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电流平均值谐波检测方法MATLAB仿真
电流平均值谐波检测方法MATLAB仿真
摘要
本论文首先对国内外谐波抑制技术发展现状、有源电力滤波器原理与结构及三相瞬时无功功率理论进行了综述。
重点研究了基于瞬时无功功率理论
。
检测法及改进的电流移动平均值谐波检测法。
在对电流移动平均值原理进行分析的基础上，给出了电流平均值谐波检测方案及实现检测的原理框图。
接着以软件包中的SIMULINK仿真环境为平台，构建了平均值谐波检测法的仿真模型;对电流平均值谐波检测方案进行了仿真研究，并与基于滤波器的
。
谐波检测法的仿真结果进行了分析对比。
结果表明，所采用的仿真方法与所构建的仿真模型不仅有效，而且证实了平均值谐波检测法比滤波器法有良好的动态响应性能。
在仿真基础上，提出了基于LF2407ADSP芯片电流平均值谐波检测法的数字实现方案，进而开发了三相并联型数字有源电力滤波器实验系统。
进行了软、硬件设计。
搭建的硬件电路包括:
过零同步检测、电流和电压检测、PWM输出等几部分。
采用模块化设计思路，用DSP汇编语言编写了系统软件，其中包括：
ADC及中断处理、捕获及捕获中断处理、三相到两相电流转换、平均值法谐波计算、两相到三相变换、PI调节、PWM输出控制及主程序等模块，并在
软件开发系统下进行了调试。
为实现电流同步采样处理，根据LF2407A事件管理器捕获单元特点，提出一种用软件实现锁相环的控制方法。
最后对有源电力滤波器进行了系统调试。
实验结果表明，采用电流平均值谐波检测法结合软件锁相环控制方法能有效、准确的检测谐波，用该检测法开发的DSP有源电力滤波器实验系统，能够有效消除由非线性负载产生的谐波。
关键词有源电力滤波器，瞬时无功功率，谐波电流检测，电流移动平均值，数字信号处理器
关键词有源电力滤波器，瞬时无功功率，谐波电流检测，电流移动平均值，数字信号处理器
摘要....................................................................................................1
第一章绪论.......................................................................................4
概述.............................................................................................4
1.1.1谐波含义及其产生.................................................................5
1.1.2谐波的危害............................................................................5
1.1.3谐波研究意义........................................................................6
谐波抑制技术现状.......................................................................7
1.2.1无源滤波器及其应用.............................................................7
1.2.2有源电力滤波器发展概况....................................................10
本论文主要工作..........................................................................11
第二章有源电力滤波器原理和结构.................................................12
有源电力滤波器工作原理.........................................................12
有源电力滤波器系统构成..........................................................13
2.2.1并联型有源电力滤波器.........................................................14
2.2.2串联型有源电力滤波器.........................................................20
有源电力滤波器的主电路............................................................21
2.3.1PWM逆变器主电路...............................................................22
2.3.2PWM逆变器工作原理...........................................................23
2.3.3电流跟踪控制方式................................................................25
第三章瞬时谐波及无功电流检测方法..............................................29
概述.............................................................................................29
基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法..............................30
3.2.1瞬时无功功率的基础理论.....................................................30
3.2.2三相电路谐波和无功电流实时检测......................................33
于电流移动平均值原理谐波检测新方法.....................................36
3.3.1电流移动平均值原理................................................................37
