并联三相三线制有源电力滤波器的仿真与设计精.docx

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并联三相三线制有源电力滤波器的仿真与设计精

大连理工大学

硕士学位论文

并联三相三线制有源电力滤波器的仿真与设计

姓名：

潘凯

申请学位级别：

硕士

专业：

电机与电器

指导教师：

廖敏夫

20090601

大连理工大学硕士学位论文

摘要

随着电力电子技术的飞速发展，越来越多的电力电子装置被应用到各个领域，给电网注入了不可忽视的无功以及谐波电流。

本文首先介绍了谐波的概念和谐波的危害，阐述了谐波问题研究的必要性和紧迫性，并对谐波抑制的方法作了简单的介绍。

并在此基础上，通过对有源滤波器和无源滤波器各自的优缺点以及有源滤波器装置的结构、原理的分析，提出了基于ＤＳＰ控制器的三相三线制并联型有源电力滤波器装置的设计方案。

并联有源电力滤波器主电路设计是核心环节之一。

本文在三相三线并联型有源电力滤波器数学模型的基础上，通过对采用空间矢量调制的有源电力滤波器的工作过程的研究和分析，揭示了主电路各参数之间的相互关系。

根据瞬态电流跟踪指标的要求推导出并联ＡＰＦ输出电感的估算公式。

基于对电流跟踪误差矢量的度量，推导出直流侧电容电压临界值表达式。

详细介绍了输出滤波器参数的设计方法。

实时、高精度的谐波检测是有源电力滤波器的重要部分。

本文详细地介绍了瞬时无功功率理论，选择检测负载电流的方式以提取谐波。

提出了用滑窗迭代作为低通滤波的数字算法，以快速分离负载电流中的基波分量得到谐波指令。

以全数字控制为重点，对电流环的数字控制方式，包括数字ＰＩ调节器的设计做出了比较详细的分析。

本文用ＭＡＴＬＡＢ／ＳＩＭＵＬＩＮＫ中的电力系统模块对有源电力滤波器进行了动态仿真研究。

仿真结果表明这种拓扑结构的有源电力滤波器对电力系统中的谐波抑制具有较好的效果。

在理论分析和仿真研究的基础上，设计了基于ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ控制的并联型电力有源滤波器，对其控制系统硬件构成进行了详细的介绍。

研制了实验样机，对并联型电力有源滤波器进行了初步的实验研究。

关键词：

电力电子；谐波；有源电力滤波器；瞬时无功

并联三相三线制有源电力滤波器的仿真与设计

ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＤｅｓｉｇｎｏｆＳｈｕｎｔＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＦｉｌｔｅｒｉｎＴｈｒｅｅ—Ｐｈａｓｅ

Ｔｈｒｅｅ—ＷｉｒｅＳｙｓｔｅｍ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｐｏｗｅｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｈａｖｅｂｅｅｎｕｓｅｄｉｎｍｏｓｔｆｉｅｌｄｓ，ｗｈｉｃｈｈａｖｅｔｈｅｎｏｎ—ｎｅｇｌｉｇｉｂｌｅｈａｒｍｏｎｉｃｓｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｅｄｐｏｗｅｒｑｕａｌｉｔｙｂｙｉｎｊｅｃｔｉｎｇａｎｄｒｅａｃｔｉｖｅｃｕｒｒｅｎｔｔｏｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋ．

砀ｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｏｆｈａｒｍｏｎｉｃｓａｎｄｔｈｅｈａｒｍｏｆｈａｒｍｏｎｉｃｓ，ａｎｄｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓｔｈｅｎｅｃｅｓｓｉｔｙｏｆｈａｒｎｅｓｓｉｎｇｈａｒｍｏｎｉｃｓ，ａｎｄｂｒｉｅｆｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｓｅｖｅｒａｌｍｅｔｈｏｄｓｏｆｈａｒｎｅｓｓｉｎｇｈａｒｍｏｎｉｃｓ．Ｗｉｍｔｈｉｓｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ，Ｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｐａｓｓｉｖｅｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒ

