有源电力滤波器在低压配电网中的应用研究_郭明明.docx

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1、 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下完成的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河南科技大学或其它教育机构的其他 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 日期: 当前，谐波对电力系统造成的污染越来越严重，已经对电力系统的安全运行 构成巨大威胁。造成这一现象的原因在于电力电子装置在各行各业中的广泛使 用。目前谐波已经严重影响到电网中用电设备的正常使用，如果不对电网中的谐 波进行治理，那么以后整个电网将有

2、趋于瘫痪的可能。 当 今谐波补偿较好的装置是有源电力滤波器，它能够很好的对不断变化的谐 波进行补偿。有源电力滤波器的工作原理大致可以描述如下：首先从含有谐波的 负载电流中把含有的谐波成分检测出来，然后控制变流器发出与谐波电流大小相 等相位相反的补偿电流，来抵消负载电流中的谐波电流。 本文以有源电力滤波器 （ APF)在低压配电网中的应用为研究对象，其中谐 波检测和补偿电流控制策略为重点研究对象。进行的研究工作有以下几方面： 首先，介绍了谐波的危害，谐波的治理措施，国内外谐波治理的研究现状及 发展趋势。 其次，有源电力滤波器的检测方法至关重要，因此必须对其检测原理以及运 用的算法做透彻的研究。本

3、文选择了当前应用最广泛的检测法。在电网电 源波形畸变的情况下，运用该方法仍能实时准确地检测出谐波电流。检测 法之所以有这种优点，是因为该方法是通过锁相环来发生正弦信号，所以它与电 网的实际电压没有直接关系。通过仿真验证了 & 检 测 法 的 正 确 性 。 再次，有源电力滤波器的控制算法也是决定系统性能的关键技术，因此必 须要对其进行深入细致的研究。当前常用的控制算法有各自的优缺点，根据我们 所要适用的场合和容量，最终选择了脉宽矢量 调制技术 （ SVPWM)。将检测环 节加以改进即増加 PI调节环节，设定合适的 PI参数就能够实现对直流侧电容电 压的稳定控制。通过仿真实验 ,可以验证本文所设

4、计的有源电力滤波器具有良好 的性能。 最后，以成功的仿真实验为基础，对有源电力滤波器的软硬件主要部分进 行设计。硬件电路分别设计了信号检测与调理电路、捕获及锁相环 （ PLL)模 块、驱动模块和变流器模块，运算控制器选用 TI公司的 TMS320F2812DSP。 软 件设计分别对系统初始化、捕获中断、 AD采样进行设计。 关 键词：有源电力滤波器 ,电压空间矢量脉宽调制技术，瞬时无功功率理 论，数字信号处理器 论文类型：研究类 选题来源：学校自选项目 ABSTRACT ABSTRACT At present, electric power system pollution of harmon

5、ic is more and more serious and it has been a enormous hazards. The reason of causing this phenomenon is that electronics equipment is widely used in all kinds of trade. Now harmonic has seriously influence the normal operation of power equipment in the power grid. If the harmonic is not eliminated,

6、 there will be a great threat on the whole power grid. Active power filter (APF) is better harmonic compensation device and can compensate mutative harmonic. The basic principle of compensation is to detect harmonic current from the compensation object and then to generate compensation current which

7、 has equal size to the harmonic current and opposite phase by the compensation device so that the harmonic current of the system is offset. The main research aim of this thesis is APF application in the low-voltage grid, harmonic detection and control methods should be carefully researched.Next, the

8、 research work has the following several aspects:. At first, this paper introduce the harm of harmonics, the measures of eliminating harmonics and the research status of eliminating harmonics and developmental tendency at home and abroad. Secondly, the harmonic detection of APF is of great concern ,

9、 so detection principle and selection algorithm should be carefully studied. This thesis selected ip iq harmonic detection which is the most widely used at present. When the waveform of the source in the grid distort, this method can still rightly reflect the harmonic component because ip iq method

