三相并联型有源电力滤波器关键技术的研究

发布时间：2016-04-28 17:11

第 1 章  引   言

1.1  谐波的产生及其危害 
谐波的产生在电力系统的运行过程中是无处不在的，包括发电，电能的传输，配送，到最终电能的使用，整个流程中都有可能有谐波产生。在以上的几个环节中，用电过程产生的谐波的量是最大的[1]。该过程中谐波产生源主要包括以下几个方面：第一，非线性电子设备的使用过程中产生的谐波。第二，铁路在电气化进程中产生大量的谐波。第三，工业上使用到的电弧装置在启动和使用过程中产生大量谐波。第四，在日常生活中使用到的办公设备，家用电器等日常工具也会产生谐波。 电力系统中谐波的产生会带来巨大的危害，主要包括：第一，谐波对电能质量的污染。正常供电的电能频率和电压幅值都应该稳定保持在供电等级所规定的范围内。谐波则会破坏电网电压的稳定性，使得电能的频率和电压值都有可能超出规定的范围，造成电能质量的严重降低，接入电网的电器设备的损害。第二，谐波对接入电网电气设备的危害。谐波会增加电网中接入的电气设备的电能消耗，造成不必要的电能流失，增大了发电设备的工作量。对于三相四线制发电机构成的电力系统而言，大量的谐波会使本应无电流流过的中线上产生大量的零序电流，影响最恶劣的是 3 次谐波电流，由于数值较大会使线路工作的同时严重发热损坏绝缘，严重时有可能引发火灾；同样的，对于旋转电动机构成的电力系统而言，谐波也会在系统工作的同时产生大量的热能，使更多的能量以热能的形式消耗掉了，谐波也对机械运行产生影响，会导致电机旋转振动明显加剧而产生噪声，降低电机可使用年限。对于变压器而言，谐波除了引起发热外还会带来更多的铜损和铁损。对于电力电缆而言，谐波引起的发热造成致命的绝缘老化，这样就会发生漏电情况，轻则短路，重则造成人员触电。第三，谐波会引起谐振。由于谐波的频率往往比系统工作频率要高出许多，谐波的产生会使得系统的感抗增大容抗减小。这样就有可能使原本正常工作的非线性电路产生 LC 谐振。谐振会使流过电容或电感的谐波电流增大好多倍，从而击穿毁坏设备。第四，，谐波会引发继电器误动作，造成电力设备的测量工作不准确。第五，谐波会干扰通信系统。电力系统与通信系统之间一般是靠多个变压器来耦合的，传输功率高为兆瓦级的电力系统只要微小的谐波就会在传输的功率仅为毫瓦级的通信系统上反映出相当大的噪声。  
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1.2  电力系统谐波的抑制措施 
由于谐波会产生上述说明的危害，如何尽量降低谐波的产生，实现对谐波的良好控制对整个电力系统的发展和管理都是非常重要的。据统计，在一些电力系统管理发展比较成熟的西方国家，他们用电子装置为超过一半的国家电力负载提供电能；而我国的供电中，有将近三分之一的电能是利用一定的电力转换装置转换为居民使用电。无论是容量、使用频率还是控制算法的多元化，都使得电力电子转换装置在我国的电力系统中发挥了越来越重要的作用，但是随之而来的就是谐波污染现象加重。消除谐波污染有助于保证电力系统的清洁，提高电能的质量，这是一个急需解决的问题。 通常来说，抑制谐波的主要方法有两种，一种是主动控制，一种是被动控制。主动控制是从谐波产生的源头进行控制，减少谐波的来源。被动控制是谐波的来源不变，通过采取一些手段来消除谐波在传播过程中的影响。这两种方法各有利弊。第一种方法能够从根源处消除谐波的产生，更加彻底。但是这种方法需要对整个电力系统的装置都进行彻底的更换，需要大量的时间，资金和精力，不具备可行性。所以，在现实情况下，一般使用的是第二种被动方法来减小谐波带来的影响。多采用的是添加滤波装置对谐波进行过滤，阻止谐波对各种电力设备造成损害。 
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第 2 章  三相并联型 APF 数学模型及主电路参数设计 

建立较为精确的数学模型、设计合理的主电路参数是研究三相并联型有源电力滤波器的基础，这对三相 APF 的谐波补偿性能起着决定性的作用。本章将从三相三线并联型有源电力滤波器的整体组成出发，对其工作方式进行分析，并完成拓扑电路数学模型的建立，包括三相静止坐标系下、旋转坐标系下的数学模型。然后详细地介绍了 SVPWM 调制方式的原理。最后，结合数学模型，从 APF 的控制目标出发，分析了三相 APF 电网侧滤波电感、直流侧稳态工作电压以及直流侧的储能电容大小对 APF 工作性能的影响，并给出了相关参数的工程设计方法。本章建立的数学模型及其主电路参数的设计为后续第四章控制参数的设计提供了依据。 

