三相有源電力濾波器設(shè)計(jì)與仿真-電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

信息科學(xué)與工程學(xué)院本科生報(bào)告

題目名稱：三相有源電力濾波器設(shè)計(jì)與仿真

題目?jī)?nèi)容：要求學(xué)生在深入學(xué)習(xí)和分析三相有源電力濾波器的組成和工作原理基礎(chǔ)上，完成主電路和驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的硬件設(shè)計(jì)與元件選型，并在MATLAB SIMULINK平臺(tái)上，完成諧波電流檢測(cè)算法、直流電壓和輸出電流控制的仿真。

一、諧波概述及其治理

1、諧波的基本概念

2、諧波的危害

(1)諧波對(duì)電網(wǎng)的污染

理想的電網(wǎng)所提供的電壓應(yīng)該是頻率固定，電壓幅值在允許的范圍之內(nèi)，諧波對(duì)電網(wǎng)的污染使電網(wǎng)供電質(zhì)量惡化，使同一電網(wǎng)上的用電設(shè)備受到嚴(yán)重影響，甚至危及用電設(shè)備的正常運(yùn)行。

(2)諧波引發(fā)各種電力電子設(shè)備出現(xiàn)故障

諧波使系統(tǒng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，除降低了發(fā)電，輸配電和其他用電設(shè)備的效率以外，在三相四線制的電路中，由于大量的零序諧波電流，特別是3次諧波電流流過中線，會(huì)引起中線過熱，有引發(fā)火災(zāi)的危險(xiǎn)。另外，異常的，過大的中線電流的增加，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)中線對(duì)地線的電壓突增，將危及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的安全。諧波對(duì)于旋轉(zhuǎn)電機(jī)來說，除了增加損耗和引起發(fā)熱外，還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，噪聲和諧波過電壓，這對(duì)電動(dòng)機(jī)的壽命造成嚴(yán)重的影響。諧波電流流入變壓器，會(huì)增加變壓器的銅損和鐵損，引起變壓器發(fā)熱。諧波還會(huì)使變壓器的噪聲變大。諧波電流流經(jīng)電力電纜，令電纜發(fā)生過熱，長(zhǎng)期的過熱運(yùn)行將導(dǎo)致電纜的絕緣老化，甚至產(chǎn)生漏電和短路現(xiàn)象。

(3)諧波引起諧振

為了補(bǔ)償無功功率和濾除諧波，常常需要并聯(lián)電容器，或者設(shè)置電容器和電感器組成的濾波器。由于諧波頻率高于工頻頻率，會(huì)使系統(tǒng)的感抗增加，容抗減少，有可能產(chǎn)生LC諧振。諧振放大了諧波電流，是電容器或電感器燒毀。

(4)諧波造成繼電器誤動(dòng)作，并影響電力測(cè)量

電力系統(tǒng)中的諧波將會(huì)使某些繼電器和漏電保護(hù)開關(guān)產(chǎn)生誤動(dòng)作。諧波對(duì)電壓表，電流表和功率表等計(jì)量?jī)x表的測(cè)量結(jié)果帶來直接影響。

(5)諧波對(duì)IT設(shè)備的危害

在計(jì)算機(jī)機(jī)房中，大量使用PC，服務(wù)器，交換機(jī)等整流濾波型非線性負(fù)載，它們向電網(wǎng)注入零序電流，使電網(wǎng)受到污染。反過來，電網(wǎng)的低功率因數(shù)會(huì)影響IT設(shè)備的正常運(yùn)行。

(6)諧波通信干擾通信系統(tǒng)

電力系統(tǒng)傳輸功率可達(dá)MW級(jí)，而通信系統(tǒng)的功率小到mW級(jí)，兩者如此大的功率級(jí)差，導(dǎo)致電力系統(tǒng)中相對(duì)小的不平衡音頻諧波分量，一旦耦合到通信線路上，可能在通信系統(tǒng)中產(chǎn)生很大的噪聲。噪聲將降低通話的清晰度，甚至引起信號(hào)的丟失。

