有源电力滤波器电压谐波检测器的设计与仿真毕业论文.docx

1、有源电力滤波器电压谐波检测器的设计与仿真毕业论文摘要 IIAbstract III第一章 绪论 11.1谐波问题的背景及研究现状 11.1.1谐波问题的提出 11.1.2谐波研究的现状 11.2谐波治理的意义 31.2.1谐波的概念及来源 31.2.2谐波的危害 31.2.3谐波治理的意义 41.3谐波治理的措施 51.3.1无源电力滤波器 51.3.2有源电力滤波器 61.4有源电力滤波器的谐波电压检测技术及其发展 61.41模拟带通滤波器谐波电电压检测方法 61.42检测意义 71.5论文的主要工作 7第二章有源电力滤波器的工作原理与结构 82.1有源电力滤波器的基本原理 82.2有源电力

2、滤波器的拓扑结构 92.2.1串联型有源电力滤波器 92.2.2并联型有源电力滤波器 102.2.3混合型有源电力滤波器 112.3有源电力滤波器的主电路 112.3.1主电路形式 112.3.2主电路的工作原理 122.4有源电力滤波器的驱动电路 13第三章max261介绍 143.1引言 143.2内部滤波器单元结构 143.21MAX261可编程滤波器主要特点 153.22max261引脚介绍 163.3滤波器工作模式选择 163.4本章小结 17第四章电压谐波检测器的原理结构 184.1电压谐波检测器的结构 184.2AD204介绍 184.21AD204应用 19第五章研究与仿真 2

3、25.1研究 225.2实验 235.3本章小结 24参考文献 26致谢 27摘要近年来，变频器、开关电源、UPS、整流器等装置的日益普及，提高了电网运行的经济效益，但同时也造成了严重的谐波污染。治理谐波污染、抑制谐波源谐波注入电网，维护电网绿色环境是当前研究重点之。有源电力滤波器是一种新型的电力电子装置，可以对电力系统中的谐波进行补偿。谐波电压检测是有源电力滤波器技术的关键技术之一，电压谐波检测器是其中的一个环节，其作用是检测谐波电压，反相后送入后级的功率放大电路，用以抵消电网中的谐波电压。本文重点介绍了MAXIM公司的可编程开关电容滤波器MAX261芯片以及用此芯片构成的电压谐波检测器。并

4、对电压谐波检测器的检测特性进行了仿真研究，在此基础上，正确选择其参数，并通过实验验证了结果的正确性。关键字 max261 有源电力滤波器AbstractInrecentyears,inverter,switchingpowersupply,UPS,rectifiers,suchastheincreasingpopularityofdevicestoimprovetheeconomicefficiencyofthepowersystemoperation,butalsocausingseriousharmonicpollution.Harmonicpollutioncontrol,harmoni

5、csuppressionharmonicsourcesintoelectricitygrids,themaintenanceofthegreengridenvironmentisthefocusofcurrentresearch.Activepowerfilterisanewtypeofpowerelectronicdevices,powersystemcancompensateforharmonics.Detectionofharmonicvoltageactivepowerfiltertechnologyisoneofthekeytechnologies,voltageharmonicde

6、tectionisoneaspectoftheirroleistodetectharmonicvoltage,aftertheRPintotheclassafterthepoweramplifiercircuit,foroffsetvoltageharmonicsinthegrid.ThisarticlefocusesonMAXIMsprogrammableswitched-capacitorfilterusingMAX261chipaswellasthecompositionofthechipdetectorvoltageharmonics.Harmonicvoltagedetectoran

7、dthedetectioncharacteristicsofthesimulationstudy,inthisbasis,thecorrectchoiceofitsparameters,andexperimentalverificationofthecorrectnessoftheresults.Keywordsactivepowerfilter max261第一章 绪论1.1谐波问题的背景及研究现状1.1.1谐波问题的提出近年来，随着全球工业化进程的不断加快，对地球环境的污染和破坏也空前加剧。电能作为现代社会中使用最广泛的能源，其应用程度是衡量一个国家发展水平的重要标志之一。随着我国电力事业