3.3.2基于移动平均值原理的谐波检测法.........................................38
第四章电流平均值谐波检测方法仿真研究......................................40
概述.............................................................................................40
电流变换及移动平均值模块在Simulink下的实现.....................40
电流平均值原理谐波检测在Simulink下的实现………………….41
电流平均值原理谐波检测仿真结果.............................................43
4.4.1负载恒定时的仿真................................................................44
4.4.2负载变化时的仿真................................................................45
小结.............................................................................................48
参考文献...........................................................................................50
第一章绪论
1.1概述
在一个理想的发电和供电系统中，电能是以单一恒定的工业频率和规定的电压水平向用户供电。
在这种条件下，对电能质量是用频率和电压来衡量的。
但在实际的电力系统运行中，由于负荷的变化，电力系统的频率和电压是不能保持恒定不变的。
因此，各国对电能质量都是用频率和电压的允许偏差值加以衡量并作出规定。
但是仅用这两个指标来表征电能质量是很不完善的。
波形畸变、电压闪变和三相电力系统中电压和电流的不平衡也是影响电能质量的重要因素。
这几个问题在过去由于还未对电力系统产生十分严重的影响，没有引起电力和供用电部门的重视，但是近几十年来，随着电力电子技术的发展，大功率电力电子装置在工业各部门的广泛应用，以及大量家用电器的使用和其它非线性负载的增加，使得电力系统的波形畸变日益严重，电网中的谐波含量已经大大增加，谐波对电力设备、电力用户和通信线路等的有害影响己经十分严重，到了不得不认真对待和考虑的地步了。
电力系统的谐波问题早在1920一1930年间就引起了人们的注意。
当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。
1945年发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波问题研究的经典论文
。
到了50一60年代由于高压直流输电技术的发展，对变流器谐波问题的研究有大量论文发表。
70年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种大容量电力整流、换流设备以及电子设备在电力系统、工业、交通和家庭中的应用日益广泛，谐波造成的危害也日趋严重。
世界各国都对谐波问题予以十分重视和关心，定期召开有关谐波问题的学术研讨会。
国际电工委员会（IEC）和国际大电网会议都相继组成了专门的工作组，制订了包括供电系统、各项电力和用电设备以及家用电器在内的谐波标准。
我国对谐波问题的研究起步较晚。
近年来由于电气化铁路的发展和冶金、化工、有色金属、煤炭和交通部门大量应用电力整流和换流设备，谐波对电力系统的影响和危害也日益严重，认真加以研究并采取相应的管理和治理措施显得十分迫切。
1.1.1谐波含义及其产生
国际上公认的谐波含义为:
“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”
。
所以，谐波次数必须为整数。
如:
我国电力系统的额定频率是50HZ，则基波为50Hz，2次谐波为100Hz，3次谐波为150Hz，等等。
间谐波（interharmonies）、次谐波（subharmonics）和分数谐波（fractional一harmonics）等概念与谐波的概念不同。
本文所提到的谐波，均指基波整数倍谐波。
由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，也常称它为高次谐波。
除了特殊情况外，谐波的产生主要是由于大容量的整流或换流设备，以及其他非线性负载造成。
系统中的主要谐波源可分为两大类:
一是含半导体非线性元件的谐波源;二是含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。
前者如各种整流设备、交直流换流设备、变流器、PWM变频器以及节能和控制用的电力电子设备等，后者如交流电弧炉、交流电焊机、日光灯、变压器等。
数量庞大的家用电器分属于上述两类谐波源，是不可忽视的谐波源。
电气铁路机车采用的大容量单相整流供电设备，不但产生大量谐波电流，还对供电系统产生不平衡负荷和负序电流、电压。
这些负荷都使电力系统的电流和电压产生畸变，并对电力设备及通信线路和电子设备产生危害和干扰。
1.1.2谐波的危害
在电力系统中，各种谐波源产生的谐波对电网、电力设备和其它系统的危害是非常严重的，归纳起来主要有以下几个方面
：
1.使发电机、变压器、供电网、导线和电动机等产生附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。
2.影响各种电气设备的正常工作。
对电机除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压;增大了变压器的铜损和铁损，使变压器局部严重过热，噪声增大;对无功补偿电容器组引起谐振或谐波电流的放大，从而引起电容器过负荷或过电压而损坏;对电力电缆也会造成电缆的过负荷或过电压击穿。
这方面国内外有过深刻的教训，发生过许多无功补偿电容器损坏的事故。
3.对继电保护和自动装置产生干扰和造成误动或据动。
尤其是衰减时间较长的暂态过程，如变压器励磁涌流中的谐波分量，更容易引起继电保护的误动作。
我国曾发生过电气化铁道造成的负荷电流畸变和不对称，使某电厂20万kw机组的保护跳闸及某系统中的220kV线路保护跳闸，造成大面积停电的严重事故。
4.影响仪表和电能的计量。
电力测量仪表通常是按工频正弦波形设计的，当有谐波时将会产生测量误差。
5.对邻近的通信线路造成干扰，轻者产生噪声降低通信质量;重者导致丢失信息，使通信系统无法工作。
.