10、generate sinusoidal signal through PLL that has no direct relation to actual voltage. The simulation verifies the correctness of in - in detection. Thirdly, compensating current control algorithm of APF is selected as the research object, so the research on control algorithm must be careful. The cur

11、rent frequently-used control algorithm all have each merits and drawbacks, I finally select space vector pulse width modulation based on compensatory equipment and capacity. We improving detection link through adding PI adjusting link. If the reasonable parameter of PI is set, the voltage of DC side

12、 capacity will be stable.The simulation experiment verify that APF designed by this paper has good performance. At last, I design the major component of the hardware and software of APF m ABSTRACT according to successful simulation experiment. The design of hardware are signal detection and adjustin

13、g circuit、 the module of capture and PLL the driving module and inverting module. TMS320F2812 DSP is used as the module of computing control. The design of software are system initialization capture interrupt、 AD sampling. KEY WORDS: Active power filter, Space vector pwm, The instantaneous reactive

14、power theory, Digital signal process Dissertation Type： Research Type Subject Source： Free Project In University IV 第 1章绪论 . 1 1.1 弓 . 1 1.2谐波治理的措施 . 1 1.2.1谐波的主动治理措施 . 1 1.2.2谐波的被动治理措施 . 2 1.3有源电力滤波器 . 4 1.4有源电力滤波器的研究现状及发展趋势 . 4 1.4.1有源电力滤波器的国内外研究现状 . 4 1.4.2有源电力滤波器的发展趋势 . 5 1.5本课题主要研究内容 . 5 第 2章有源

15、电力滤波器的基本原理及数学模型 . 7 2.1 弓 . 7 2.2有源电力滤波器的工作原理 . 7 2.3有源电力滤波器的分类 . 8 2.4并联型有源电力滤波器的数学模型 . 11 2.4.1采用开关函数描述的一般数学模型 . 12 2.4.2采用占空比描述的一般数学模型 . 13 2.5本章小结 . 15 第 3章有源电力滤波器的谐波检测 . 17 3.1引言 . 17 3.2常用的几种谐波检测方法 . 17 3.3瞬时无功功率理论 . 19 3.4基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法 . 21 3.4.1 p-q谐波检测方法 . 21 3.4.2 ip-iq谐波检测方法 . 23 3.4.

16、3 p-q 矛 n ip-iq 法的 t匕较 . 25 3.5仿真及结果分析 . 25 3.6本章小结 . 27 第 4章 APF补偿电流控制算法设计 . 29 4.1引言 . 29 _ _ 4.2直流侧电容电压稳定控制 . 29 4.2.1直流侧电容电压控制方法 . 29 4.2.2直流侧电容电压控制方法优化 . 31 4.3补偿电流跟踪控制方法 . 32 4.3.1三角载波控制方法 . 32 4.3.2滞环电流控制方法 . 33 4.3.3电压空间矢量脉宽调制技术 . 34 4.4基于 SVPWM技术的 APF补偿电流控制法 . 38 4.4.1判断电压参考矢量所在的扇区 . 39 4.4

17、.2计算相邻电压矢量作用时间 . 41 4.4.3计算 a、 b、 c三相相应的开关时间 . 42 4.5仿真及结果分析 . 43 4.5.1系统仿真模型的建立 . 44 4.5.2仿真波形 . 46 4.6本章小结 . 50 第 5章 APF的软硬件设计 . 51 5.1系统总体设计方案 . 51 5.2系统硬件设计 . 53 5.2.1信号检测与调理电路 . 53 5.2.2捕获及锁相环 （ PLL)模块 . 54 5.2.3运算控制模块 . 55 5.2.4驱动模块和变流器模块 . 56 5.3系统软件设计 . 58 5.3.1软件开发环境 . 58 5.3.2系统控制流程图 . 59

