（电机与电器专业论文）apf谐波检测中的低通滤波器设计.pdf

d e s i g no ft h el o w - p a s s f i l t e rf o rh a r m o n i cd e t e c t i n g i n a c t i v ep o w e rf i l t e r a b s t r a c t w i t ht h ew i d e l ya p p l i c a t i o no fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g i e s ，n o w a d a y st h e e l e c t r i c a lh a r m o n i cp o l l u t i o nb e c o m e sas e r i o u sp r o b l e m i td e c r e a s e st h eq u a l i t yo f e l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，w h i c hb e c o m e sad i f f i c u l t yp r o b l e mt ob er e s o l v e d w h e r e a s ； a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) i sa na d v a n c e dp o w e re l e c t r o n i cd e v i c ew h i c hc a nb e c o m p e n s a t e t h eh a r m o n i c p o l l u t i o n c o m p a r e d w i t hs e v e r a lt r a d i t i o n a l c o m p e n s a t i n gm e a s u r e s ，a p fh a sm a n ya d v a n t a g e sa n df a v o r a b l ea s p e c t s h a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nt e c h n o l o g yi so n eo ft h em o s tc r i t i c a lt e c h n o l o g i e s o fa p f t h ed e v e l o p m e n to fh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nt e c h n o l o g yd i r e c t l ye f f e c t s t h ed e v e l o p m e n to fa p ft e c h n o l o g yd i r e c t l y i ti sv e r ys i g n i f i c a n tt oi m p r o v et h e p r o p e r t yo fa p f w i t ht h eh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nt e c h n o l o g y t h et e c h n o l o g yo f h a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i n gh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nr e a l - t i m ed e t e c t i o no f h a r m o n i cc u r r e n ti na p fs i n c ei tw a sp r o p o s e di n19 8 0 s t h i sp a p e rr e s e a r c h e so nt h eh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do n t h et h e o r yo fi