1、 本科生毕业论文1摘 要随着电力电子装置大量的应用到生产生活当中，它们使电能的转换应用变得更加容易，但同时也给电力系统带来了严重的谐波污染。目前，并联有源电力滤波器(shunt active power filter，SAPF)已成为无功和谐波动态补偿的有效手段之一。在三相四线制电力系统中除了无功和谐波需要治理，负载不平衡问题也变得日益突出，因此，本文研究与设计适用于三相四线制下的SAPF来解决这些问题。针对三相四线制SAPF谐波电流检测问题，本文详细的推导基于瞬时无功理论的 算法，论证它无需改进即可直接应用到三相四线制系统里；选择了滞qpi环比较法作为补偿电流的控制策略；采用了三桥臂变流器作
2、为SAPF的主电路。文章的最后，利用 MATLAB/Simulink 软件，搭建了仿真平台，对主电路出线电感参数和软启动方案进行单独仿真分析，证明电感值参数选择的合理和软启动方案可行。对 SAPF 和所要补偿的系统进行了整体仿真，结果证明在所选参数下，能够对平衡和不平衡非线性负载所带来的谐波有很好的动态补偿效果，对不平衡负载有很好的平衡作用；进而也说明检测方法正确，控制策略得当。关键词 谐波动态补偿；并联有源电力滤波器；三相四线制； 算法qpiMATLAB/Simulink本科生毕业论文2AbstractWith extensive application of power electroni
3、c devices in production and life,they make power energy conversion and application easily, but also lead to the serious harmonic pollution in the power system. At present, the shunt active power filter (SAPF) has been an effective way to dynamically compensate reactive power and harmonic. In additio
4、n to these problems, the load unbalance is more and more serious in three-phase four-wire system, therefore, SAPF applied to three-phase four-wire system is researched and designed to solve these problems in this paper.For the harmonic current detection of SAPF in three-phase four-wire system, theal
5、gorithm based on the instantaneous reactive theory is detailedly derived, and qpithis algorithm is demonstrated it could be directly applied to three-phase and four-wire system without being improved. Hysteresis-band comparison method is chosen as compensation current control strategy. The three-leg
6、 converter which has clear division is adopted as the main circuit.At the end of the paper, the simulation platform is built by use of MATLAB/Simulink software. The output inductance parameter and soft-start scheme are simulated respectively. The results prove that output inductance parameter is rea
7、sonable and the soft-start scheme is feasible. Then, the integrated simulation for SAPF and compensation system is carried out. Finally, simulation results show that SAPF has a good compensation characteristic for the harmonic produced by the balance and unbalance nonlinear loads, and balances three
8、-phase loads in three-phase and four-wire system. At the same time, simulation results show that harmonic detection method is correct and the control strategy is proper.Keywords ：harmonic dynamic compension； shunt active power filter；three-phasefour-wire system； algorithm；MATLAB/Simulinkqpi本科生毕业论文3第