1.1.3谐波研究意义
由上一节的内容，谐波的危害十分严重，因此开展谐波研究具有非常现实的意义。
谐波研究的意义，还在于其对电力电子技术自身发展的影响。
电力电子技术是未来科学技术发展的重要支柱。
有人预言，电力电子连同运动控制将和计算机技术一起成为21世纪最重要的两大技术I’
]。
然而电力电子装置所产生的谐波污染己成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效的研究。
有效地抑制谐波，可以推动电力电子技术的发展。
反过来，电力电子技术的进步，也会促进谐技抑制技术的提高。
谐波研究的意义，更可以上升到从治理环境污染、维护绿色环境的角度来认识。
对电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色”的主要标志之一
。
在电力电子技术领域，要求实施“绿色电力电子”的呼声也日益高涨。
目前，对地球环境的保护己成为全人类的共识。
对电力系统谐波污染的治理也己成为电工科学技术界所必须解决的问题。
有关谐波问题的研究可以分为以下四个方面：
1.与谐波有关的功立定义和功率理论的研究；
2.谐波分析以及谐波影响和危害的分析；
3.谐波的补偿和抑制；
4.与谐波有关的测量问题和限制谐波标准的研究。
其中，谐波补偿和抑制技术是研究的重点，而有源滤波技术是谐波抑制的主要研究方向之一，也是本文要重点研究的内容。
随着有源滤波技术的发展，必将逐步消除谐波污染，最终实现电网“绿色化”。
1.2谐波抑制技术现状
解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：
一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波;另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，这只适用于电力电子装置为主要谐波源的情况。
本文主要讨论装设谐波补偿装置来解决谐波污染的方法。
传统方法是采用交流电抗器和电容器等组成的无源滤波器，这种方法在工程实践中己经非常成熟。
而有源滤波器的使用正在成为谐波抑制技术发展的一个重要趋势。
1.2.1无源滤波器及其应用
无源滤波器是由电力电容器、电抗器和电阻适当组合而成的滤波装置，又称为LC滤波器。
它利用电路的谐振原理来达到滤波目的，运行中和谐波源并联，除起滤波作用外还兼顾无功补偿和调压的需要。
可分为单调谐滤波器、双调谐滤波器和高通滤波器等。
实际应用中一般由一组或数组单调谐滤波器组成，有时也与一组高通滤波器配合使用。
1.2.1.1单调谐滤波器单调谐滤波器利用R、L、C电路串联谐振原理构成，如图所示。
滤波器对n次谐波的阻抗为：
式中
一一额定工频角频率。
由于谐振谐波次数为n，则
在谐振点处，有
，由于
较小，n次谐波主要由
分流，而很少流入系统中。
因此，只要将滤波器的谐振次数调整为所需要滤除的谐波次数，则该次谐波将大部分流入滤波器，从而起到滤除该次谐波的目的。
1.2.1.2双调谐滤波器
双调谐滤波器的原理如图所示。
这种滤波器的两个谐振频率实际上相当于两个并联的单调谐滤波器，可同时吸收两种频率的谐波。
与两个单调谐滤波器相比，减少了回路，基波损耗较小。
正常运行时，串联电路的基波阻抗远大于并联电路的基波阻抗，因此串联电抗器Ll承受大部分冲击电压。
这种滤波器结构比较复杂，调谐较困难，但在高压大容量滤波装置中采用有一定的经济优越性。
1.2.1.3高通滤波器高通滤波器又称减幅滤波器。
主要形式如图所示。
一阶减幅型由于基波功率损耗太大，一般不采用;二阶减幅型的基波损耗较小，且阻抗频率特性较好，结构也简单，故工程上用得最多;三节减幅型比二阶滤波器多一个电容C2，提高了对基波频率的阻抗，使基波损耗更小，但特性不如二阶减幅型的，用得也不多;C型滤波器的滤波特性介于二阶和三节之间，主要优点是由于Cd与L对基波串联调谐，电阻中基波损耗很小，缺点是它对工频偏差和元件参数变化较敏感。
总体上看，无源滤波器结构简单、运行可靠、维护方便、造价较低，因此得到了广泛的应用。
但这种方法存在一些难以克服的缺点
：
1.谐振频率依赖于元件参数，因此只能对主要谐波进行滤波，LC参数的漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定。
2.滤波特性依赖于电网参数，而电网的阻抗和谐波频率随着电力系统的运行工况随时改变，造成滤波效果变差。
3.电网的参数与LC可能产生并联谐振使该次谐波分量放大，使电网供电质量下降。
4.电网中的谐波电压可能在LC网络中产生很大的谐波电流，使无源滤波器过载，甚至损坏设备。
为了克服无源滤波器的上述缺点，人们开始探索研制一种新型的滤波装置，这就是有源电力滤波器。
1.2.2有源电力滤波器发展概况
有源电力滤波器也是一种电力电子装置，其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。
有源电力滤波器具有如下特点：
1.不仅可补偿各次谐波，还能补偿无功、抑制闪变。
2.具有自适应能力，可跟踪补偿变化的谐波，具较快的响应速度。
3.具有自调节能力，即使补偿对象的电流过大，也不会过载。
4.能跟踪电网频率的变化，补偿特性不受电网频率变化的影响。
5.受系统阻抗的影明小，可消除和系统阻抗发生谐振的危险。
6.既可对单个谐波私无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源进行集中补偿。
由此可见，有源电力滤波器克服了传统LC无源滤波器谐波抑制和无功补偿方法的缺点，具有良好的调节性能，因而受到广泛的重视，并且己在日本等国得到广泛应月
