不定频滞环SVPWM控制的有源电力滤波器的研究

发布时间：2016-08-20 06:11

第一章    绪论

1.1 研究目的及意义 

近几年来，由于各种电源设备、电子变频设备、计算机、调压设备以及节能灯等大量感性或非线性负荷的逐渐增多，电网出现了用电冲击及不均衡的状况，谐波含量不断增多，使电力系统中电压和电流的波形严重失真，对电网造成了非常严重的谐波污染；与此同时，由于我国经济发展迅速，高科技产品的使用量大幅度提升，工业用电对于电能的要求也提出了更高的标准，电能质量问题逐渐成为了人们关注的焦点问题。因此，治理谐波污染，提高电能质量已经成为电气领域的一个重大课题[1,2]。 由于人们生活水平的提高，家用电器的容量日益增大，谐波污染程度日趋严重，传统无源滤波补偿系统早已无法满足。一种能够有效提升电能品质的电力电子装置急需问世，确保日常用电需求。近年来电力电子器件发展迅猛，电力场效应晶体管及绝缘栅双极晶体管等电力电子元件使电能质量控制装置的品质逐步提升。 有源电力滤波器涉及多个领域，其在现实生活中对于经济的影响不容小觑。有源电力滤波器不仅可以抑制谐波，控制电能质量，同时对于节能环保以及走可持续发展道路也有着重要积极的意义。 

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1.2 谐波的危害及治理 
谐波，就是指那些频率是基波频率的整数倍的正弦波分量。谐波源主要是一些含有非线性铁磁材料的设备，比如变压器和铁磁谐振设备等；或者是含半导体开关器件的设备，如整流设备和变频设备等；还有一些家用节能设备，如电焊机、电炉焊及日光灯等。 谐波被公认为是公共电网的主要污染源，其存在不仅会对电力系统的供电可靠性和质量造成影响，同时也会对用电设备产生危害[3-5]。谐波主要有以下危害：增加发、输、供和用电设备等的附加损耗，使其使用效率降低，增加电网的导线损耗；可能会导致电网与补偿电容器间发生串、并联谐振，这将使谐波电流放大几倍甚至数十倍，容易造成过电流，从而导致用电设备损坏，甚至引起跳闸事故；谐波还会产生热效应，会使用电设备发热、绝缘老化；干扰通信及信息处理设备，轻则会产生噪声，干扰通话质量，重则将导致信号丢失；导致继电保护设备的错误工作，同时还会引起电气测试仪器结果出现误差。 IEEE 和 IEC 等国际组织给出了相关的谐波含量国际标准[6]。随着非线性负载的不断增加，我国对于谐波治理也十分重视，开发电能质量标准[7,8]。 电压等级逐渐增大，对于总谐波失真（THD）的要求也越发苛刻。表 1-1为电网谐波失真率国家标准。其中，一些需要高品质供电的场所，规定电网的THD 小于 3% [9]。 
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第二章    有源电力滤波器整体设计