n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r t h ee m p h a s i si st h ei n f l u e n c e o n h a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nb yd i f f e r e n tt y p e so fl o w - p a s sd i g i t a lf i l t e r s b a s e do n t h eb a n d e d g e s e l e c t i v i t y ，a no p t i m i z e dd e s i g no fl o w - p a s sd e t e c t i n gf i l t e r i s p r o p o s e d t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tp r o v et h a tt h ed e s i g ni sc o r r e c t a n de f f e c t i v e k e yw o r d s ：a p f ，h a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o n ；i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r ； l p f ；b a n d - - e d g e - s e l e c t i v i t y 图片清单 图1 1 有源电力滤波器的系统构成3 图2 1 三相两相坐标变换的原理图5 图2 2a p 坐标系中的电压电流矢量图5 图2 3p q 算法有源滤波器检测部分的原理图7 图2 41 ，叫。算法有源滤波器谐波检测原理图8 图3 1 巴特沃兹滤波器阶数1 l 图3 2 切比雪夫滤波器阶数1 2 图3 3 椭圆滤波器阶数1 3 图3 4 切比雪夫多项式1 4 图4 1 边带选择性b e s 1 6 图4 2b e s 与关系图l7 图4 3 ”与s p ，么s 关系18 图4 4 万坐标投影图1 8 图4 5 椭圆滤波器的转移函数2 0 图4 6 k2 o 5 的转移函数一2 0 图4 7 滤波器的幅频响应2 2 图4 8 滤波器的通带特性2 2 图4 9 量化后的通带特性2 3 图4 1 0 三相谐波源波形一2 4 图4 1 1 谐波源波形的f f t 结果一2 5 图4 1 2 采用本文设计的滤波器的基波波形2 5 图4 1 3 采用本文设计的滤波器的基波波形f f t 结果2 5 图4 1 4 采用传统二阶巴特沃兹滤波器的基波波形一2 6 图4 1 5 采用传统二阶巴特沃兹滤波器的基波波形f f t 2 6 图5 1a p f 中谐波检测实验装置2 7 图5 2 有源滤波器流程图2 8 图 图 图 图 3 软件编写的流程图一2 9 4 三相谐波源波形3 4 5 采用传统二阶巴特沃兹滤波器的基波检测结果3 5 6 采用本文设计的滤波器的基波检测结果3 5 表格清单 表4 1 量化后的滤波器系数一2 2 独创性声明 本人声明所早交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金罡：! ：些厶堂 或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同i ：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谢意。 学位论文作者签名： 磷兰， 签字日期：2 0 1 0 年j 生月三王- 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥旦墨王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权金月巴：! ：些厶堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 密星 导师签名： 签字日期：2 0 1 0 年! 二月二望日 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： j i ：作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师王群京教授悉心指导下完成的。