。
有源电力滤波器的基本思想在上个世纪六七十年代就已经形成。
80年代后，由于大中功率全控型半导体器件的成熟，脉宽调制（PulseWidthModulation——PWM）技术的发展，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出
，有源电力滤波器才得以迅速发展
。
日本在有源电力滤波器技术的应用方面最为成熟，其实用化的产品已经批量并系列化生产。
日本富士电机从1991年起即开发有源电力滤波器产品投放市场。
1994年9月日本通产省资源能源厅制定出“抑制高次谐波规程”
。
1996年富士电机又生产出适用于小容量（MINI）的有源电力滤波器供应市场受到各方的好评。
1998年又开发了上述MINI的上位机，即新型有源电力滤波器FUJIACT200/400A系列。
该系统所用电路和部件与通用变频器可以互换，单机容量从50kvA到最大400kVA
。
国内目前还主要停留在实验研究和理论研究阶段
，尚未见有成品化的国产APF产品，实验研究水平较高的，如西安交通大学，己研制出30kVA样机
，为有源电力滤波器的实用化工作奠定了一定基础。
其他高校和科研机构也正在开展这项研究，分别取得了一定成果。
关于数字有源电力滤波器的讨论在国内也有所报道，本文是基于TMS320LF2407A数字信号处理器芯片对三相有源电力滤波器研制的一些初步探讨。
1.3本论文主要工作
本论文介绍了电力系统的谐波和谐波抑制技术发展状况，有源电力滤波器的原理、结构及在谐波抑制中的应用。
对有源电力滤波器的各种谐波电流检测法、控制方法进行了讨论比较，重点分析了基于瞬时无功功率理论的谐波检测原理，在此基础上，提出了基于移动电流平均值原理的谐波检测新方法。
在Simulink仿真环境下建立了各功能模块，对此新检测方法进行了仿真，并与采用传统滤波器法的结果进行了对比，仿真结果初步验证了该策略的正确性并为实验提供了参考依据。
讨论了基于DSP的电流平均值谐波检测方法及其软硬件实现，在此基础上完成了TMS320LF2407A芯片为核心的有源电力滤波器实验系统的调试工作。
为进一步研究有源电力滤疚器的数字化实现奠定了基础。
第二章有源电力滤波器原理和结构
有源电力滤波器工作原理
有源电力滤波器（Actix，ePowerFilter，简称APF）系统构成的原理图如图所示。
图中e:
表示交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。
有源电力滤波器是一种向电网注入补偿谐波电流，以抵消负荷所产生的谐波电流的滤波装置。
它由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生尾路（由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分构成）。
其中，指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量，有时也称之为谐波和无功电流检测电路。
补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿尾流。
主电路一般采用PWM变流器。
作为主电路的PWM变流器在产生补偿电流时主要作为逆变器工作，但它并不仅仅是作为逆变器而工作的，如在电网向有源电力滤波器直流侧储能元件充电时，它就作为整流器工作。
也就是说，它既工作于逆变器状态，也工作于整流状态，且两种工作状态无法严格区分。
图所示有源电力滤波器的基本工作原理是，检测补偿对象的电面确疏;经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。
例如，当需要补偿负载产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象负载电流
的谐波分量
，将其反极性后作为补偿电流的指令信号
，由补偿电流发生电路产生的补偿电流即与负载电流中的谐波分量大小相等、方向相反，因而两者互相抵消，使得电源电流中只含有基波，不含谐波。
这就达到了抑制电源电流中谐波的目的。
上述原理可用如下的公式说明:
式中
——负载电流的基波分量
如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，补偿负载的无功功率，则只要在补偿电流的指令信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分即可。
这样，补偿电流与负载电流中的谐波及无功成分相抵消，电源电流等于负载电流的基波有功分量。
2.2有源电力滤波器系统构成
根据有源电力滤波器接入电网的方式，将其系统构成分为两大类，即并联型和串联型。
两者又分别包括不同的类型，如图所示。
有源电力滤波器每一种类型又各有其特点，因而其工作原理、特性等也就各有其特点。
下面将就每一种类型的有源电力滤波器的系统构成和主要特点进行论述。
所介绍的原理图均以单线图画出，它们均可用于单相或三相系统。
此外，图中未画出控制电路。
2.2.1并联型有源电力滤波器
2.2.1.1单独使用的并联型有源电力滤波器单独使用的并联型有源电力滤波器系统构成的原理如图所示
。
图中，负载为产生谐波的谐波源，变流器和与其相连的电感、直流侧储能元件共同组成有源电力滤波器的主电路。
与有源电力滤波器并联的小容量一阶高通滤波器（或
采用二阶高通滤波器），用于滤
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