3、諧波治理的作用和意義

(1)諧波研究的意義，首先在于諧波的危害十分嚴(yán)重；

(2)諧波研究的意義，還在于其對(duì)電力電子技術(shù)自身發(fā)展的影響。電力電子技術(shù)是未來科學(xué)發(fā)展的重要支柱。有人預(yù)言，電力電子技術(shù)連同運(yùn)動(dòng)控制將和計(jì)算機(jī)技術(shù)一起稱為21世紀(jì)最重要的兩大技術(shù)[71。然而，電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波污染己成為阻礙電力電子發(fā)展的重大障礙，它迫使電力電子領(lǐng)域的研究人員必須對(duì)諧波問題進(jìn)行更為有效的研究；

(3)諧波研究的意義，更可以上升到從治理環(huán)境污染，維護(hù)綠色環(huán)境的角度來認(rèn)識(shí)。對(duì)電力系統(tǒng)這個(gè)環(huán)境來說，無諧波就是“綠色"的主要標(biāo)志之一。目前，對(duì)地球環(huán)境的保護(hù)已成為全人類的共識(shí)。對(duì)電力系統(tǒng)諧波污染的治理也已成為電工科學(xué)技術(shù)界必須解決的問題。

4、諧波治理的措施

諧波抑制是提高電能質(zhì)量，保證供用電設(shè)備安全可靠運(yùn)行的重要手段之一。減小諧波影響的技術(shù)措施可以從兩方面入手：一是從諧波源出發(fā)，減少諧波的產(chǎn)生；二是安裝濾波裝置。諧波抑制的措施主要包括一下幾個(gè)方面：

(1)串聯(lián)電抗器

串聯(lián)電抗器對(duì)平滑諧波電流具有一定的作用，并且電路簡(jiǎn)單，制造成本低，往往應(yīng)用在整流器之前，例如：變頻器，調(diào)光器等。但由于其阻抗較高，損耗較大，因此其抑制諧波的作用受到限制。

(2)高功率因數(shù)變流器

如前面的介紹，電力電子裝置是電力系統(tǒng)最嚴(yán)重，最突出的諧波源。在各種電力電子裝置中，整流裝置所占的比例最大。因此，抑制整流裝置所產(chǎn)生的諧波是諧波治理的重要措施。

(3)無源濾波器

早期使用的補(bǔ)償裝置是LC無源濾波器。其主要思想是根據(jù)LC的串并聯(lián)諧振原理，為諧波分量提供一個(gè)低阻通路，同時(shí)提供一定的無功補(bǔ)償。LC無源濾波器由于其構(gòu)造簡(jiǎn)單，一直被廣泛使用。在實(shí)際應(yīng)用中，這些補(bǔ)償裝置雖然對(duì)補(bǔ)償無功和諧波均達(dá)到了一定的效果，但其只能補(bǔ)償固定頻率的諧波，而且補(bǔ)償特性易受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)的影響，容易與系統(tǒng)發(fā)生諧振，并且存在工作點(diǎn)固定、體積大等缺點(diǎn)，難以滿足大范圍、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)囊�求。為解決傳統(tǒng)無源濾波器的局限性，人們做了很多的研究和探索，其中最有代表性的是有源電力濾波技術(shù)的提出。

(4)有源濾波器

電力有源濾波器的基本思想形成于上個(gè)世紀(jì)六七十年代，是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，80年代以來，由于新型電力半導(dǎo)體器件的出，PWM技術(shù)的發(fā)展，以及基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波電流瞬時(shí)檢測(cè)法的提出，有源濾波器得以迅速發(fā)展。有源濾波器具有以下一些特點(diǎn)：

① 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可對(duì)頻率和大小均變化的諧波及變化的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)補(bǔ)償對(duì)象的變化有極快的響應(yīng)速度；

② 有源濾波裝置是一個(gè)高阻抗電流源，它的接入對(duì)系統(tǒng)阻抗不會(huì)產(chǎn)生影響，因此此類裝置適合系列化、規(guī)�；�生產(chǎn)；

③ 當(dāng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)裝置受電網(wǎng)阻抗的影響不大，不存在與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧波的危險(xiǎn)，同時(shí)還能抑制串并聯(lián)諧振；