8、的迅猛发展，电能紧缺的问题已逐步解决，但与此同时，用户对提高电能质量的呼声也越来越高。电力系统也是一种“环境”，也面临着污染，公用电网中谐波电压就是对电网环境最严重的污染。对电网谐波监测与研究，是限制和消除谐波危害的前提，也是保证供电系统安全经济运行及保证设备和人身安全的迫切需要。因此，伴随着信息时代对电能质量越来越高的要求，电力系统谐波抑制及其检测成为电力电子技术、电气自动化技术及电力系统研究领域所面临的一个重大课题，正在受到越来越广泛的关注，很多国家都对此给予了足够的重视。因此，对谐波问题的研究是非常重要和紧迫的。1.1.2谐波研究的现状电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引

9、起人们的关注。当时在德国，由于使用静止泵弧变流器而造成了电压、电压波形的畸变。1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期关于谐波研究的经典论文1。到了50年代和60年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起的电力系统谐波问题的大量论文。E.W.Kimbark在其著作中对此进行了总结。70年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种2电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波造成的危害也日益严重，世界各国都对谐波问题予以充分关注，定期召开有关谐波问题的学术讨论会。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，制定包括供电系统、各项

10、电力设备和用电设备以及家用电器在内的谐波标准，并将谐波干扰问题列入电磁兼容范围内。不少国家已制定了电力系统和用电设备谐波和波形畸变的国家标准或电力部门的规定。在我国，1985年原水利电力部颁发了电力系1统谐波暂行规定（SD12684）,1993年国家技术监督局颁发了国家标准公用电网谐波。这两个标准对公用供电系统电压畸变允许值和谐波源注入供电点的谐波电压值作出了规定。与国外相比，我国对谐波问题的研究起步很晚，吴竟昌等人1988年出版的电力系统谐波一书是我国有关电力谐波问题较有影响的著作。夏道止于1994年出版的高压直流输电系统的谐波分析及滤波是近年出版的代表性著作。林海雪、孙树勤等在1998年出

11、版的电力网中的3谐波对谐波进行了详细的分析。此外，唐统一等人和容健纲等人分别4独立翻译了J.Arrilaga等的著作电力系统谐波一书56，也在国内外有较大的影响。随着信息产业、高薪技术产业的飞速发展以及传统行业采用计算机管理及先进控制技术的应用，对供电可靠性和电能质量敏感的负荷所占的比重越来越大，现代数字信息对供电可靠性及个性化电能质量需求有了更高的要求。这意味着信息社会不仅依赖于电力供应，而且更需要新的特殊的电力供应。这就要求首先在经济发达的国家引起了关注。美国电力研究院（EPRI）的NarainG.Hingorani博士于1998年首先提出了“CustomPower”的新概念及其质量分成三

12、个等级。这实质上就是将计算机技术、现代控制理论和电力电子技术应用于配电系统，构成能够提供优质电力和其他不同质量的电力的配电系统以适应不同电力用户的不同需求，这是信息社会和电力市场发展对电能质量的新要求，也正是新一代柔性配电系统的发展方向。柔性配电新技术将为在电力市场条件下的电力用户提供纯净、可靠、稳定的绿色电源，同时，也提高了电能的传输效率，给供电部门带来了可观的经济效益。仅依靠过去的无源滤波技术治理谐波已不能满足要求，研究和开发适应这一要求的新技术已成为近年来电力系统领域中的新热点。用户电力（CustomPower）新技术主要是利用GTO、IGBT、MOSFET等大功率电力电子器件组成的控制

13、设备向用户提供增值的、可靠的、高质量的电能。提供系统的供电可靠性（减少断电次数等），保证功率流质量。有源电力滤波器APF（activepowerfilter）因具有动态补偿谐波、受电网阻抗影响小、可动态跟踪负载电压变化、能有效抑制电力系统中非线性负荷引起的谐波污染等优点，逐渐成为谐波抑制技术的主要研究方向。近年来，国际上有关谐波的研究十分活跃，每年都有大量的论文发表。这一方面说明了这一研究的重要性，另一方面也预示着这一领域的研究将取得重大突破。对谐波的研究，主要是研究谐波的补偿和抑制技术，而有源电力滤2波器技术是抑制谐波技术的主要研究方向之一。随着有源电力滤波器技术的提高，将逐步消除谐波的污染

