1、硕 士 学 位 论 文并联型电力有源滤波器的谐波检算及控制策略研究Research on Harmonic detection and Control Method of Active Power Filter学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解*有关保留、使用学位论文的规定。特授权*可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日i中图分类号：UDC：学校
2、代码：密级：公开 *硕 士 学 位 论 文并联型电力有源滤波器的谐波检算及控制策略研究Research on Harmonic detection and Control Methodof Active Power Filter作者姓名：* 学 号：05121677导师姓名：* 职 称：副教授学位类别：工学 学位级别：硕士 学科专业：电力电子与电力传动 研究方向：谐波抑制无功补偿*2018 年 4 月ii致谢光阴荏苒，我的研究生生活即将结束，在此论文完成之际，特向所有关心支持我的亲人、老师、同学们表示由衷的谢意。首先感谢我的父母，我的每一分成功都因为他们的欣慰而更有意义。其次对我的导师*副教授
3、表示深深地感谢。汤老师从本科时候就一直是我最尊敬的老师，很幸运有缘投其门下。学习上，老师深厚的理论知识，丰富的实践经验使我所获颇深，时值毕业，我仍然会有些遗憾没能充分利用机会向老师多学一些知识。在课题研究中，老师在大方向上把关，鼓励我们充分在自己的感兴趣的领域发挥，尽所有可能让我们得到充分锻炼，同时这篇论文的完成也倾注了老师很多心血，甚至错字标点都一一校正。生活中，老师极强的责任心和豁达的人生态度一直是我学习的榜样。深知老师平日对我们要求不高但期望却很高，所以每一次老师认可和肯定都是推动我做得更好的原动力。即将完成学业走上工作岗位，我会踏踏实实工作，本本分分做人，不让每一个关心我的人失望。最后
4、，向*电气学院的全体老师致敬，我的人生中最宝贵的六年半在交大度过，是你们用辛勤的汗水和无价的知识把我们培养出来。铁打的营盘流水的兵，在即将离校之际，衷心的祝愿所有老师身体健康，阖家幸福。北京交通大学硕士学位论文 中文摘要iii中文摘要摘要：随着电力电子技术的发展以及各种用电设备对电能质量要求的不断提高，谐波抑制和无功补偿问题越来越得到人们的重视。有源电力滤波器作为动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，对比其他无源滤波等装置有不可比拟的优势。本文对有源电力滤波器种类及拓扑结构进行比较，选择电压并联型有源电力滤波器作为研究对象。提出了一套有源滤波器的设计方案，重点研究了谐波电流检算方法和电压电流双
5、闭环的控制策略。本文研究了基于瞬时无功理论的两种谐波电流检算方法 pq 法和ip-iq 法以及由此衍生出来的旋转坐标电流矢量法。分别对三种方法做数学推导和仿真分析，并对网侧电压畸变等不同情况下三种方法的谐波电流检算效果进行了对比分析。设计 30 阶无限长数字滤波器，在采样频率为 5KHZ 时的响应时间为 6mS。讨论了两种电流跟踪控制方法，三角波比较法和滞环比较法，并根据 IGBT 开关频率要求提出定频滞环比较法，就三角波与定频滞环两种控制方式仿真比较其对补偿效果的影响。研究 ip-iq 法和 dq0 法在直流电压控制上的实现方法。本文设计了基于 DSP：TMS320F2812 的数字化控制系
6、统，并采用 C 语言编写的算法控制软件。搭建了整套 APF 实验平台，完成了系统主电路和控制电路的设计与调试，在三相不控整流负载下实验，完成 APF 的基本功能。仿真和实验结果验证了谐波检算方法和 控制方法的有效性。关键词：有源电力滤波器；瞬时无功理论；旋转坐标变换；谐波；无功分类号：北京交通大学硕士学位论文 ABSTRACTivABSTRACTABSTRACT: Along with the development of power electronics technology, as well as improved requirement of power quality, harmon
7、ic suppression（谐波抑制） and reactive power compensation（无功补偿）has got more attention. As a dynamic compensation equipment, active power filter has much larger advantages than other compensation methods. Compared with other kinds of APF, this paper chose three phase shunt APF to study and puts forward a
8、design of shunt active power filter based on DSP control, with special attention on harmonic detection and control strategy.There are p-q method, ip-iq method based on instantaneous reactive power theory and dq0 method based on dq0 transformation to be study. Three methods calculation results were c
9、ompared under different voltage circumstances with simulation. 30 bands finite digital filter was designed whitch dynamic response time is 6 mS at the sampling frequency of 5 kHz. Two current tracking control methods were discussed and fixed frequency hysteresis-loop comparator was chosen according
10、the requirement of IGBT. DC voltage control method was studied in the two detecting method.A design of control system selecting DSP as the control core and its hardware design and software flow are introduced in detail. The results validate the method of reactive and harmonic current detection and c