论文从查阅资料、选题、 理论研究、仿真证明、实验样机研制到最后的论文撰写无不体现着王老师的对 我的帮助。王老师在理论和实际的结合方面给予我以细致的指导和莫大的帮助； 王老师严谨的治学态度和精益求精的务实学风使我终身受益。在此对导师表示 我深深的敬意! 本论文的实验样机是在安徽大学郑常宝教授下的指导下完成的，在样机研 制的过程中，郑老师渊博的学识和踏实的态度给我留下了深刻的印象。每天无 论清晨还是夜晚，总能看到郑常宝老师勤勉工作的身影，每当我有疑问时，郑 老师总是不厌其烦的给我讲解，郑老师对于工作的负责，对于学术的热爱，一 直感染着我。能够得到郑老师的教导让我心存深深的感激，在此也对郑常宝老 师表达我的敬意! 在求学的过程中，不能够忘记感谢实验室的王安邦博士对我的指导和帮助。 无论什么问题，王安邦师兄总是能细心的给我讲解，并为我的工作提出指导和 建议。同时，王安邦师兄那踏实的态度同样也激励着我的前进，每当忙碌了一 天，夜深人静，同学们或休息或娱乐的时候，却总是仍能看到王安邦师兄继续 工作的身影。王安邦师兄一直是我们实验室的榜样 同时，真诚地感谢李国丽教授和胡存刚老师对本课题提出的指导和帮助。 也感谢同课题组的张擎，程中杰同学以及实验室的王超，闫冰，盛大宁同学， 在两年半的研究生生涯中，同样少不了他们给我的帮助。 最后，感谢我的家人和朋友，在我求学期间一直给予的鼓励和支持，使我 顺利完成学业! 作者：漆星 2 0 10 年3 月 1 1 电力系统的谐波问题 第一章绪论 随着电力电子装置的广泛应用，电能得到了充分的运用。但电力电子设备 具有非线性，会对电网的电能质量造成危害，这已经引起越来越多的关注。在 我国，近年来由于电气化铁道的迅速发展以及化工、冶金、钢铁、有色金属、 煤炭和交通等工业部门电力电子装置的大量应用，电力系统中谐波问题已经日 趋严重，对电力系统和用电设备产生了严重危害和影响，因此需要认真加以研 究和采取相应的限制措施来抑制这一危害。 1 1 1 谐波的产生及其危害 电网谐波来源于三个方面：其一是电源质量不高从而产生谐波；其二是输 电网会产生谐波；其三是用电设备会产生谐波。其中以用电设备产生的谐波为 最多。 高次谐波对电网和其它系统的危害主要有以下6 个方面： 1 在电网中的谐波电流会在线路上产生有功功率损耗，它是电网线路 损耗的一部分。 2 对于采用电缆的输电系统，谐波除了产生附加损耗外，还可能使电压波 形出现尖峰，从而加速电缆绝缘的老化，同时也会使介质损耗增加及温升增高， 这缩短了电缆的使用寿命。 3 就系统中运行的电机而言，谐波除了引起附加损耗和过热外，还会产生 机械振动、噪声及过电压。当谐波电流流入变压器时，其主要影响是增加了铜 损耗和铁损耗。随着谐振频率的增高，还会使变压器的噪声增大。 4 谐波会引起电力电网系统局部发生串联谐振和并联谐振，从而使谐波电 流和谐波电压得以放大，这更加大了上述情形l 、3 的危害，甚至会引起严重事 故。 5 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不 准确。 6 谐波还会对周围的通信系统产生干扰，引起通信系统的噪声，降低通信 的清晰度。 1 1 2 谐波污染治理方法 目前消除谐波主要有主动式和被动式两种途径9 1 。主动式指对电力电子装 置的本身进行改进，使其不会发出谐波；被动式途径则是指装设补偿设备，以 补偿产生的谐波，比如在电网加装l c 无源滤波器，或在电源侧加上有源滤波 的设备等。被动型谐波抑制技术主要分为使用无源、有源及混合滤波器。 无源滤波器投资少、结构简单、运行可靠、维护方便，因此一直作为抑制 谐波以及无功补偿的主要手段。但由于无源滤波器是通过在系统中为谐波提供 了一个并联低阻通路，从而起到滤波作用，其滤波特性是由系统和滤波器的阻 抗比决定的，因此存在以下的缺点【lo j ： 1 谐波特性受系统参数的影响比较大。 2 只能消除特定次数的谐波，但是却会对某些次谐波会反而会放大。 3 滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以相互协调。 4 谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，有可能造成滤波器过负荷。 