④ 補(bǔ)償無功功率時(shí)不需要儲(chǔ)能元件，補(bǔ)償諧波時(shí)所需要的儲(chǔ)能元件不大；

⑤ 用同一臺(tái)裝置可同時(shí)補(bǔ)償多次諧波電流和非整流倍次的諧波電流；

⑥ 當(dāng)線路中的諧波電流突然增大時(shí)有源濾波器不會(huì)發(fā)生過載，并且能正常發(fā)揮作用，不需要與系統(tǒng)斷開；

⑦ 裝置可以僅輸出所需補(bǔ)償?shù)母叽沃C波電流，不輸出基波無功功率。

基于以上這些特點(diǎn)，有源濾波器受到廣泛重視，成為電力電子應(yīng)用研究極具生命力的發(fā)展方向。許多制造商都在制造有源濾波器。國內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)和高等院校也在積極開展這方面的研究工作，并取得了許多研究成果。

二、有源電力濾波器的構(gòu)成及原理

1、有源電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成

(1)按直流側(cè)儲(chǔ)能元件分類

有源電力濾波器的主電路形式通常采用單個(gè)PWM逆變器結(jié)構(gòu)，其按直流側(cè)儲(chǔ)能元件為電容或電感分為電壓型(如圖2-1)和電流型(如圖2-2)。對(duì)于某些需要大容量有源電力濾波器的場(chǎng)合，若采用單個(gè)器件的容量不易滿足要求，有關(guān)文獻(xiàn)提出可采用多重化的主電路形式。圖中的電力電子開關(guān)器件為IGBT，實(shí)用中可在GTO晶閘管、BJT、IGBT、電力MOSFET等器件中選擇。

電壓型APF與電流型APF主電路特點(diǎn)主要分為以下幾個(gè)方面：

① 電壓型APF的直流側(cè)接有大電容，在正常工作時(shí)，其電壓基本保持不變，可看作電壓源；電流型APF的直流側(cè)接有大電感，在正常工作時(shí)，其電流基本保持不變，可看作電流源；

② 對(duì)于電壓型APF，為保持直流側(cè)電壓不變，需要對(duì)直流側(cè)電壓進(jìn)行控制；對(duì)于電流型APF，為保持直流側(cè)電流不變，需要對(duì)直流側(cè)電流進(jìn)行控制；

③ 電壓型APF的交流側(cè)輸出電壓為PWM波，電流型PWM逆變器的交流側(cè)輸出電流為PWM波。與電壓型APF相比，電流型APF的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，不會(huì)由于主電路開關(guān)器件的直通發(fā)生短路故障。但是，電流型APF直流側(cè)大電感上始終有電流流過，該電流將在大電感的內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的損耗，因此目前較少采用；

④ 與電流型APF相比，電壓型APF效率高，初期投資少，可任意并聯(lián)擴(kuò)
容，易于單機(jī)小型化，成本低，適用于電網(wǎng)級(jí)諧波補(bǔ)償。

(2)按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類

圖2-3(a)是單獨(dú)使用的并聯(lián)型有源濾波器，為電力有源濾波器基本的構(gòu)成方式。PWM變流器并聯(lián)在電網(wǎng)上，相當(dāng)于一個(gè)受控電流源，產(chǎn)生與負(fù)載諧波電流大小相同而方向相反的補(bǔ)償電流，使得電源電流被補(bǔ)償為正弦。此種構(gòu)成的電源基波電壓全部加在變流器上，因而裝置容量較大。這種電力有源濾波器具有連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率的功能，能在補(bǔ)償諧波的同時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無功功率。

圖2-3(b)是與LC濾波器并聯(lián)使用的并聯(lián)型有源濾波器。圖(b)中的LC濾波器主要是用來與有源濾波器分擔(dān)補(bǔ)償?shù)痛蔚闹C波，則可降低所需變流器的容量，而較高次的諧波則由有源濾波器來補(bǔ)償。這種方式的有源濾波器也可以對(duì)無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2-3(c)是與LC濾波器串聯(lián)使用的并聯(lián)型有源濾波器。圖(c)中的有源濾波器主要不只是用來補(bǔ)償諧波，而且還用來抑制LC濾波器與電網(wǎng)阻抗之問的并聯(lián)諧振，即所謂的諧波放大現(xiàn)象，以改善LC濾波器的諧波補(bǔ)償效果。其變流器不承受基波電壓，因而變流器的裝置容量大大減小。