14、，推动电力电子技术的发展，最终实现电网“绿色”化。1.2谐波治理的意义1.2.1谐波的概念及来源任何周期性非正弦波都可用一个基频正弦波加上一系列其它频率的正弦波表示，这些正弦波通常有着比基波小的幅值和为基波整数倍的频率，后者即为谐波78。按照国际上的通行定义是，谐波一个周期量的正弦波分量，其频率是基波频率的整数倍。由于谐波频率总是高于基波，因此，往往又称为高次谐波。电网中的谐波主要是由各种大量电力和用电变流设备以及其它非线性负载产生的。当正弦基波电压(当电源阻抗为零阻抗时)施加于非线性9负荷时，负荷吸收的电压与施加的电压波形不同，畸变的电压影响电压回路中的配电设施。在实际存在系统电源阻抗时，畸

15、变电压将在阻抗上产生电压降，因而产生畸变电压，畸变电压将对所有的负荷产生影响。系统中的主要谐波源可分为两大类:含半导体非线性元件的谐波源含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。前者如各种整流设备、交流调压装置、变流设备、直流拖动设备整流器、PWM变频器、相控调制变流器以及现代工业设施为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、日光灯等照明设施和发电机、变压器及铁磁谐振设备等。家用电气设备分属上述两类谐波源。虽然其容量小，但数量很大，因此也是不可忽视的谐波源。所有这些都使得电力系统的电压、电压波形发生畸变，从而产生高次谐波。1.2.2谐波的危害谐波对各种电力设备、通信设备及线路都会产生

16、有害的影响，严重时会造成设备的损坏电力系统事故。尤其是近年来电力电子设备的迅10速增长，谐波的危害日趋严重。高次谐波对公用电网和其他系统的危害主要有以下几个方面：（1）谐波使公用电网中的元件产生附加的功率损耗，降低发电、输电及用电设备的效率；（2）谐波影响各种用电设备的正常工作，使旋转电机（发电机和电动机）发热、产生脉动转矩和噪声，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏；（3）谐波会导致继电保护和自动控制装置的误动或拒动，并使电气测量仪表的计量不准确；（4）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作

17、；（5）谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使前几个方面的危害大大的增加，甚至引起严重事故。1.2.3谐波治理的意义在大多数情况下，电网中的谐波成分可能不会对电网和电气设备构成严重的威胁，但在一定条件下，谐波成分会严重影响电气装置及联到该装置上的设备的正常运行，甚至会影响电力系统本身的安全稳定运行。如：广西苹果铝厂1996年6月因谐波超标，导致电容爆炸，损坏高压开关和住变压器，造成大面积停电；湖南涟钢1998年7月，因5次谐波超标，导致豹南山220KV变电站停电16小时；由于电气化铁路产生的负序电压和谐波电压的影响，郑州电网继电保护误动，致使京广线中断数小时。谐波

18、研究的意义，首先是因为谐波的危害十分严重。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。有人曾预言，电力电子连同运动控制和计算机技术一起成为21世纪最重要的两大技术。然而，电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电子技术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的人员必须对谐波问题进行更有效的研究。有效地抑制谐波，可以推动电力电子技术的发展，同时，电力电子技术的进步，也会促进使谐波抑制技术的提高。谐波研究更可以上升到从治理环境污染、维护“绿色电网”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

19、力电子”的呼声日益高涨。目前，对地球的环境保护已成为全人类的共识。对电力系统谐波污染的治理己成为电工学科技术所必须解决的问题。可见，无论是从保障电力系统的安全、稳定、经济运行的角度，还是从用户用电设备的安全、正常工作的角度，有效地治理谐波，将其限制在允许范围之内，还电网一个洁净的电气环境，营造“绿色电网”，已经迫在眉睫。我国谐波治理的水平还比较低，对电力科技工作者来说，谐波治理问题的研究具有十分重大的理论和现实意义。1.3谐波治理的措施为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，这对各种谐波源都是适应的；另一条是对电力电子装置本身进行改造，使

20、其不产生谐波，且功率因数可控制为1，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。目前消除谐波主要有主动型和被动型两种途径。主动型指从装置本身出发，设计不产生谐波的设备；被动型则指外加谐波补偿装置-电力滤波器，比如在电力系统中加上LC滤波器，或在装置的电源侧加装有源滤波装置等。被动型谐波抑制中安装的电力滤波器又分为无源电力滤波器和有源电力滤波器。1.3.1无源电力滤波器无源滤波方案是目前采用较多的谐波抑制手段。无源电力滤波器11(PassivePowerFilter，简称PPF)由一组针对特定频率的LC单调谐滤波器组成，既可以补偿谐波，又可以补偿无功功率。它具有成本低、结构简单、技术成熟等优点。