5 电容器参数随介质老化容易发生变化，因此出现失谐现象。 6 有效材料消耗多，体积变大。 混合滤波器将无源与有源滤波器综合在一起，各取所长，将会得到广泛应 用，但其技术尚未成熟，其性能主要受有源滤波器部分的影响。 因此，为解决上述问题，学术界普遍将研究的方向转移到有源电力滤波器 ( a p f ) 上来，它是一种能动态抑制谐波和补偿无功功率的新型电力电子装置， 能对频率和大小变化的谐波和无功功率进行补偿，可弥补无源滤波器的不足， 获得比无源滤波器更好补偿特性，是一种比较理想的补偿谐波装置，也是目前 电力电子技术领域研究的热点课题之一。 1 2 有源电力滤波技术 1 2 1 有源滤波器 为了解决电网谐波污染中的无源滤波器的局限性，人们做了许多研究与探 索，其中最具有代表意义的便是有源电力滤波器技术的提出。1 9 6 9 年b i r d 和 m a r s h 等人提出通过向电力系统中注入三次谐波电流用来减少电流中的谐波成 分，从而改善电流波形的思想【l 。19 7 1 年s a s a k i 和m a c h i d a 提出有源电力滤 波器的技术，比较完整地描述了有源电力滤波器的基本原理【1 2 】：通过产生与负 载谐波和无功电流大小相等方向相反的补偿电流，来抵消负载谐波和无功电流， 达到净化电网的目的。但是由于当时采用的是线性放大器产生补偿电流，损耗 大、成本高，因此未获实际应用。1 9 7 6 年l g y u g y i 等人提出用大功率晶体管 的p w m 逆变器构成a p f 来抑制谐波【l3 ，引起了人们的普遍关注，从而确立了 a p f 的主电路结构和控制策略。经过几十多年的发展，a p f 的相关技术目前已 取得了很大的进步，现在的有源电力滤波器基本上可以弥补无源滤波器不足， 并且获得比无源滤波器更好的补偿特性 i22 有源电力滤波器的系统构成 有源电力滤波器【9 1 主要由谐波检测、控制器、功率电路和耦舍变压器四个 部分构成。它的工作过程为：电网谐波经过谐波检测环节检测出电网中的谐波， 并且计算出需要补偿谐波的参考值，然后通过控制器产生相反的脉冲，主电路 根据送入脉冲进行动作将相反的谐波分量经过耦合变压器送入电网，从而达到 补偿效果，其系统图如图卜1 所示。 图i - 】有源电力滤波器的系统构成 1 3 谐波电流检测技术及其发展 如图1 - l 所示，有源电力滤波器主要包含三大关键技术：谐波检测环节、 控制器和主电路系统。本论文将重点研究a p f 关键部分之谐波电流检测 环节。 用于a p f 谐波电流检测环节中的检测方法主要有【l8 - 3 0 l ： 目前出现过的谐波检测算法有( 1 ) 陷波器检测法( 2 ) 基于f f t 的检 测算法( 3 ) 基于预测理论的检测算法( 4 ) 基于瞬时无功功率的检测算法。 或者是这四种方法中的若干组合。但是各种方法优劣性各不相同，需对几 种检测算法进行分析。 1 、陷波器检测法。优点：算法简单，运算时问短。缺点( 1 ) 陷波器 检测法所需的滤波器要求太严格，无法应用于实际工程。( 2 ) 信号需经过 滤波器，存在相移。因此，谐波检测中应避免陷波器的出现。 2 、基于f f t 的检测算法：优点：精确性高，可以具体到各次谐波。 由于信号没有经过其他系统，没有附加相移。缺点：运算复杂，所需运算 时间长，并且需要一个周期的延时，实时性不高。不过实时性的问题可以 通过高性能的数字信号处理器( d s p ) 缓解，因此，在实际工程中偶见应 用。 3 、基于预测理论的检测算法：常见的预测算法有自适应预测和人工神 经网络理论，基于预测理论的算法仍不够成熟，只能在仿真中实现而无法 应用于实际工程。 4 、基于瞬时无功功率理论的检测算法：特点( 1 ) 虽然经过滤波器， 但是通过3 2 变换和2 3 反变换，使得5 0 h z 之内的信号无附加相移，满足 了基波无相移的要求。( 2 ) 只需通过矩阵变换和低通滤波器，算法简单， 运算时间少( 3 ) 通过对低通滤波器的优化设计，可以提高检测的精度，无 需其他改进方法便可实现高精度的需求。因此，是目前最成熟，最完善的 a p f 谐波检测算法。 因此，本论文将采用基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法进行谐波检测。 