9、一章 绪论 .41.1 谐波概述及其危害 .41.2 谐波抑制强 .51.2.1 无源电力滤波器 .51.2.2 有源电力滤波器 .61.2.3 混合型有源电力滤波器 .71.3 有源电力滤波器的发展和应用 .81.3.1 有源电力滤波器的发展 .81.3.2 有源电力滤波器的应用 .91.4 本文的研究的意义和内容设置及主要任务 .9第二章 三相电路谐波及无功电流的检测 .102.1 基于瞬时无功功率理论的电流检测方法 .102.1.1 瞬时无功理论原始定义及发展 .102. 1. 2 瞬时无功功率理论 .102. 1. 3 坐标变换 .152.2 三相四线制系统中基于瞬时无功功率理论的检测
10、方法 .162.2.1 法检测电流 .16qp222 指令运算方法 .16di2.3 谐波分量的处理 .172.3.1 对基波零序分量的处理 .182.3.2 对基波负序分量和高次谐波分量的处理 .182.4 运算方式和 运算方式的优缺点 .18qpqpi本科生毕业论文4第三章 并联型三相四线制补偿电流发生电路方案选择 .193.1 三相四线制系统 APF 主电路形式和结构选择设计 .193.1.1 四相变流器结构形式 .203.1.2 三相变流器结构 .203. 2 三相四线并联型有源电力滤波器主电路的参数选择 .213. 2. 1 主电路容量的确定 .213. 2. 2 系统开关频率 .2
11、23. 2. 3 电容总电压的选择 .223. 2. 4 电容选择准则和参数选择 .233. 2. 5 交流进线电感选择准则和参数选择 .243.3 电流跟踪控制电路 .253.3.1 三角波比较方式 .253.3.2 三角波比较方式 .26第四章 仿真 .274.1 三相四线制不平衡负载的谐波源设计 .274.2 谐波电流检测环节的设计 .304. 2. 1 低通滤波器构成原理 .304.2.2 检测 .334.3 PWM 信号发生模块的建立 .354.4 仿真模型的整体结构 .374.5 本章小结 .37第六章 结论及展望 .386.1 本文的主要研究成果及完成的主要工作 .38致谢 .3
12、9参考文献 .40本科生毕业论文5第一章 绪论从上世纪20至30年代，人们已经注意到了由静止汞弧变流器弓I起的电网电压和电流的畸变问题。而今，随着电力电子技术的发展，各种非线性电力电子设备投入电网，它们产生的大量的谐波与无功电流也随之注入电网。导致电能质量的恶化。如电网的谐波、三相不平衡、闪变与频率变化等。如何改善电能质量，对供电系统的谐波与无功进行补偿，一直是人们研究的重要课题。1.1 谐波概述及其危害70年代以后，由于电力电子技术的飞速发展，电力电子设备进入了人们生产、生活的各个角落。从低压小容量的家用电器到高压大容量的工业变流装置，应用十分广泛。其产生的谐波日益严重，引起了世界各国对谐波
13、及其抑制的重视。谐波源归纳起来，主要有以下几种：(1)静止变流器。如整流器、交流调压器、通用变频器等。它们产生的谐波对电网影响最为严重，被称为电网中“公害” 。(2)工业用电弧炉、逆变焊机等。虽然他们数量不多，但它们容量较大，它们产生的谐波成份十分丰富，对电网的危害极大。(3)电力变压器的非线性励磁。(4)旋转电机。(5)各种民用电力电子设备。如：各种家用电器、荧光灯、计算机开关电源等。虽然它们的容量不大，但数量众多，它们对电网造成的谐波污染也越来越严重。谐波对电力系统中的其它用电设备，尤其是一些精密仪器影响严重，其危害主要表现在以下几方面：(1)电力方面的危害：1)谐波容易引起电网与无功补偿
14、电容器之间的串联或并联谐振。使谐波电流放大，造成过电流，导致电容器、与之相连的电抗器和电阻器的损坏。本科生毕业论文62)使公用电网中的设备产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的使用效率，增加电网的线损。在三相四线制系统中，中线会由于流过3次及其倍数的谐波电流造成零线过热。3)谐波会产生额外的热效应，从而引起用电设备的发热、绝缘老化、降低设备的使用寿命。(2)在信号干扰方面：1)谐波通过电磁感应和传导耦合等方式对邻近的电力电子设备和通讯系统产生干扰严重时还会导致设备无法正常运行。2) 谐波还会引起保护设备的误动作。3)因目前很多电能测量仪表是电动式电度表，这种测量仪表是在纯正弦波情况下进
15、行校验的，因此谐波会使仪表产生测量误差。谐波问题日益严重，如何对谐波进行抑制，成为众多科研工作者的研究课题。1.2 谐波抑制强解决非线性负载产生的谐波问题思路有二。一是设计谐波补偿装置，对电力系统中非线性负载产生的谐波进行补偿。二是对电力系统中主要谐波源的电力电子装置进行自身的改造。使其完成自身功能的同时，不产生谐波与无功。如：有源功率因数校正技术(SPFC)，各种PWM整流技术等。这两种思路各有优点，从近年来的科技文献可以看出都得到了很好的发展。谐波补偿装置经历了从无源电力滤波器(Passive Power Filter)到有源电力滤波器(Active Power Filter)的发展。因有
16、源电力滤波器成本较高，近年来，混合型有源电力滤波器由于其成本合理和较好的性能也受到了人们的关注。1.2.1 无源电力滤波器无源电力滤波器(原理如图1-1)是传统的谐波补偿方法，目前大量应用的是由交流电抗器和电容器组成的“LC无源滤波器(LC Passire Power Filter)” 。虽然无源滤波器具有结构简单、成本低、技术成熟等优点，但它也存在以下缺点：(1)如果系统中谐波电流超量，滤波器将过载。(2)如果高次谐波的范围较宽，则需要设置多个无源支路。(3)无源滤波器的补偿效果随系统运行情况的变化而变化，对交流电源的阻抗和频率的变换极其敏感，在此情况下难以保证补偿效果。特别是在一个复杂的电