11、ontrol strategy in the dissertation, and also meet the design requirement of APF.KEYWORDS：Active power filter; reactive power; harmonicCLASSNO：北京交通大学硕士学位论文 目录v目录中文摘要 .iiiABSTRACT.iv1 引言 .11.1 谐波抑制和无功补偿的意义 .11.1.1谐波抑制的意义 .11.1.2无功补偿的意义 .11.2 谐波和无功的补偿方法 .21.3 有源电力滤波器的原理、分类和发展 .31.3.1有源电力滤波器的工作原理 .31.3
12、.2有源电力滤波器的分类 .41.3.3有源电力滤波器发展趋势 .72 并联型有源电力滤波器设计 .102.1 谐波电流检算电路 .102.1.1坐标变换及瞬时无功理论 .102.1.2p-q 法 .142.1.3ip-iq 法 .162.1.4dq0 法 .182.1.5检算方法对比分析 .202.2 数字滤波器设计 .202.2.1用 Matlab 设计有限长单位冲击响应滤波器 .212.2.2滤波器性能分析 .222.3 电流闭环控制 .242.3.1三角波比较方式 .242.3.2滞环控制方式 .242.3.3无差拍定频比较控制 .252.3.4仿真分析和比较 .262.4 电压闭环控
13、制 .312.4.1ip-iq 方式直流侧电压控制 .322.4.2dq0 方式直流侧电压控制 .323 并联有源电力滤波器控制系统硬件电路设计 .343.1 控制系统总体构成 .34北京交通大学硕士学位论文 目录vi3.2 TMS320F2812 控制板介绍 .343.2.1电源电路 .363.2.2复位电路 .363.2.3时钟电路 .373.2.4引导和工作模式选择 .373.3 测量电路及调理电路 .383.3.1交流侧电压检测电路 .383.3.2交流侧电流检测电路 .403.3.3直流侧电压检测电路 .413.3.4电网电压过零检测电路 .423.4 IGBT 主电路 .433.4
14、.1IGBT 驱动电路 .433.4.2接口电路 .454 三相并联型有源电力滤波器控制系统软件设计 .464.1 主程序模块 .474.2 中断服务子程序程序模块 .484.2.1捕获中断 .484.2.2功率驱动保护中断服务程序 .494.2.3T1 定时器中断服务程序 .505 实验系统构成与方案验证 .525.1 带有谐波的负载侧电路 .525.2 检测和调理电路模块 .535.3 控制电路模块 .555.4 主电路模块 .565.5 控制板补偿结果 .586 结论 .60参考文献 .61作者简历 .63独创性声明 .64学位论文数据集 .65北京交通大学硕士学位论文 引言11 引言1
15、.1 谐波抑制和无功补偿的意义1.1.1 谐波抑制的意义电力是现代人类社会生产与生活不可缺少的一种主要能源形式。但谐波问题对 电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在的威胁，给周围电气环境带来了极大影响。谐波被认为是电网的一大公害。对电力系统谐波问题的研究已成为电气工程领域一个重要的研究课题。感性负载的整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后是众所周知的，而实际上直流侧含滤波电容的二极管整流电路也是污染严重的谐波源，虽然其输入电流的基波分量相位与电网电压相位大体相同，位移因数接近一，但其输入电流的谐波分量却很大，因而总功率因数很低，给电网造成严重污染。逆变和斩波装置所需的直流电源来自整流电路，尤其是
16、由直流电压源供电的逆变或斩波装置，其直流电压源大多是由二极管整流再经电容滤波得到的，因此谐波和无功问题也很严重。此外，彩电和个人电脑等精密家用电器和办公设备，都内含开关电源，它们的日益普及所带来的谐波污染问题亦日益严重。另外，周波变流器和采用相控方式的交流电力调整电路都是谐波和无功问题最突出的电力电子装置。由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家用电器中的应用日益广泛，谐波所造成的危害已日益严重 1：（1）谐波使电能产生传输和利用的效率降低，使电器设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短；（2）谐波引起电力系统局部串并联谐振使谐波含量放大造成电容器等设
17、备烧毁。（3）谐波还会引起继电保护和自动装置误动作。（4）谐波使电能计量出现混乱。（5）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；导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。因此，改善电能质量，采用一定措施抑制谐波的产生或在生成谐波的负载侧进行补偿已成为目前的重要趋势。北京交通大学硕士学位论文 引言21.1.2 无功补偿的意义人们对有功功率的理解非常容易，而要深刻认识无功功率却并不是轻而易举的。在正弦电路中，无功功率的概念是清楚的，而在含有谐波时，至今尚无获得公认的无功功率定义。但是，对无功功率这一概念的重要性，对无功补偿重要性的认识，却是一致的。无功功率对供电系统和负荷的运行都是
18、十分重要的。电力系统网络元件的阻抗主要是电感性的，因此，网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然这些无功功率要由发电机提供并经过长距离传送，通常也是不可能的。合理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，即无功补偿。无功补偿的意义主要有以下几点：（1）提高供电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。（2）稳定受电端电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。（3）在三相不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相有功和无功负载。谐波抑制和无功补偿虽然是两个相对独立的问题，但两者又有非常紧密
19、地联系：首先，各类电力电子装置目前已成为供电系统中主要的谐波源，同时其功率因数也很低，消耗大量的无功功率；再者，补偿谐波的装置通常也都是补偿基波无功功率的装置，如 LC 滤波器、电力有源滤波器等。因此，这里把谐波抑制和无功补偿两个问题一起研究。1.2 谐波和无功的补偿方法解决谐波和无功污染的主要思想有两种：一是装设谐波和无功补偿装置，这对各种谐波源都是适用的；另外可以通过对电力电子装置本身进行改造，使之不产生谐波，且功率因数为一。后者的应用主要有：PWM 整流技术，多重化技术，功率因数校正技术（Power Factor Corrector-PFC），矩阵式变频器等。下面对补偿谐波和无功的电力电子装置进行简要介绍。