21、但存在以下难以克服的缺陷：(1)滤波器的设计大多针对特定频率的谐波，只能滤除特定次谐波，谐振频率依赖于元件参数，L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的改变而改变，因而LC参数的设计较困难;(3)电网阻抗与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)电网阻抗与LC可能产生串联谐振，电网中的某次谐波电压可能在LC网络中产生很大的谐波电压;(5)体积大、损耗大。由于无源电力滤波器的上述缺点，使它很难满足实际工作的要求，所以必须研制新型的滤波和补偿装置。上世纪七十年代以来，在新型电力电子器件迅

22、速发展和功率电子学、特别是控制技术发展的基础上，人们致力于有源电力滤波器的研究，以弥补无源电力滤波器存在的这些问题。从目前国外的使用情况来看，利用有源电力滤波器进行谐波补偿是今后的一个发展趋势。1.3.2有源电力滤波器1969年，Bird和Marsh等人提出通过向电网注入三次谐波电压来减5少电压中的谐波成分，从而改善电压波形的思想，这就是有源电力滤波器（ActivePowerFilter，APF）技术的萌芽。1971年，Sasaki和Machida提出有源电力滤波器技术，完整地描述了有源电力滤波器的基本原理：12通过产生与负载谐波电压大小相等方向相反的补偿电压，来抵消负载谐波电压，从而达到净化

23、电网的目的。由于当时采用线性放大器产生补偿电压，损耗大、成本高，因此未获实际应用。1976年，L.Gyugyi等人提出用大功率晶体管PWM逆变器构成有源电力滤波器来抑制谐波，引起13了普遍的关注，确立了有源电力滤波器的完整的概念和主电路的拓扑结构。目前，在谐波治理的措施中，一个重要趋势是采用有源电力滤波器。经过几十年的发展，有源电力滤波器技术已取得了很大的进步。现在有源电力滤波器基本上可以弥补无源电力滤波器的不足，并获得比无源电力滤波器更好的补偿特性。与无源电力滤波器PPF相比，有源电力滤波器APF具有以下一些优点：（1）滤波性能不受系统阻抗的影响；（2）不会与系统阻抗发生串联或并联谐振，系统

24、结构的变化不会影响治理效果；（3）原理上比PPF更为优越，用一台装置就能完成各次谐波的治理；（4）实现了动态治理，能够迅速响应谐波的频率和大小发生的变化；（5）由于装置本身能完成输出限制，因此即使谐波含量增大也不会过载；（6）具备多种补偿功能，可以对无功功率和负序进行补偿；（7）谐波补偿特性不受电网频率变化的影响；（8）可以对多个谐波源进行集中治理。1.4有源电力滤波器的谐波电压检测技术及其发展1.41模拟带通滤波器谐波电电压检测方法使用模拟滤波器来实现谐波电压检测，即采用陷波器将基波电压滤除，得到谐波分量，或采用带通滤波器得出基波分量，再与被检测电压相减得到谐波分量。该检测法的优点是电路结构

25、简单，造价低，输出阻抗低，品质因素易于控制。由于滤波器中心频率固定，当电网频率波动时，滤波效果会大大下降。此外滤波器的中心频率对元件参数十分敏感，这样要使滤波器得到理想的幅频特性和相频特性是很困难的，并且这种方法也不能同时分离出无功电压和谐波电压。当电网频率发生波动时，不仅影响检测精度，而且检测出的谐波电压中含较多的基波分量，大大增加了有源电力滤波器的容量和运行损耗。这种方法多用于补偿效果要求不高的场合，它已不能适应现代电力系统的需要。1.42检测意义谐波测量不仅仅作为APF的一部分发展，它已经成为谐波研究的一个重要分支，是谐波分析和谐波标准制定等研究方向的基础，谐波检测的快速性、准确性直接影

26、响到有源电力滤波器补偿电路的跟踪补偿特性,因此对谐波电压的检测提出了很高的要求。因此提高精度与快速性，进一步改进检测性能，以适应现代电力系统的多变性，简化系统结构、降低成本、提高可靠性，具有重要理论和实用意义1.5论文的主要工作本论文以传统的有源电力滤波器的硬件结构为基础，着重研究有源电力滤波器的谐波电流检测方法分析它们的优缺点，：第一部分讨论了谐波的产生危害比较了有源滤波技术与无源滤波技术的优劣，及其应用前景；第二部分阐述了有源电力滤波器的基本结构和工作原理，然后根据有源电力滤波器的主要结构介绍了主电路和驱动电路的工作原理第三部分介绍了max261的结构及应用第四部分介绍了电压检测器的原理及