17、力系统中，这两个参数的变化规律很难精确预知，因此一个实际的滤波器要满足要求的谐波衰减是很困难的。(4) 当系统阻抗参数和频率变化时，滤波器可能与系统发生并联谐振(从负载侧看)或串联谐振(从源侧看)，使系统无法正常工作，严重时将导致局部电网的崩溃。本科生毕业论文7图1.1 无源电力滤波器原理图1.2.2有源电力滤波器与无源滤波器相比，有源电力滤波器(APF)具高度的可控性和快速的响应性，其主要优点如下：(1)实现了动态补偿，可对频率和幅值都变化的谐波以及变化的无功功率进行实时补偿，对补偿对象的变化有极快的响应。(2)可同时补偿谐波与无功，也可单独补偿谐波。(3)补偿无功功率时不需要储能元件，补偿
18、谐波时所需储能元件的容量也不大。(4)正常情况下，即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器装置也不会发生过载。(5)谐波补偿特性不受系统阻抗的影响，可避免与被补偿系统发生谐振。(6)既可以对单个谐波和无功源进行补偿，也可以对多个谐波和无功源集中补偿。根据APF与被补偿系统的连接方式不同，APF可分为：串联型有源电力滤波器(Series APF如图1-2 a)，并联型有源电力滤波器(Shunt APF如图1-2 b)和串并联型(又称为统一电能质量调节器UPQC如图1-2 c)。a 串联型有源电力滤波器本科生毕业论文8b 并联型有源电力滤波器（c ）混合型有源电力滤波器图 1-2 有源电力滤波器与负载
19、之间的连接原理图1.2.3 混合型有源电力滤波器混合型有源电力滤波器的系统拓扑结构有以下两种：本科生毕业论文9（a ） 串联型APF与LC PF组成的 APF（b） 并联型APF与LC PF组成的APF图1.3 两种混合型有源电力滤波器1.3 有源电力滤波器的发展和应用1.3.1 有源电力滤波器的发展早在1969年，BMBird在他的论文1中描述了通过向交流电网注入三次谐波电流以减少电源电流中的谐波，改善电源电流的波形。该方法便是有源电力滤波思想的雏型。1976年美国西屋电器公司的LGyugyi和ECStrycula在文2中提出了应用PWM逆变器构成有源电力滤波器。此文讨论了有源电力滤波器的实
20、现方法和控制原理，并建立了有源电力滤波器的基本拓扑结构。但受当时半导体器件发展水平的影响，它只处于实验室阶段。有源电力滤波器的真正发展是从80年代开始的。随着新型半导体器件的出现、PWM变流技术的发展以及HAkagi瞬时无功理论的提出，有源电力滤波器得到了极大的发展。80年代后期，许多有源电力滤波器的商业发展计划完成并投入了实践。随着各种大功率开关器件的出现和PWM变流技术的成熟，有源电力滤波器已达到实用化阶段。到目前为止，多数有源电力滤波器的研究工作是在三相三线制系统中进行的。而三相四线制系统在工业、办公及民用住宅、城市供电、工厂供电等电力输配电系统中广为应用。现在三相四线系统中的谐波和三相
21、不平衡所产生的问题日趋严重，引起了人们的极大重视。由于零序电流的存在，谐波与无功补偿要比在三相三线系统中复杂的多所以关于三相四线系统有源电力滤波器的研究仍在继续。国外已有三相四线有源电力滤波器的样机出现19I，但仍处于试验本科生毕业论文10阶段，未能广泛应用。随着有源滤波技术的成熟和有源电力滤波器容量的提高，其应用范围也必将从补偿用户自身的谐波问题向改善整个电力系统供电质量的方向发展。1.3.2 有源电力滤波器的应用1.3.2.1有源电力滤波器在国外的应用情况有源电力滤波技术在日本、美国、德国等工业发达国家的发展和应用较为成熟。1997年日本电气委员会发表了一项有关谐波危害的调查报告，该报告反
22、映了有源电力滤波器在日本的应用情况。基本情况如下：1)使用的类型从实际投入的设备来看，在355台设备中仅有4台设备与负载连接为串联型或串联混台型。大多是并联型有源电力滤波器。其主电路为电压型逆变器(VSI)结构。2)谐波检测的方法谐波的检测方法有负载电流检测法、电源电流检测法和电源电压检测法。在这些方法中，用负载电流检测法与用电源电流检测法的比率为10：1。可见实际应用中，负载电流检测法应用最为广泛。同时，应用电源电压检测的比率也在增加，检测电压的目的是在于补偿电网电压闪变。3)功能有源电力滤波器除了补偿负载电流谐波，还可补偿基波无功、校正三相不平衡、抑制电网电压闪变等功能。在这355台设备中
23、有76台附有补偿基波无功的功能。1.3.2.2有源电力滤波器在国内的应用情况我国在电力有源滤波器方面的研究起步较晚。直到1989年才见到这方面的研究的文章。1993年才见到试验性的工业应用试验。近些年进行这方面研究的单位在逐渐增加，主要集中在一些高等院校和少数研究机构。从发表的文章看，这些理论研究和实验为主，这些研究有的已经达到或接近国际先进水平。尤其最近几年，将智能控制、最优控制理论应用于有源滤波器的各个环节的事例都取得了不错的效果。1.4 本文的研究的意义和内容设置及主要任务本文就瞬时无功理论在三相四线制系统中的适用性进行了深入研究，对三相四线制有源电力滤波器所补偿的功率成份进行了详细分析。为解决电网电压不平衡对p-q算法的影响。本文推导出了正交坐标系中求取电网电压正、负序分量的变换矩阵，用了 算法。最后对三相四线并联型有源电力滤波器进行设计。qpi本文一切为了应用，因此在理论分析时注重与实际的结合：在系统实现时，尽