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆａｃｔｉｖｅａｎｄａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒ，ａｎｄａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ａｎｏｖｄｄｅｓｉｇｎｏｆｓｈｕｎｔａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎｔｈｒｅｅ・ｐｈａｓｅｔｈｒｅｅ－ｗｉｒｅｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＤＳＰｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．

Ｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎｉｓａｋｅｙｐａｒｔｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｄｅｓｉｇｎ．Ｂａｓｅｄｔｈｒｅｅ・－ｐｈａｓｅｔｈｒｅｅ・－ｗｉｒｅｓｈｕｎｔａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒ，ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｉｔｃｏｎｔｒｏｌｉｓｓｔｕｄｉｅｄ

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Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅａｎｄａｃｃｕｒａｔｅｈａｒｍｏｎｉｃｄｅｔｅｃｔｉｏｎｉｓｔｈｅｋｅｙｆｏｒｐｒａｃｔｉｃａｌａｃｔｉｖｅｆｉｌｔｅｒ

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ｇｅｔｔｈｅｗｈｉｃｈｉｓｄｅｐａｒｔｔｈｅ

Ｆｏｃｕｓｉｎｇｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｃｕｒｒｅｎｔｔｈｅ伽ｌｄｉｇｉｔａｌｆｒｏｍｔｈｅｌｏａｄｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｓｕｐｐｏｓｅｄｔｏｈａｒｍｏｎｉｃｒｅｆｅｒｅｎｃｅ．ｏｆｏｎ

ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌ，ｔｈｅｐａｐｅｒｄｅｔａｉｌｅｄａｎａｌｙｓｉｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｌｏｏｐ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｄｉｇｉｔａｌＰＩｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．ｄｉｇｉｔａｌ

７１１１ｉＳＰａｐｅｌ＂ｓｉｍｕｌａｔｅｓｔｈｅＡＰＦｗｉｔｈ

ｒｅｓｕｌｔｓＳｉｍＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓｉｎＳＤ江ＵＬＩＮＫｏｆ＾压ＡＴＬＡＢ．Ｔｈｅｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｔｈｅａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄ．

Ｏｎｔｈｅｂａｓｅｏｆｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ

ｂａｓｅｄｏｎａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｉｍｕｌａｔｅｄｒｅｓｅａｒｃｈ，ｔｈｅｓｈｕｎｔａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａｈａｓｂｅｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄ．ｍｅａｎｗｈｉｌｅｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ

ｏｎｈａｓｂｅｅｎｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ．Ｉｎｉｔｉａｌｒｅｓｅａｒｃｈｔｈｅｓｈｕｎｔａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒｈａｓｂｅｅｎｄｏｎｅ．

Ｋｅｙ

ｐｏｗｅｒＷｏｒｄｓ：

ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ；Ｈａｒｍｏｎｉｃｓ；ＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＦｉｌｔｅｒ；ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｒｅａｃｔｉｖｅ

—ＩＩ—

大连理工大学学位论文独创性声明

作者郑重声明：

所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。

尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。

与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。

若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。

学位论文题目：

葺鞋幽兰逸婚ｉ啦麟邀墨遂茸

作者签名：

盎勃吐．日期：

ｊ啤年—』月』婆日

大连理工大学硕士学位论文

大连理工大学学位论文版权使用授权书

本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。

学校有权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

学位论文题目：

作者签名：

导师签名：

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１绪论

本章对与论文工作相关的背景知识进行了介绍，包括电力系统中的谐波基本概念及其危害【１１、各种谐波抑制方法【２１和有源电力滤波器的发展，表明了有源电力滤波器应用的重要性以及本文工作的意义。