1 4 论文的内容及研究意义 本文主要对有源电力滤波器的谐波检测算法进行研究：在对传统的瞬时无 功功率检测方法进行分析的基础上，提出一些改进的新思路，特别是对谐波检 测算法中的检测滤波器进行优化设计。 论文的研究得到安徽省电力科学研究院的研究项目：“安徽省电网谐波评估 与有源滤波器的设计与应用的支持。 论文的内容安排如下： 第一章讨论了谐波的产生、危害，比较了有源滤波技术与无源滤波技术 的优劣，及其在a p f 的谐波电流检测中的应用前景。 第二章分析了应用于a p f 中的各个谐波电流检测方法的优劣性。重点分 析了在。，叫q 算法中影响谐波检测效果好坏的因素。 第三章分析了几种经典滤波器对谐波检测效果的影响，给出了低通检测 滤波器的设计原则。 第四章讨论了利用边带选择性进行低通检测滤波器优化设计的方法，并 且进行了仿真，仿真结果证明了此方法的有效性。 第五章针对上述设计方法设计了样机，并且进行了实验验证。 第六章对全文进行了总结和展望。 本章小结 本章对电网谐波和有源电力滤波器做了简要介绍，着重介绍了常见的几种 谐波检测方法。并对论文内容进行了简要概括。 第二章基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法 2 1 基于瞬时无功功率理论的p q 谐波检测方法 三相电网中的电压和电流相位互差1 2 0 0 ，其和为零，根据电机中的磁势等 效原理，三相与两相电流之间可以相互变换如图2 1 所示，a 一卢坐标系中的电 压、电流矢量关系如图2 2 所示【1 1 。 图2 1 三相两相坐标变换的原理图 、 - 么一， 笈一 一一“ 图2 2a 一卢坐标系中的电压电流矢量图 在三相电路中，各相电压电流的瞬时值分别为乞，巳和乇，匕，进行变换 得到口一卢平面上的p2 乞+ 鳓和江a + 炜。 讣讣信 ( 2 1 ) 一2万一2房t 式中 厅 c 3 z2 詈 乏 = c 弛 差 = 信 三 由两相坐标变换到三相坐标， | ； = 吨 茎=c：，乏=c7=乏=信兰】妻 2 p ，分别为f 在p 和p 垂直方向上的投影如下式： 乏 = e 加_ 1 ； = 三： 郎化 一e a jl g j ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 瞬时有功功率p 和瞬时无功功率g 在经过截止频率为5 0 h z 或者低于5 0 h z 的低通滤波器滤波后，只有直流分量存在，通过式( 2 - 6 ) 和( 2 - 7 ) ，可得t i 负 载电流的基波分量，如下式： iia，fi = ( 五：r ( 了腭一1 雾 = 古( 五：r ：m p e 卢a 一1 i q p ： l 巧。j ( 2 8 ) 检测出负载端电流的基波分量后，用负载端的谐波电流减掉负载端基波电 。一2压一2 。一2万一2 1 0 - - 0b0 liiiii且一262一：房t o 鱼务t，一2 一2 一 一 _。l 巨3：，v 为 l i 换 叫刈 变 一r 逆 记 毙 钉 k _ o 鱼务t k冶 。l1j 吃 2 p 小， k 冶 ：广l 为 ，丹 哟 率、卜_1功臣 功 邓 形札rp咿匕 要 瞬 z n h = 雨 ， 率功 始 功 有 刮 时瞬 印 ，。l = 氰中换式变 刚北 9 ， 图2 - 3p q 算法有源滤波器检测部分的原理图 p g 算法具有如下优点：算法简单，实时性高，当在电网电压无畸变时， 可以精确的检测出基波有功电流、基波无功电流和电网的谐波电流。 缺点：当电网电压发生畸变时，p g 算法并不能准确检测出电网电流的基 波分量。因为p ，q 经低通检测滤波器后的直流分量不仅包含基波有功电流和基 波无功电流，也会包含由于电网电压的畸变而产生的谐波分量。因此，这种方 法并不太理想。 2 2 基于瞬时无功功率理论的0 叫- 谐波检测方法 同样的，基于瞬时无功功率理论，如果能获得电网的电压频率，并用用正 余弦表表示电网电压的信号，组成c 矩阵参与运算。同样可以取得检测基波的 效果。只不过，在中间发挥作用的不再是瞬时有功功率p 和瞬时无功功率g ， 而是瞬时有功电流p 和瞬时无功电流q ，如下式所示： 阱c 锄o s 耐c o t 之地 其逆变换为： 乏 = c 。1 z = c 乏 = l c s 。o n s 耐o ) t s c i n 。s c o 耐t 业l l i 。p 。2 。，) 瞬时有功电流和瞬时无功电流可分解为直流分量和交流分量，如下式： z = z ：考 = 乞 + 乏 + + 罢 。