1、基于 MATLAB 的有源三相滤波器的设计基于 MATLAB 的有源三相滤波器的设计东北大学本科毕业设计（论文） 毕业设计（论文）任务书- I -毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：基于 MATLAB 的有源三相滤波器的设计设计(论文) 的基本内容：（1）深入理解有源滤波器的相关知识；（2）进行有源三相滤波器的设计，并用 MATLAB 进行仿真；（3）撰写毕业论文。毕业设计（论文）专题部分：题目： 设计或论文专题的基本内容：学生接受毕业设计（论文）题目日期第 周指导教师签字：年 月 日东北大学本科毕业设计（论文） 摘要- II -基于 MATLAB 的三相滤波器的设计摘要电能作为现代社
2、会的重要能源之一，广泛应用于工农业生产、人民生活、国防科技等各个领域。随着电力电子技术的发展，大量的非线性负载和各种整流设备被广泛的应用于各行各业，使电网谐波含量大大增加，电能质量下降。所以，抑制谐波污染、改善供电质量成为迫切需要解决的问题。目前，随着电力电子技术的飞速发展，采用有源电力滤波器动态抑制谐波成为重要的发展方向，它能克服传统 LC 滤波器的缺陷。有源电力滤波器是一种新型谐波、无功补偿装置，和传统的 LC 滤波器相比，有源电力滤波器可以对谐波、无功以及负序电流实现实时、准确的补偿。因此，有源电力滤波器有广阔的应用前景，进行有源电力滤波器的研究和开发工作具有非常重要的意义。本文以并联电
3、压型有源电力滤波器作为研究对象，系统地分析了并联电压型有源电力滤波器的工作原理、补偿特性等问题。深入研究了基于瞬时无功功率理论的 法、基于瞬时无功功率理论下的改进型谐波电流检测的pq法，对并联型有源电力滤波器的三角波载波控制、电流滞环跟踪控制等i电流控制策略进行了研究，并对传统的电流滞环跟踪控制进行了改进，同时引入直流侧电压反馈控制环节，以保证有源电力滤波器具有良好的补偿跟随特性，通过理论分析比较了各自的特点。本文还利用 MATLAB/SIMULINK 进行有源三相滤波器的仿真，仿真结果表明，有源电力滤波器能够对谐波电流起到了较好的补偿作用，具有较好的动态补偿特性。关键词： 有源三相滤波器、谐
4、波电流、瞬时无功功率理论、MATLAB东北大学本科毕业设计（论文） 目 录- III -目录毕业设计（论文）任务书 .I摘要 .IIMATLAB-based three-phase filter design.IIIAbstract.III目录 .IV第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.1.1 谐波的产生原因及危害 .11.1.2 谐波抑制的基本方法 .31.2 有源电力滤波器研究的意义 .31.2.1 无源滤波器的缺陷 .31.2.2 有源电力滤波器的优势 .31.3 有源电力滤波器的研究现状及发展趋势 .41.3.1 有源电力滤波器的发展历史 .41.3.2 有源电力滤波器研究
5、现状 .41.3.3 有源电力滤波器的发展趋势 .5第 2 章 有源电力滤波器的原理 .62.1 有源滤波器的工作原理 .62.2 有源滤波器的类型 .72.2.1 按使用的变流器类型分类 .72.2.2 按拓扑结构分类 .82.3 本章小结 .10第 3 章 谐波的检测理论 .113.1 基于 FFT 的数字分析法 .113.2 基于瞬时无功理论的快速检测方法 .123.2.1 pq检测法 .14东北大学本科毕业设计（论文） 目 录- IV -3.2.2 pqi 检测法 .153.3 本章小结 .17第 4 章 有源滤波器的控制策略 .184.1 三角载波线性控制法 .194.2 滞环控制法
6、 .204.3 有源滤波器直流侧电压的控制原理 .224.4 本章小结 .24第 5 章 MATLAB 仿真软件 .255.1 MATLAB 简介 .255.2 SIMULINK 简介 .275.3 SimPowerSystems 库简介 .285.4 本章小结 .29第 6 章 有源三相滤波器的仿真 .306.1 谐波和无功电流检测模块的建立 .306.1.1 检测模块分析 .306.1.2 数字低通滤波器的选择 .336.2 补偿电路发生器模块模型的建立 .346.3 系统仿真结果 .37第 7 章 总结 .417.1 本文工作总结 .417.2 进一步展望 .41参考文献 .43致谢 .