27、机构第五部分对电压检测器进行了仿真研究第六部分对这篇论文进行总结和展望。 第二章有源电力滤波器的工作原理与结构2.1有源电力滤波器的基本原理图2.1所示为最基本的有源电力滤波器系统24-26。图中es表示交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路（由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成）。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。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，产生实际的补偿电流。主电路目前均采用PWM变流器。作为主电路的PWM变流器，在产生补偿

28、电流时，主要作为逆变器工作。图2.1所示有源电力滤波器的基本工作原理是：检测补偿对象的电压和电流，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电流抵消，最终得到期望的电源电流。例如，当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出对象负载电流iL的谐波分量iLh，将其反极性后作为补偿电流的指令信号iX，由补偿电流发生电路产生的补偿电流iC即与负载电流中谐波分量iLh大小相等、方向相反，因而两者相互抵消，使得电源电流iS中只含基波，不含谐波。这样就达到了抑制电源电流中谐波的目的。上述原理可以用如下的一组公式

29、描述：iS=iL+iC（2.1）iL=iLf+iLh（2.2）iC=?iLh（2.3）iS=iL+iC=iLf（2.4）式中iLf表示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，则只要求在补偿电流的指令信号中增加与负载电流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。根据同样的原理，有源电力滤波器还可以对不对称三相电路的负序电流进行补偿。2.2有源电力滤波器的拓扑结构具体选择有源电力滤波器时，电路结构的选择是一个很重要的环节，因为不同的滤波器结构适合不同的应用目的和不同的功率范围。根据电路

30、结构和连接方式有源电力滤波器的分类如图2.2所示。主要包含有串联型有源电力滤波器、并联型有源电力滤波器以及混合型有源电力滤波器。本文的研究对象是并联混合型有源电力滤波器。图2.2中APF为有源电力滤波器，PPF为无源电力滤波器图2.2有源电力滤波器的拓扑结构分类2.2.1串联型有源电力滤波器单独使用的串联型有源电力滤波器如下图所示。串联型有源电力滤波器在此系统中相当于一个电压控制电压源，跟踪电源电压中的谐波分量，产生与之相反的谐波电压，使负载端交流侧电压为正弦波。串联型有源电力滤波器系统一般采用电压型逆变器，不包含任何电流控制环。由于其固有的一些缺陷，由于APF串联在电路中，绝缘困难，维修也不

31、方便；在正常工作时，注入变压器流过所有负载电流，特别是在耦合变压器的二次侧，线路热损（I2R）增加，滤波器结构也会很庞大，因此，串联型有源电力滤波器不如并联型有源电力滤波器应用广泛。和并联型有源电力滤波器相比，它的优点是适合于抑制电压谐波和平衡三相电压。因此这类有源电力滤波器结构常用于改善系统的供电电压，为负载提供正弦形供电电压。2.2.2并联型有源电力滤波器并联型有源电力滤波器是工业应用最多的一种滤波器结构。单独使用的并联有源电力滤波器的单相图如下图所示，这种装置相当于一个谐波电流发生器，跟踪负载电流中的谐波分量，产生与之相反的谐波电流，从而抵消线路中的谐波电流。通过不同的控制作用，可以对谐

32、波、无功、不平衡分量等进行补偿。但是，由于电源电压直接加在逆变桥上，对开关器件等级要求高，负载谐波电流含量高时，这种有源电力滤波器装置的容量也必须很大，因为兼具大的补偿容量和宽的补偿频带比较困难，所以它只适合于低电压小容量的谐波补偿。为解决高压、大功率谐波补偿问题，国外有人提出了采用多个有源电力滤波器级联使用方法，双并联型有源电力滤波器的级联补偿系统如图2.5所示。总的谐波补偿任务由多个有源电力滤波器单元平均分担，或者不同频次或频段的谐波由不同的有源电力滤波器单元补偿，其中，用于抑制低频次谐波的有源电力滤波器可以采用开关频率不高、功率水平较高的GTO，而用于抑制高频次谐波的有源电力滤波器可以采用开关频率较高、功率水平不高的IGBT。这种方法确实是解决有源电力滤波器大容量应用问题的一种方法，但是，其控制系统相当复杂和繁琐，而且成本很高，就