2.1  三相三线并联型有源电力滤波器的数学模型

在图 2.1 中，需要补偿的谐波电流源为三相非线性负载，在实验中，采用负载为带阻感特性的三相不控整流桥产生谐波电流。R 为 A、B、C 三相线路上综合损耗的等效电阻（包括电感电阻以及桥臂死区等效电阻），L1以及L2表示 APF的并网电感，分别称为内侧电感以及外侧电感。APF 在运行时，通过对非线性负载的电流进行实时检测，并通过谐波检测算法计算出非线性负载中的谐波分量作为 APF 的补偿电流指令，以 APF 的并网电感的电流作为控制量，形成负反馈的闭环控制系统，然后对其经过电流控制器进行调节得到需要调制的电压，通过采取滞环控制、三角载波或者空间矢量调制等方法发出 PWM 脉冲信号，经过驱动电路后作用到三相桥臂全控型开关管上，通过控制桥臂的逆变实现对并网电感电流的控制，达到跟踪谐波指令的效果，实现系统的谐波补偿。这就是三相三线制并联型 APF 的工作原理。 

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2.2  三相三线并联型 APF 主电路参数设计 
前面介绍了三相三线并联型 APF 系统的工作原理，且在状态空间中建立了APF 的数学模型。分析其数学模型，从补偿谐波的目的出发，可知系统主电路参数的设计将直接关系到有源电力滤波器的系统模型，计算出合适的主电路参数为研究 APF 系统谐波补偿性能奠定了基础。对于三相并联型有源电力滤波器，本文将从开关频率、并网电感、母线电压、母线电容以及交流侧 LCL 高频滤波器这五个方面对其主电路参数进行研究。当 APF 系统的载波频率较高时，则输出电压的纹波较小，系统更接近于连续系统。同时，APF 在工作时，也需要维持母线电压稳定，在其他条件一致的情况下，提高系统工作频率也可以减小母线电压的波动。因此，从控制的角度而言，提高系统的开关频率是有好处的，但是开关损耗也会随着开关频率的提高而增加，降低系统效率，增加系统的散热成本，再者控制芯片的工作频率也是有限制的，因此实际工程应用中，我们应当综合考虑系统的控制性能以及系统损耗这两个相互制约的因素来折中选择开关频率[42]。本系统采用的开关频率为12kHz。 
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第 3 章 三相三线并联型 APF 谐波电流的检测..........29
3.1 基于滑动平均思想的 DFT 谐波电流检测算法.....29
3.1.1DFT 算法的原理.......29
3.1.2 引入滑动平均算法后的 DFT 谐波检测算法.........30
3.2 谐波检测算法的 MATLAB 仿真分析......31
3.3 本章小结.........38
第 4 章 三相三线并联型 APF 控制的研究.........39
4.1 三相三线并联型 APF 系统双环控制策略.....39
4.2 三相并联型 APF 双环 PI 控制器的设计........40
4.3 重复+PI 复合电流控制器的设计...........46
4.4 本章小结.........52
第 5 章 三相三线并联型 APF 的仿真分析.........53
5.1 三相三线并联型 APF 系统仿真模型.....53
5.1.1 系统仿真模型介绍.........53
5.1.2 三相并联型 APF 控制模块.....54
5.2 双环 PI 控制系统的仿真结果........55
5.3 重复控制+PI 控制的 APF 系统仿真结果.......58
5.4 本章小结.........59  

第 5 章  三相三线并联型 APF 的仿真分析 

前几章对三相三线并联型有源电力滤波器的主电路参数、谐波检测算法、控制算法等几个方面做了比较详细的理论分析及其设计，本章将通过 MATLAB 搭建三相有源电力滤波器的系统模型，对前文所研究的关键技术进行分析与验证。 

5.1  三相三线并联型 APF 系统仿真模型
前面章节已经从三相并联型 APF 的学建模及主电路参数设计、DFT 谐波检测算法以及双环控制器的设计等几个方面进行了比较详细的理论分析与设计，本章通过 MATLAB 搭建 APF 系统模型，详细介绍仿真系统的控制模块，分别对PI 控制与“重复+PI”两种电流控制器进行对比验证，仿真结果验证了前几章理论分析与设计的正确性以及可行性，为实际应用奠定了理论基础。  
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结论

围绕着一台三相三线并联型有源电力滤波器的工程设计，本文从拓扑结构、谐波检测算法、控制器的研究等几个方面对三相 APF 的关键技术进行了深入的研究，最后通过 MATLAB 对相关设计以及理论分析进行了验证。具体完成了如下工作： 
(1) 拓扑结构方面，本文从三相 APF 的总体出发，给出了三相 APF 的系统图以及简化后主电路的模型，在其简化模型的基础上，建立了同步旋转 d-q 坐标系下的 APF 数学模型，绘出了 APF 模型的控制框图，且详细地讲述了 SVPWM调制技术的基本原理。围绕 APF 的工作状态以及控制目标，本章给出了母线电压、母线电容、交流侧电感以及交流侧并网滤波器等主电路参数的设计原则，完成了主电路参数的设计。 
(2)  对于谐波检测算法，本章详细地研究了 DFT 谐波检测算法。首先，讲述了 DFT 算法的基本原理，指出了它的缺点，然后引入了滑动平均的求和思想到该算法。最后通过 MATLAB 仿真对其原理以及算法的稳态、动态特性进行了验证分析，并将其应用于三相非线性中进行谐波检测。由 MATLAB 仿真结果可知，采用基于滑动平均思想的 DFT 谐波电流检测算法，可以准确地检测出周期性负载中的基波、各次谐波电流。 
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参考文献(略)
 

本文编号：36317