于非线性负载的分布位置往往是不能事先预知的，在面对异地谐波的冲击影响时，并联型有源电力滤波器有些力不从心。

上面介绍了两种类型的有源电力滤波器各自的适宜的应用场合。即使是在负载侧接入串联滤波器，可以滤掉特定的电流谐波，一旦非线性负载发生动态变化，串联滤波器将失去作用。

那么问题来了，既然两者在功能上存在一定的互补性。那么如果将两者集成到一起就能及补偿电流又能够补偿电压。基于这种思想，串并联有源电力滤波器应运而生，两者相互配合，互相协调，从而使串并联型电力有源滤波器兼具串联型有源电力滤波器与并联型有源电力滤波器的优点[^[8]]。图1.4为串并联有源电力滤波器的第一种形式；图1.5为有源电力滤波器的第二种形式。

图1.4 并联变流器位于负载侧，串联变流器位于网侧

图1.5 并联变流器位于电网侧，串联变流器位于负载侧

1.3.4混合型有源电力滤波器

容量与成本是限制有源滤波发展的两大因素，但这正是无源滤波的优势所在，基于上面的思想，如果能将二者结合起来，使其发挥出两者的优点，则将对电网的谐波产生更好更经济的治理效果。

根据有源滤波器与无源滤波器的连接方式，并联混合型有源电力滤波器有APF与PF并联，如图1.6。APF与PF串联，如图1.7。

图1.6 APF与PF并联的并联混合型有源电力滤波器结构框图

在图1.6所示的APF与PF并联的并联混合型有源电力滤波器中，PF为单调谐低通滤波器，它的存在大大地减少了APF的工作量，它能将能量较大的低次谐波滤除，使其剩下含量较小不易滤除的高次谐波。这大大减轻了APF的工作量。

图1.7 APF与PF串联的并联混合型有源电力滤波器的原理框图

图1.7是混合型有源电力滤波器的另一种结构，与上图不同的是，该种类型的混合滤波器可以通过降低APF的工作频率来获得高容量，从而也能够取得不错的滤波效果。

图1.8 另一种APF与PF并联的并联混合型有源电力滤波器的原理框图

图1.8所示即为图1.6所设想的混合型有源电力滤波器。即利用PF分担滤波压力，实现APF的经济高效利用。

有源电力滤波器的基本原理

谐波检测

高频化是电力电子技术的发展趋势之一，很多常用的开关器件的开关时间已经达到了微妙级甚至更低，如果检测时间过长，会使谐波补偿效果大打折扣。传统的傅里叶分析法存在一个致命的缺陷，即需要一个周期（工频20Hz）的采样时间，若再加上计算时间（计算较为复杂），这将大大超出应有的响应时间，因此这种方法不具有谐波检测所需要的快速性。

快速性是谐波检测中最为重要的一环，为了使有源电力滤波器具有实用性，相关专家进行了大量的研究工作。目前常用的有两种，一是基于快速傅里叶变换的数字分析法和基于电压电流关系的瞬时无功功率法。

基于FFT的数字分析法

快速傅里叶分析法（FFT）即通过数学分析的方法直接得到波形的表达式。但相对于传统的傅里叶分析法，FFT在计算复杂度上有了大大地简化。以便于进行时域与频域分析。但由于其是基于傅里叶分析法，需要足够的采样时间，这会使电力电子装置出现很大的时间延迟。数字分析法思路清晰，简单粗暴，再辅以数字控制补偿电流，比较容易实现，但计算量较大，增加了延时，扩大了投资。

下面介绍基于这种思想的单相谐波快速检测方法；

根据电力系统电流电压的特点，设其为f(t),将f(t)用傅里叶级数展开，即

(2.1)