18、5.4实验装置参数及实验波形 . 62 5.5本章小结 . 65 第 6章总结与展望 . 66 6.1 总结 . 66 6.2展望 . 67 参考文献 . 68 BC if . 74 VI 第 1 章绪论 第 1章绪论 1.1引言 目前在工业和家庭中都使用了大量的电气设备，在这些设备中都含有电力 电子器件。它们的大量使用有利也有弊，好处在于给电能的转换提供便利，坏处 在于导致电力系统的严重污染。在电力系统中大功率电力电子器件是主要的谐波 源，它们在工作过程中要向电网注入谐波电流及无功电流，严重干扰周围的用电 设备正常工作。由于电力电子器件具有较低的功率因数，它给交流电网中带来附 加的无功功率，

19、导致供电系统效率的大大降低；所以电网环境的好坏与经济效益 和生产安全有直接关系 1。 自从二十世纪六七十年代以来，由于各种各样的非线性负载的大量使用例 如：大功率电力电子装置和家用电器，造成电网中谐波含量的大量増加 2。现在 由于我国经济的快速发展，也带动工业的迅速发展，因此对 电能需求量也在逐年 增加，同时对电能质量的要求也不断提高，但是谐波所引起的电力事故正在逐年 攀升。具统计这些年由于谐波造成的损失大大增加，所以社会各界对这一问题的 关注度越来越高，许多专家学者都在针对这一问题进行研究 3_5。谐波的危害具 体为以下几点： 1) 产生附加损耗，增加设备的温升。 2) 恶化绝缘条件，缩短设

20、备寿命。 3) 引起电机的机械振动。 4) 无功补偿电容器组会引起谐波电流的放大，甚至造成谐振。 5) 对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰造成误动作。 6) 影响测量仪器的精度，造成电能计量误差。 7) 对多数通信线路和铁道信号线路造成严重的干扰。 为了降低谐波造成的危害人们一直都在研究谐波的治理方法，谐波补偿的方 法多种多样， a前补偿效果最好，最受人们关注的方法是采用有源电力滤波器对 电网进行动态补偿。 1.2谐波治理的措施 1.2.1谐波的主动治理措施 谐波主动治理的出发点是从谐波源入手，通过对谐波源进行技术改良，来 _ 河南科技大学硕士学位论文 _ 降低其输出谐波与无功电流 6。

21、其方法有以下两种： 1、从改良电力电子器件入手以达到降低其输出谐波的目的，其主要途径 有： (1) 采用多脉冲整流技术和准多脉冲整流技术 现有的谐波治理方法种类很多，其中增加变流装置的脉冲数是最基本的谐波 治理方法 7。从依据理论来看，该方法的谐波治理效果与脉冲数成正比，但是在 一味增加脉冲数的同时也要控制变压器的体积不能过大，即使连线也较为困难， 同时使成本加大，所以采用多脉冲整流技术，必须也要兼顾性能和价格的关系 8 O (2) 采用多电平变流技术 在对大功率电力传输过程中，人们倾向于采用多电平技术。由于变流器直流 侧电压值的増大，单个功率器件如开关管无法承受比较高的电压，那么就有多组 开

22、关器件串联或并联来共同承担较大的电压或电流。变流器直流侧连接电感即为 电流型变流器，若连接电压即为电压型变流器 9_1(3。 (3) 采用脉宽调制 （ PWM)技术 如果才采用 PWM整流或 SVPWM整流技术，变流器仅能产生幅值较小的 高频率谐波，致使电流畸变较小，其波形更接近于正弦波。这种方法目前多数运 用于由自关断器件组成的小功率电力电子装置 11。 (4) 使用高功率因数变流器 由于普通的变流器向电网中注入的谐波电流不容易被消除，所以对变流器的 构造进行改良，从而来实现较高的功率因数 12。例如矩阵式变流器、四象限变 流器等，通过使用这些新型的电子器件所产生的谐波更容易治理，经过消除谐