圖2-3(d)是單獨(dú)使用的串聯(lián)型有源濾波器。圖2-3(e)是與LC濾波器混合使用的串聯(lián)型有源濾波器。圖2-3(d)和2-3(e)的有源濾波器均通過變壓器串聯(lián)在電源和負(fù)載之間，相當(dāng)于一個(gè)受控電壓源。圖2-3(d)方式可以消除電源電壓可能存在的畸變，維持負(fù)載端壓為正弦。通過控制有源濾波器的補(bǔ)償電壓來改變負(fù)載端的電壓，從而使電源電流為正弦。圖2-3(e)與圖2-3(c)方式等效。

(3)按電源相數(shù)分類

有源濾波器可分為單相、三相三線制、三相四線制等。

目前實(shí)際應(yīng)用的裝置中，90％以上是電壓型(指主電路形式)。從與補(bǔ)償對(duì)象的連接方式來看，可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型，目前運(yùn)行的裝置幾乎都是并聯(lián)型，這是一種最為基本的形式，可以作為研究其它方式的基礎(chǔ)。

此次課程設(shè)計(jì)使用的是現(xiàn)在使用較廣，且比較基礎(chǔ)的三相三線制并聯(lián)電壓型有源電力濾波器。

2、 有源電力濾波器的基本原理

并聯(lián)型有源濾波器主要由兩大部分組成，即諧波、無功電流檢測(cè)電路和補(bǔ)償電流的產(chǎn)生電路等部分組成。其中補(bǔ)償電流發(fā)生電路包括電流跟蹤控制電路，驅(qū)動(dòng)電路和逆變主電路。作為主電路的PWM變流器，在產(chǎn)生補(bǔ)償電流時(shí)，主要作為逆變器工作，但不僅僅是作為逆變器而工作的，如在電網(wǎng)向有源電力濾波器直流側(cè)儲(chǔ)能元件充電時(shí)，它就作為整流器工作。其中指令電流的運(yùn)算核心是諧波及無功電流檢測(cè)算法，補(bǔ)償電流產(chǎn)生電路的核心是電流控制策略。

有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)原理如圖2-4所示。圖中的U~和Z分別為市電電網(wǎng)電壓和負(fù)載，有源電力濾波器由電流檢測(cè)電路和PWM-主電路組成。電流檢測(cè)電路的作用是檢測(cè)負(fù)載電流中的諧波分量和無功電流分量，主電路為雙向功率傳輸?shù)哪孀冸娐�，PWM為逆變電路的控制電路，PWM-主電路的作用是對(duì)負(fù)載電流中的諧波分量和無功電流分量進(jìn)行補(bǔ)償。

三、諧波電流檢測(cè)方法

1、三相電路瞬時(shí)無功功率理論的概述

2、p-q運(yùn)算方式

四、補(bǔ)償電流控制策略

1、正弦脈沖寬度調(diào)制原理

(1)單相SPWM的基本原理

(2)三相SPWM的基本原理

2、有源濾波器的控制策略

(1)三角波比較法

(2)電流滯環(huán)控制方法

3、直流側(cè)電壓控制

五、硬件設(shè)計(jì)與元件選型

1、主電路

(1)電路圖及其數(shù)學(xué)模型

(2)主電路開關(guān)器件的選擇

目前用于并聯(lián)型有源電力濾波器的全控型器件主要有BJT，IGBT，GTO晶閘管等，器件的選擇，首先應(yīng)當(dāng)滿足工作頻率和器件容量的要求，在滿足工作頻率和容量要求的情況下，還應(yīng)該考慮器件的價(jià)格。近年來，在中小容量變流設(shè)備中，IGBT基本取代了功率MOSFET和GTR，成為應(yīng)用最廣泛的功率開關(guān)器件。

(3)并聯(lián)型電力有源濾波器的接入點(diǎn)及確定其電壓等級(jí)

并聯(lián)型有源電力濾波器的接入點(diǎn)的選擇應(yīng)遵循以下兩個(gè)原則：何處產(chǎn)生諧波就在何處補(bǔ)償；力求補(bǔ)償效果最好。

根據(jù)接入系統(tǒng)的電壓等級(jí)來選擇主電路與系統(tǒng)的連接方式。接入380V的交流系統(tǒng)時(shí)，可通過電抗器接入。

(4)直流側(cè)電容電壓以及等效電感L的選擇

并聯(lián)型有源電力濾波器的輸出電流的變化率要大于或等于被補(bǔ)償電流的變化率，并聯(lián)型有源電力濾波器輸出電流才可以實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償電流的變化，所以并聯(lián)型有源電力濾波器的輸出電流的變化率成為衡量有源電力濾波器性能的重要指標(biāo)。提高輸出電流的變化率的方法有：