2.1 整体方案 
本文所设计的 APF 系统整体方案框图如图 2-1 所示。从图中可以看出，该系统主要由 4 大部分组成，分别是检测、控制部分及驱动电路和主电路。检测部分通过调理电路将强电信号转换成弱电信号，进入控制部分。控制部分进行指令电流运算，并最终得到 PWM 脉冲信号。通过驱动电路升压产生驱动脉冲，使主电路的开关管工作，最终产生补偿电流来消除谐波[22]。 
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2.2 谐波及无功电流检测 
APF 补偿性能的好坏首先取决于谐波及无功检测的准确性与实时性[23]。APF 的基准电流检测一直是学者们研究的热点。谐波检测如果以时域和频域来划分，时域检测主要有基于瞬时无功的 p-q、dq 检测、基于人工神经网络和自适应检测等；频域检测法主要包括快速傅立叶变换法、小波变换和带通检测法等[24]。若依据检测电流的提取点可分为负载侧电流检测和源侧电流检测，两者在电压及电流控制上是完全等效的。但负载侧电流检测下的系统为开环系统，而源侧电流检测方式中补偿对象就是检测电路的输入信号，输出对输入构成了一个闭环的系统，因此会有更好的补偿效果[25,26]。根据不同的场合及要求，可以选择不同的检测方法。目前，对于 APF 的谐波电流检测方法，基于瞬时无功功率理论的检测法使用率最高，其计算原理是后续其他多种检测方法的理论基础[27-30]。p-q 检测算法补偿灵活性好，但该算法仅适用于三相电网电压对称的谐波和无功电流检测，且受电压畸变影响较大，现在应用较少。而 ip-iq 检测法是在 p-q 理论的基础上发展起来的，但该算法需分解单相构建三相，再通过 ip-iq 法计算指令信号，过程十分繁琐。目前使用较为普遍的 dq 检测法，在电网电压失真及负载电流非对称的状况下，仍然适用。因此以下对 dq 谐波电流检测法做进一步研究。  
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第三章    有源电力滤波器仿真研究 .......... 22 
3.1 稳态仿真 .... 22 
3.2 检测方法的仿真对比分析 .... 24 
3.3 控制方法的仿真对比分析 .... 25 
3.4 动态仿真实验的分析 ..... 27 
3.5 本章小结 .... 29 
第四章    有源电力滤波器实验研究 .......... 30 
4.1 硬件电路设计及实验 ..... 30 
4.1.1 电流检测及调理电路 .... 30 
4.1.2 电压检测及调理电路 .... 31 
4.1.3 电压过零检测电路 ........ 32 
4.1.4 主电路及驱动电路 ........ 33 
4.2 软件设计 .... 33 
4.2.1 主程序设计 ...... 34 
4.2.2 中断子程序 ...... 34 
4.3 实验及结果分析 ...... 35 
4.3.1 实验平台的搭建 ..... 35 
4.3.2 实验结果及分析 ..... 36 
4.4 本章小结 .... 38 

第四章    有源电力滤波器实验研究 

本章在前两章的基础上，将搭建并利用实验平台对不定频滞环 SVPWM 控制的 APF 系统进行实验研究。 

4.1 硬件电路设计及实验 
首先选取型号为 CHB-25NP 的霍尔电流传感器，CHB-25NP 有 5种连线方式，分别得到五种匝数比，本文选择 1000：5 匝数比，额定输入电流为 5A，额定输出电流为 25m A。图 4-1 即为电流调理电路。 经过霍尔电流传感器后的电流信号，经 R0 变为电压信号，R1 和 C1 进行滤波，与加法器反相端输入的+5V 相加，再经过反相比例放大电路，最后通过D1 和 D2 进行箝位，使得输出电压大小在 0~3.3V 的范围内，以能够送入DSP。若输出电压值为负时，二极管 D2 导通；若电压值大于 3.3V，D1 则导通，所以电压就会被箝位在 0~3.3V 的幅度之中，可直接送入 DSP 的数模转换通道。 使用 CHV-25P 型号霍尔电压传感器对直流侧电压进行采样，，转换为电流量，然后再通过电阻 Rm 将电流信号转换成电压信号，经过电压跟随器进行隔离，后经过箝位电路，使其输出电压在 0~3.3V 的范围内。 
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结论 

本文在充分了解APF的结构、工作原理、国内外发展现状及未来发展趋势后，对于本文所采用电流检测及控制方式进行了深入研究，并在此基础上进行了仿真分析及实验研究，仿真及实验结果达到预期目标，验证了系统的可行性和有效性。主要研究内容及成果如下： 
1.  本文首先阐释了谐波的产生原因及危害，并介绍了APF对于治理谐波的有效性。并对其结构及工作原理进行了系统的理论分析，最终确定APF为本文研究对象。 
2.  通过对比分析传统负载侧电流检测方法与源侧电流检测方式，针对前者计算量大的缺点，将源侧电流检测方式作为本文检测方式，并推导了其与传统负载侧电流检测方法的等效性。针对滞环电流控制方式与空间电压矢量脉宽调制方式各自的不足，选取不定频滞环SVPWM控制方式为电流控制方式，并详尽分析其原理。 
3.  针对系统容量、输出电感及电容等参数进行深入分析，确定满足要求的参数范围。在PSCAD/EMTDC软件中搭建了系统仿真模型，在相同仿真参数下，分别对检测方式和控制方式进行对比仿真，仿真结果表明本系统所选用的检测与控制方式补偿效果更好。同时为了验证本文所设计APF系统在实际环境中的动态性能，对其进行了动态仿真研究。结果显示系统在负载突变时响应速度快，性能良好。从仿真数据可以看出本系统所选用的检测与控制方式的准确性及优越性。 
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参考文献(略)

本文编号：98581