23、波 和无功损耗之后，电力系统中的功率因数就近似为一。 2、减少发电机所产生的谐波 发电机产生的谐波是电网中谐波的直接来源，此谐波主要是指发电机电势中 含有的谐波总量，关于这种谐波的治理办有下面几种 13: 改变凸极发电机磁极头外形或者隐极发电机的励磁绕组分布范围，改善电机 磁极的磁场波形；发电机采用 Y型接法，以此消除 3倍次谐波；采用短距分布 绕组，以减小高次谐波的 电势 14。 1.2.2谐波的被动治理措施 被动治理措施是在电能使用侧对谐波加以控制，常用的方法就是安装各种 2 第 1 章绪论 有源无源元件和混合型滤波装置来消除或阻碍要注入电网中的谐波，通过这些方 法来消除电网中含有的谐波成

24、分 15。 常用的被动治理方法有下面几种： 1、无源电力滤波器 （ Passive Power Filter) 无源电力滤波器简称 PPF， 是经多个 LC单个滤波器通过一定方法连接而成 的，它能补偿许多特定频率的谐波和无功电流 16。 目前 PPF已经被运用在各种场合，其技术也早已成熟。无源电力滤波器是 采用电容将电网中的无功功率补偿掉，由电容和电感构成的陷波器来吸收谐波。 当前尽管无源滤波技术已经成熟并且有结构简单和低成本的优点，但是他们还是 具有自身的一些不足之处 17 18: (1) 无源滤波器的使用范围通常具有很大的局限性，一般情况下它都是针 对特定次的谐波设计的，所以它只能对特定次

25、的谐波进行补偿。 (2) 无源电力滤波器滤波效果的好坏主要取决于电网参数的变化，如果电 网的阻抗和谐波频率随着电力系统工作的情况发生改变，其滤波器的效果就会大 大改变。 (3) 随着谐波频率的变化，电网阻抗和 LC回路有可能发生谐振，使特定 谐波分量变大，不仅不能实现谐波补偿的作用，反而会对电力系统造成破坏。 (4) 无源滤波器的补偿范围较小，但是其体积较大损耗也较大。 2、有源电力滤波器 （ Active Power Filter) 经上述已知无源电力滤波器本身具有许多缺陷，因此专家学者开始研究一种 新型的滤波装置来达到更好的补偿效果，这种装置被称为有源电力滤波器 (APF) 19 2 。有

26、源电力滤波器的各方面性能均优于无源电力滤波器，其优点具 体如下： (1) 只要控制信号的频率不高于开关器件的最高频率，有源滤波器对检测出 的所有谐波都能进行很好的补偿，电网阻抗和频率的变化与它的滤波性能无关。 (2) 不存在与电网发生谐振的可能，还能有效的抑制无源电力滤波器和电网 产生谐振。 (3) 不存在过载的可能，即使承受的谐波电流较大，也能连续灵活的对谐波 和无功进行补偿。 有源电力滤波器补偿谐波的性能明显优于无源电力滤波器，有源电力滤波器 具有较好的发展前景 21。但是由于 APF的控制系统复杂，技术尚未成熟，其成 本较高，对单台大容量、大功率补偿装置的设计难度较大，所以 APF的发展

27、也 3 河南科技大学硕士学位论文 受到一些限制。这些问题目前各国的专家学者都在积极的研究解决 22。 3、混合滤波方案 由于考虑到 PPF和 APF均具有各自的优缺点，所以可以将二者同时使用， 来弥补彼此的不足。其中，PPF的补偿对象以含量大低次谐波和无功为主 ； APF 由于具有动态补偿性能，所以重点补偿高次谐波 23。 1.3有源电力滤波器 有源电力滤波器 （ APF: Active power filter)是一种用于动态抑制谐波、补 偿无功的新型电力电子装置，它能够对幅值和频率改变的的谐波进行快速跟踪补 偿 24。 从谐波治理的效果来看有源滤波器的性能明显优于无源滤波器，不管是高次 谐