(5)主電路的容量

(6)主電路直流側(cè)電容的選取

(7)數(shù)字低通濾波器的選擇

2、驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路

六、有源濾波器仿真模型的建立

1、系統(tǒng)整體仿真模塊

仿真模型中電路參數(shù)為：電源相電壓220V／50Hz，直流側(cè)電容4533uF，直流側(cè)給定電壓1000V，交流側(cè)電感7mH，負(fù)載為帶8Ω電阻與4533uF電容并聯(lián)的二極管不控整流橋，低通濾波器選擇二階Butterworth濾波器，截止頻率設(shè)為10kHz，三角波頻率為15kHz。

2、諧波檢測(cè)與直流側(cè)電壓控制模塊

諧波檢測(cè)與直流側(cè)電壓控制采用ip-iq電流檢測(cè)法。

3、控制模塊

控制方法為三角波控制法。

4、仿真結(jié)果

七、總結(jié)與體會(huì)

電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)眼間就結(jié)束了，剛剛拿到題目時(shí)我非常迷茫，因?yàn)閮H憑現(xiàn)有知識(shí)根本沒有辦法完成，甚至讀完題目后腦子里都沒有一個(gè)完整的概念。從拿到題目起，我就開始認(rèn)真研讀教材，去圖書館查閱相關(guān)書籍資料，同時(shí)也利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)查找相關(guān)論文來學(xué)習(xí)。從開始的一竅不通，慢慢的有了相關(guān)知識(shí)的概念，接著按照給出的算法一點(diǎn)點(diǎn)推理、理解、運(yùn)算，再自己學(xué)習(xí)相關(guān)軟件并畫圖仿真，每一步都走得很艱辛，卻又異常充實(shí)。

但是令我感到非常遺憾的是，由于時(shí)間和能力所限，部分有關(guān)有源濾波的知識(shí)和算法還沒有完全理解，也不能做到靈活運(yùn)用，經(jīng)過仿真的波形和數(shù)據(jù)不知是否達(dá)到了題目的要求，硬件電路圖的設(shè)計(jì)運(yùn)行情況也堪憂。但是這些遺憾和不足我也記在心里，在今后的學(xué)習(xí)中我還將不斷完善此次課程設(shè)計(jì)的缺陷。

此次課程設(shè)計(jì)不僅讓我夯實(shí)鞏固了電力電子技術(shù)及DSP等電氣專業(yè)學(xué)生應(yīng)該掌握的相關(guān)知識(shí)，彌補(bǔ)了學(xué)習(xí)上的漏洞，同時(shí)也加強(qiáng)了我的動(dòng)手實(shí)踐能力，讓知識(shí)不止停留在課本上，運(yùn)用在考試中，而是在實(shí)際的工作、科研中也能熟練運(yùn)用，這種能力的意義及重要性不言而喻。更難能可貴的是，這次課程設(shè)計(jì)也鍛煉了我吃苦耐勞、不怕困難、直面挑戰(zhàn)、堅(jiān)持不懈的良好品質(zhì)，遇到困難不氣餒、不拋棄、不放棄，而是潛下心來認(rèn)真仔細(xì)的認(rèn)識(shí)問題、分析問題、解決問題、總結(jié)問題，這種品質(zhì)將使我終生受益。

最后非常感謝吳志虎老師的悉心指導(dǎo)與幫助，您對(duì)《電力電子技術(shù)》這門課程的精彩講授打開了我們對(duì)電力電子認(rèn)知的大門，也為此次課程設(shè)計(jì)打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。同時(shí)也要感謝我的同班同學(xué)及室友的幫助，你們毫無保留的講解不僅讓我解決了一個(gè)又一個(gè)的問題，也讓我更加深刻的認(rèn)識(shí)到了同窗之情的可貴。

雖然此次課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，但我將帶著已經(jīng)收獲的知識(shí)、能力及品質(zhì)堅(jiān)持不懈、不斷努力、繼續(xù)前行！書山有路勤為徑，學(xué)海無涯苦作舟！

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