7、45东北大学本科毕业设计（论文） 0 绪 论- 1 -第 1 章 绪论由于半导体工艺的不断提高和各种新型器件的出现，电力电子装置的应用也越来越广泛，它们的存在使电能得到了有效的利用，但其自身所具有的非线性也使得电网的电流和电压发生畸变，给电网中其他设备的运行带来不利的影响。因此，抑制电网中的谐波、提高装置的功率因数成为电力电子和电力系统等研究领域所面临的一个重大课题。1.1 课题背景1.1.1 谐波的产生原因及危害电力系统的谐波问题，早在 20 世纪 20 年代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网电压和电流波形的畸变。到了 20世纪 5060 年代由于高电压直流输
8、电技术的发展，针对换流器产生谐波问题发表了大量的研究文章。70 年代以来，随着电力电子技术的发展，以及各种电力电子装置在电力系统中的大量使用，使得谐波造成的危害也日益严重。特别是近 20 年来随着功率电子器件、微电子技术的飞速发展和高频开关电源的大量使用，谐波问题更加引起了世界各国的广泛重视。现代电力系统的发电机在正常稳态运行条件下，不会产生多少谐波电动势。电力系统产生谐波的装置主要是一些具有非线性伏安特性的输电设备和用电设备，引起谐波的谐波源主要有：（1）电力变压器的非线性励磁；（2）旋转电机引起的谐波；（3）电弧炉引起的波形畸变；（4）各种电器设备的工作电源(特别是高频开关电源)产生的谐波
9、。随着电力电子装置的日益增多和容量的不断增大，上述（4）部分产生的谐波比重越来越大，目前已成为主要的谐波污染源。理想的公用电网所提供的电压应该是频率固定并且电压幅值在规定的范围内。但是实际电网中由于非线性负载的大量使用不仅使得负载电流非正弦，同时使得负载端电压畸变从而使得电网中产生谐波电压。谐波对电力系统的电磁环境的污染将危害系统本身及广大的电力用户。谐波电流和谐波电压的出现，对公共电网是一种污染，在电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波污染不严重，没有引起足够的重视。近三四十年来，各种电力电子装置的迅速普及使得公共电网的谐波污染日趋严重，由谐波
10、引起的各种故障和事故也东北大学本科毕业设计（论文） 0 绪 论- 2 -不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。谐波对公共电网和其他系统的危害大致有以下几个方面：（1）谐波使电网损耗增加谐波使公共电网中的元件产生了附加的谐波损耗，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。与基波电流相比，尽管谐波电流的比例不大，但设备的有效电阻会因肌肤效应而增大，在有铁芯的电气设备中，铁芯的磁滞损耗和涡流损耗也将增大。这些附加损耗除增加了电力系统的损耗外，还使设备温升增加，尤其局部发热点的温升可能增加更多，使设备绝缘老化加速。另外，在较高频率的电场作用下，
11、绝缘的局部放电加剧，介质损耗显著增加，致使其温升提高。当电压畸变波形出现尖顶波时，还增加了局部放电强度，从而降低绝缘寿命。（2）谐波使电能利用率下降谐波的存在使得电网中无功功率增加，导致电流增大和视在功率增加，这些无功功率将在能量循环中产生无谓的损耗，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。（3）谐波使电网的可靠性下降在电力系统中为了补偿负载的无功功率，提高功率因数，常在负载处装设并联电容器。此外，为了滤除谐波，也会装设由电容器和电抗器组成的滤波器。在工频下，这些电容器的容抗比系统的感抗大得多，不会产生谐振。但对谐波频率而言，系统感抗大大增加而容抗大大减小，就可能产生并联谐振或串
12、联谐振。这种谐振会使谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统，特别对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，甚至引起严重事故。（4）谐波对干扰电网上电气设备谐波会影响各种电气设备的正常工作。谐波电流产生的脉动转矩会引起电机的机械振动和噪声，这些将缩短电机的寿命，情况严重时甚至会损坏电机。电力系统中的谐波会改变保护继电器的性能，引起误动作或拒绝动作。（5）谐波对干扰计算机通信系统和自动控制设备谐波干扰会引起通信系统的噪声，降低通话的清晰度，干扰严重时会引起信号的丢失。谐波还会引起自动控制系统的误动作，干扰计算机的正常运行。（6）干扰相邻通信线路和铁道信号线路的正常工作现代电力电子技术的飞速发展就如同
13、是一把双刃剑，在不断提供各种不同形式的高质量电源同时，也对电网及其它设备造成很大的危害，因此必须对电东北大学本科毕业设计（论文） 0 绪 论- 3 -网中存在的谐波进行抑制。1.1.2 抑制谐波的基本方法目前解决谐波问题的思路有两条：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用的；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 l，如采用多重化技术、 PWM 整流技术以及有源功率因数校正技术等。这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。1.2 有源滤波器研究的意义1.2.1 无源滤波器的缺陷谐波和无功治理是电能质量问题的核心内容之一，也是现代电力生产发展的