28、波还是低次谐波有源电力滤波器都能对其在不发生谐振的情况下进行消除，但 是它也有其自身的缺陷，即结构复杂和成本高 25。在实际应用中存在许多安全 隐患，目前国际上通用的做法是首先由变压器升压，确保其可靠性，我国的有关 部门也要求有源电力滤波器与变压器升压相结合的方法对谐波进行治理。 1.4有源电力滤波器的研究现状及发展趋势 1.4.1有源电力滤波器的国内 外研究现状 口本在二十世纪八十年代首次将世界上第一台 APF投入实际运行并取得成 功。口本电气学会对 APF在口本应用做了统计，在工业中用来补偿谐波的 APF 所占的比例为 71.7%。目前口本的东芝公司、美国的西屋电气公司、瑞士 ABB 公司

29、等在国际上处于领先地位。这些公司已经从各个方面对 APF进行研究，如 今不管是对 APF的使用场合、容量等方面都有所突破。 APF越来越受到人们的 重视，国际上许多知名高校及权威学术机构都在对有源电力滤波器进行高水平的 研究 26。 在改革开放之前与发达国家相比我国工业发展相对落后，电能方面出现的 问题也较少，但随着我经济的快速发展，电力设备使用量的陡增，谐波问题已经 越来越严重。我国在 80年代才开始对谐波问题进行研究， 1988年吴竟昌出版了 电力系统谐波一书，这本著作对于谐波问题的研究非常透彻；此外国内许多 著名高校也对有源电力滤波器开展比较详细的研究，并研制了各种各样的实验样 机；在国

30、内不管是高校还是大型企业都在研究 APF,目前市场上逐渐出现了我国 自主研发的 APF产品 27。 4 第 1 章绪论 1.4.2有源电力滤波器的发展趋势 近几十年我国科技发展迅速，高端精密的电气设备也越来越多的得到使 用，这些设备对电能的质量有较高的要求，因此对电力环境的治理也更加重要， APF以其良好的谐波补偿性能也得到日益广泛的应用。构成 APF的主要功能模 块为谐波电流检测模块、控制模块、主电路模块等，这些模块也正是国内外研究 的重点。当前研制出的样机虽然能够对谐波进行补偿，但是对电网电能质量进行 补偿的效果还存在许多不足之处， APF的总体发展趋势体现在以下几个方面 P8_ 1、 对

31、有源电力滤波器的谐波检测方法和补偿控制策略需要进一步改进，同 时也需要对算法的实时性和间接性需要进一步完善。 2、 在降低成本的同时还要提高效率，专家学者通过研究采用混合型 APF 系统成功的降低了装置容量 29。例如在对大功率的设备进行谐波补偿时，为了 降低系统容量我们可以采用将 APF与 LC滤波器并联的方法；除此之外，还可 以在供电系统的供电侧安装成为 “ 统一电能质量调节器 ” ，其功能比较强大、性 价比也较高，是 APF的发展新趋势之一； 3、 研究新型的 APF拓扑结构，使用新型结构来提高系统补偿性能，简化 控制系统的结构； 4、 将 PWM调制技术和多重化技术应用于 APF的谐波

32、补偿中，如果容量 小于 2MVA的APF， 一般使用 IGBT及 PWM技术进行谐波补偿；如果容量大于 5MVA的 APF， 一般使用 GTO及多重化技术进行谐波补偿 3 。 5、 APF在对电网中谐波进行治理的同时，也能对无功功率经行补偿。 6、 补偿装置的控制系统多采用数字化。将高速数字信号处理器 （ DSP)运 用于 APF的控制系统，大大提高了运算速度，使 APF对谐波的补偿更准确，实 时性更高 31。 1.5本课题主要研究内容 论文的主要工作有以下几方面： (1) 首先对 a前电网中存在的谐波污染现象进行了介绍，其次详细介绍了 a前常用的几种谐波检测方法。大量杳阅国内和国外的资料了解

33、了 a前有源电力 滤波器在国际上的研究现状和发展趋势。 (2) 对目前使用最成功的瞬时无功功率理论进行了详细的讲解。在瞬时无 功功率理论的原理和特点基础之上，通过 P_q发与 /丨 -/法的比较之后，最终选 5 河南科技大学硕士学位论文 择了基于瞬时无功功率的电流检测法。 (3) 对直流侧电容电压控制方法做了认真研究，并对其控制方法进行优 化。通过对比当前常用的几种补偿电流控制方法，选择了具有谐波小、电压利用 率高等优点的电压空间矢量脉宽调制技术。 (4) 利用仿真软件 IWatlab/Simulink搭建各个模块的仿真模型，仿真实验 获得成功。我选取 TI公司的 TMS320F2812 DS