１．１谐波的基本概念及其危害

１．１．１谐波基本概念

在电力系统中，理想的交流电压和交流电流的波形应该是标准的正弦波，正弦电压波形可以表示为：

扰Ｏ），－－ｘ／２Ｕｓｉｎ（ｏｔ＋秒）

式中，Ｕ一正弦波电压“（ｆ）的有效值；

缈一甜（，）的角频率；

秒一“Ｏ）的初始相位角。

（１．１）

当式（１．１）表示的正弦波电压加到无源线性元件电阻、电感和电容上时，所产生的电流与电压的关系分别为比例、积分和微分关系，但其波形仍然是与电压同频率的正弦波。

若正弦波电压加到非线性负载上时，由此产生的电流为非正弦波。

对于周期为Ｔ＝２ｘ／ｏＪ的非正弦波电流砸），可分解为如下形式的傅里叶级数：

ｆ、－、＝口＋，．／。

∑心，．一口玎ＣＯＳ聆缈ｆ＋６Ｓｎ聆缈矿、－、０厶

式中％＝去和）ｄ（ｃｏｔ）

ｔ＝去肌ｆ）ｃｏｓｎｃｏ帅ｆ）

吃＝去默ｆ）ｓｉｎｎｏ翻（硼

如果取

ａｎ＝厶ｓｉｎ驴．

６。

＝ｃ．ＣＯＳ（０

并联三相三线制有源电力滤波器的仿真与设计

则Ｃｎ＝踊

纯＝ａｒｃｔａｎ（争）

酮＝口ｏ＋∑ｃ疗ｓｉｎ（ｍｏｔ＋呼。

疗）（１．３）此时，。

式（１．２）可以写成：

式（１．３）中，频率为厂（＝ＣＯ／２ｎ－）的分量成为基波，频率为ｎｆ（刀为大于１的整数）的分量称为谐波，ｎ称为谐波次数。

通常，用谐波的含有率来表示谐波分量的比重。

第ｎ次谐波电流的含有率ＨＲＩ．定义为：

＿ＨＲ。

≥枷。

％

其中，厶一第ｎ次谐波电流的有效值；

正一基波电流的有效值。

波的总畸变率定义为：

：

’㈦４，此外，还可以用谐波电流总畸变率来表示谐波电流分量对电流波形的影响。

电流谐唧＝等×１

上式中如称为谐波电流含有量，定义为：

ＩＨ＝ｏｏ％（１．５）（１．６）

１．１．２谐波的危害

近几十年来，各种电力电子装置的迅速普及使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的事故也不断发生，谐波危害的严重性引起人们高度关注。

谐波造成的危害可以具体归纳为以下几个方面：

（１）谐波电流和谐波电压使电网供电质量恶化，降低了发电、输配电和用电设备的效率，甚至使用电设备不能正常运行。

‘

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（２）在三相四线制的电路中，大量的零序谐波电流，尤其是三次谐波电流流过中线，会引起中线过热，有引发火灾的危险。

异常的、过大的中线电流，会导致电网中线对地线的电压突增，将危及数据处理系统的安全。

（３）在旋转电动机中，谐波除了增加损耗和引起发热以外，还会产生机械振动、噪声和谐波过电压，这会大大减少电动机的使用寿命。

（４）谐波电流流入变压器，会增加变压器损耗，引起变压器发热，使变压器的噪声增大。

（５）谐波电流流经电力电缆，电缆会发生过热，容易导致电缆的绝缘老化，甚至产生漏电和短路等危险情况。

（６）为了补偿无功功率和滤除谐波，常常需要并联电容器，或者设置无源滤波器。

由于谐波频率高于工频频率，会使系统的感抗增加而容抗减小，有可能产生谐振。

谐振放大了谐波电流，使电容器或电感器有被烧毁的危险。

（７）电力系统中的谐波将会使某些继电器盒漏电开关产生误动作。

谐波对电压表、电流表和功率表以及各种与收费有关的计量仪器的测量结果带来直接影响，给人民生活带来干扰。

（８）电力系统中的不平衡音频谐波分量，耦合到通信线路上，可能在通信系统中产生很大的噪声，将降低通话的清晰度，甚至引起信号的丢失。

。

１．２谐波的抑制方法及发展现状

在电力系统中对谐波的抑制就是减少或消除注入系统的谐波电流，以便把谐波电压控制在限制值以内。

１．２．１传统谐波抑制方法

传统的谐波抑制方法有两大类，一类是对