14、迫切要求。采用电力滤波装置就近吸收非线性负载所产生的谐波和无功电流，是抑制谐波和无功污染的有效措施。由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的 LC 无源滤波器是传统的抑制谐波和补偿无功的主要手段，无源滤波器结构简单、投资成本低、技术成熟、运行可靠且维护方便，是目前采用的较为广泛的谐波抑制和无功补偿手段;但由于无源滤波器是通过在系统中为谐波提供一个并联低阻抗通路，以起到滤波作用，其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定的，因而存在以下缺陷：（l）谐振频率依赖于元件参数，因此只能对主要谐波进行滤波，不能对谐波和无功功率进行动态补偿，LC 参数的漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定，而且滤波要
15、求和无功补偿、调压要求有时难以协调；（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，因而 LC 网络的设计较困难；（3）只能消除特定次的几次谐波，而电网的参数与 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）谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可能造成滤波器过载。由于无源滤波器存在以上其自身难以克服的缺点，因此单独使用无源滤波器来抑制谐波和补偿无功已经难以满足现代电力生产和生活的需要。1.2.2 有源滤波器的优势目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源滤波器。有源滤波器是一种电力电子装置。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，
16、且补偿特性不受电网阻抗的影响，既可以对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿，因而受到广泛的重视。东北大学本科毕业设计（论文） 0 绪 论- 4 -1.3 有源滤波器的研究现状及发展趋势1.3.1 有源滤波器的发展历史有源滤波器的发展最早可以追溯到 20 世纪 60 年代。1969 年 B.M.Bird 和J.F.Marsh 发表的论文中，描述了通过向交流电网注入三次谐波电流来减少电源电流中的谐波成分，从而改善电源电流波形的新方法。在该文中虽未出现有源电力滤波器一词，但其描述的方法是有源滤波器基本思想的萌芽。1971 年，H.Sasaki 和 T.Machida 发表的论文中
17、，首次完整地描述了有源滤波器的基本原理。但由于当时是采样线性放大的方法产生补偿电流，其损耗大，成本高，因而仅在实验室中研究，未能在工业中实用。1976 年，L Gyugyi 等人提出了采用 PWM（Pulse Width Modulation）控制变流器构成的有源电力滤波器,确立了有源滤波器的概念、有源电力滤波器主电路的基本拓扑和控制方法。从原理上看，PWM 变流器是一种理想的补偿电流发生电路，但是由于当时电力电子技术的发展水平还不高，全控型器件功率小、频率低，因而有源电力滤波器仍局限于实验研究。进入 80 年代，随着电力电子技术以及 PWM 控制技术的发展，有源电力滤波器的研究逐渐活跃起来，
18、成为电力电子技术领域的研究热点之一。这一时期的一个重大突破是 1983 年赤目泰文等人提出了“三相电路瞬时无功功率理论” ，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在有源滤波器中得到了成功的应用，极大地促进了有源电力滤波器的发展。目前三相电路瞬时无功功率理论被认为是有源电力滤波器的主要理论基础之一。同时，大功率全控器件的不断发展和成熟、PWM 调制技术的不断进步和大规模集成电路的飞速发展，使得有源滤波器从理论和实验研究进入到了广泛实用的阶段。1.3.2 有源滤波器研究现状有源滤波器作为改善供电质量的一项关键技术，在日本、美国、德国等工业发达国家己得到了高度重视和日益广泛的应用。特别是 80 年代
19、以来，随着电力电子技术以及 PWM 控制技术的发展，有源电力滤波器的研究逐渐活跃起来，成为电力电子技术领域的研究热点之一。现在有源电力滤波器的实际应用在日本及欧美国家越来越多。我国对有源电力滤波器的研究起步较晚，目前有源电力滤波器在我国的实际应用并不多，与国外相比仍有较大差距，这与我国目前谐波污染日益严重的状况很不适应。随着我国电能质量治理工作的深入开展和对谐波问题重视程度东北大学本科毕业设计（论文） 0 绪 论- 5 -的不断提高，对有源滤波器的研究已经成为一个非常有意义的研究课题，利用有源滤波器进行谐波治理具有巨大的社会意义和市场潜力，有源电力滤波技术必将在我国得到广泛的应用。1.3.3
20、有源滤波器的发展趋势有关有源滤波器近期及今后研究的方向主要集中在以下几个方面：（1）谐波电流检测方法的进一步研究。（2）有源滤波器功能的进一步完善。除了补偿谐波电流及无功功率的要求外还要使有源滤波器能够抑制谐波电压、抑制电压闪烁、抑制不平衡电流等功能。（3）通过 PWM 调制和提高开关器件的等效开关频率实现对高次谐波的有效补偿。（4）进一步研究新的功率电路拓扑结构，采用多电平软开关等技术，在提高有源电力滤波器的容量的同时，降低功率器件的电压电流应力。1.4 本章小结本章详细的阐述了谐波的产生及危害，提出了抑制谐波的几种方法，说明了有源电力滤波器研究的意义，介绍了有源滤波器的发展历史和现状，并对其发展进行了展望。