34、P这款高性能的芯片作为 APF的控 制系统的核心，随后分别设计了软件和硬件。 6 第 2章有源电力滤波器的基本原理及数学模型 第 2章有源电力滤波器的基本原理及数学模型 2.1引言 有源电力滤波器的关键技术主要有两大部分，即电流检测环节和补偿电流 发生环节。检测电路的作用是从负载电流中分离出谐波电流，如果需要对无功功 率进行补偿还需要分离出无功电流。补偿电流发生环节的主要作用是根据检测出 的谐波电流或无功电流发出驱动变电流器的控制信号。要改进有源电力滤波器的 性能，其核心也就是对这两部分进行改进。对有源滤波器进行建模，建立起数学 模型之后，对分析和设计有源电力滤波器就有了直接的参考依据，可以据

35、此来设 计有源电力滤波器的主要参数，如直流侧电容大小和滤波器电感等。 2.2有源电力滤波器的工 作原理 下面给出有源电力滤波器的结构原理图如图 2-1所示。 u, h 图 2-1并联型 APF的结构原理图 Fig.2-1 structural schematic of shunt-type active power filter APF的主要工作环节有以下几个部分：首先是检测环节，即从负载电流中 准确实时地检测出谐波成分 M，其次就是得出补偿电流的控制信号，控制信号是 将谐波信号输入控制器经过一定的算法得出补偿电流的补偿信号，得到补偿电流 的指令信号之后将其送入变流器的驱动电路，再由驱动电路将

36、控制信号放大，最 7 _ 河南科技大学硕士学位论文 _ 终控制变流器的开关动作 33。变流器发出补偿电流来补偿负载中的谐波电流。 图中 4为含有谐波的负载电流， 为变流器发出的与谐波电流大小相等相位相反 的补偿电流。纟-(为系统电流的基波正弦量，经过这个过程最终实现了谐波 抑制。 2.3有源电力滤波器的分类 有源电力滤波器的种类多种多样，其分类方法有不同的依据。根据有源电 力滤波器在电网中的连接方式的不同可以划分为：串联型、并联型和混合型。这 几种 APF均有各自的特点，它们依据自己的特点分别使用于不同的谐波源。其中 每一大类具体的分类方法又有多种，具体如下图 2-2所示。 图 2-2有源电力

37、滤波器的系统结构分类 Fig.2-2 Classification of Active Power Filter 从并联型有源电力滤波器与电网的连接原理来看，可以把并联型有源电力滤 波器看做是一 个受控电流源，它向电网中注入与谐波电流大小相等而相位相反的 谐波电流，来抵消谐波电流，这样就达到了谐波补偿的目的，图 2-3 U)是单 8 _ 第 2章有源电力滤波器的基本原理及数学模型 _ 独使用的并联型 APF33。在电网中单独使用 APF， 它具有投切方便、保护简单、 易于多重化等优点。从并联型 APF在电网中的连接方法可以看出，变流器的交流 AC AC (a)单独使用的并联型 APF (b)与

38、 LC滤波器混合使用的并联型 APF 图 2-3并联型有源滤波器 Fig. 2-3 Shunt-type active power filter AC 谐波源 (b)与 LC滤波器混合使用的串联型 APF 图 2-4串联型有源电力滤波器 Fig.2-4 Series-type active power filter 侧与电源直接相连，因此对变流器的高频开关管的耐压值也有很高要求；在对大 功率的电气设备进行补偿时，并联型有源电力滤波器的容量要求也很大，因此制 作它的成本也非常高。现在许多专家学者研制出了混合并联型有源电力滤波器， 它是将并联型 APF与LC滤波器并联之后再与系统并联如图 2-3b所示。 9 河南科技大学