2 ，2 ， 瞬时有功电流和瞬时无功电流经过截止频率在5 0 h z 或以下的低通滤波器 滤波后，便可以得到负载电流的直流分量，通过式( 2 4 ) 以及( 2 1 1 ) ，可得 到负载电流的基波电流，如下式所示： 引= c 2 3 c | = - 叫纠 l 矿j ( 2 1 3 ) 检测出负载基波电流后，再用负载总电流减去基波电流，便可以得到谐波 电流，其值可以作为有源电力滤波器控制器的指令电流，主电路根据指令电流 得出补偿电流，这个补偿电流便可以补偿电网电流中的谐波。 根据4 ，叫- 算法的谐波检测方法，其原理图如图2 4 所示。 图2 47 ，一7 9 算法有源滤波器谐波检测原理图 基于瞬时无功功率理论的0 0 算法不仅在电网电压无畸变时可以适用，其 在电网电压出现畸变时也适用。其原因时：此算法参与运算的并非三相电网电 压本身，而是基于电网电压，与其相位同步的正弦信号和余弦信号，并不出现 电网电压信号。因而即使电网电压波形有畸变，其检测的电流基波信号仍是准 确的。 本章小结 本章介绍基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法，重点阐述了0 0 检测方 法的基本原理。 在基于瞬时无功功率理论的谐波检测算法中，产生直流分量的低通检测滤 波器指标分析及其设计是至关重要的部分，低通检测滤波器的性能的好坏直接 影响到谐波检测的精度和实时性。其设计指标和方法将在第三章进行介绍。 第三章低通滤波器对谐波检测的影响 3 1 低通滤波器的参数分析 根据第二章理论推导可知，能否精确的检测出经过低通滤波器的直流分量 。p ，7 - ，是影响，叫a 算法检测精度的关键。因此，低通滤波器的设计在谐波检测 算法中至关重要。 由于2 2 节分析，可得。，叫喵基不存在附加相移，因此只需要考虑运算时间 和精确性。 ( 1 ) 运算时间 由于3 2 变换和2 3 反变换已经固定，运算时间只和低通滤波器的阶数有关， 为了减少运算时间，要求滤波器的阶数尽可能少，这样就排除了使用f i r 滤波 器的可能性，只能使用i i r 滤波器，并且要求i i r 滤波器为最小阶数滤波器。 ( 2 ) 精确性 谐波检测的精确性由滤波器的特性有关，根据经典信号理论，滤波器的性 能由通带衰减，阻带衰减，通带截止频率和阻带截止频率四个参数表示，下面 分别对影响谐波检测精度的滤波器特性进行参数分析： a 通带衰减：若要精确的检测出正序基波分量，即需检测出p i g 中的直流 分量，则要求低通滤波器在国= 0 时的日( ) 1 w ：0 21 ，若不为1 ，第一会使得检 测结果不精确，第二会使得有源滤波器流入有功分量而使得直流侧电压难以控 制；但是对于通带的其他频率，无基波分量流过。因此，通带衰减不影响谐波 检测的精度。 b 阻带衰减：考虑到电网中的低次谐波含量很大，要求阻带衰减尽可能 大。 c 通带截止频率和阻带截止频率： 阻带截止频率s 必须小于o ) ( n m m 一1 ) ( 珂曲表示最小次谐波的次数) ，否则检 测结果中含有”曲次谐波。 若要检测到刀次谐波，则根据香农采样定理【3 1 3 4 】，低通滤波器的采样频率 最小值为：，s 曲2 2 n w h z ，假设要求检测到2 5 次谐波，则 b 岫2 2 牛2 5 幸5 0 = 2 5 0 0 h z ( 3 1 ) 一般取 c = 4 n 7 c o = 5 0 0 0 h z ( 3 2 ) 则归一化的阻带截止频率 ：五：石o ( n , m - 1 ) ：塾二1 3 c 4 砌4 n ( 3 3 ) 一般而言刀 以曲，则c o s 很小。显然通带截止频率0 这段程序完成了图5 3 所示的c 变换和3 2 变换，使用的是t i 公司针对 c 2 8 系列提供的i q m a t h 库。 ( 2 ) s u m _ p = _ i q l5 m p y ( ( b p 0 】) ，( i p _ i 【0 】) ) ； s u m q = _ i q15 m p y ( ( b _ p o ) ，( i q - i o 】) ) ； 这段程序完成了滤波器求和累加器的初始清零工作。 ( 3 ) f o r ( c n t = 1 ；c n t = l ；c n t ) i p i c n t = ( i p i c n t - 1 】) ； i p o c