有源电力滤波器设计与MATLAB仿真-开题报告

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名 ：学 号：学 院、系： 信息与通信工程学院、电气工程系专 业 ： 电气工程及其自动化设 计 题 目 ： 有源电力滤波器设计与 MATLAB 仿真指 导 教 师 :2013 年 3 月 15 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文 献 综 述1 研究的意义与背景近年来，变速传动在工业界的广泛应用以及大容量电力电子装置在电力系统中的大量使用，使得电能质量问题备受业内人士的关注，人们必须严肃对待电流和电压的畸变问题，而电流和电压畸变的主要形式就是谐波畸变，谐波和无功等问题严重地威胁着系统自身的安全稳定运。传统的LC滤波器等有谐波抑制和无功补偿的诸多缺陷，并且随着全控型功率器件技术的进步及越来越多敏感负荷对滤波效果要求的提高，有源电力滤波器开始受到人们的重视。有源电力滤波器采用与交流滤波器完全不同的原理，通过产生与负荷电流中谐波分量大小相等、相位相反的电流，来抵消非线性负载产生的谐波电流.以使谐波不会流入公共供电回路。有源电力滤波器既实现了动态跟踪补偿，又可以同时对无功进行补。随着国民经济的发展和工业生产的进步，用户对电能质量的要求也越来越高，尤其是电压质量和谐波的问题。由于电力电子装置通常为非线性负荷，随着电力电子装置的大量应用，电网中的谐波含量也不断上升，谐波污染对电力系统安全、稳定，经济运行构成潜在的威胁，给周围电气环境带来极大影响，被公认为是电网的一大公害，谐波的污染与危害主要表现在对电力与信号的干扰和影响上，可概括为:在电力危害方面。消耗电力系统的无功储备，增加输电线损耗，增加了旋转电机等的附加谐波损耗，使其发热，缩短使旧寿命；产生谐波谐振过电压。造成电气元件及设备的故障与损坏。运行安全性下降；电能测量产生较大误差。在信号干扰方面。对通信系统产生电磁干扰，使电话和网络通信质下降。造成重要的和敏感的自动控制和保护装置工作紊乱，误动和拒动的现象增加，导致可靠性下降；影响数字控制器的正常运。2 有源电力滤波器的发展历史滤波器是对波进行过滤的器件。按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。无源滤波器仅由无源元件组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。电容元件与电感元件按照一定的参数配置、一定的拓扑结构连接，能够有效滤除某次或某些次的谐波。理论上讲，当某次谐波滤波器调谐到该频率时，滤波器所呈现的阻抗为零，因而能够全部吸收该次谐波。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。用于谐波治理的传统方式为并联无源LC滤波器，选定R、L、C的参数，使滤波网络在一定的谐波信号频率处产生谐振，从而达到抑制谐波的目的。无源滤波器主要可以分为两大类：调谐滤波器和高通滤波器。调谐滤波器实际应用较多的是单调谐滤波器和双调谐滤波器。单调谐滤波器由电容与电感串联而成。它具有与某低次谐波频率一致的谐振频率.可用来消除该低次谐波。对应于调谐频率，电容器与电抗器的阻抗相匹配，滤波器呈纯阻性。频率低于谐振频率时，滤波器呈容性;频率高于谐振频率时，滤波器则呈憾性。双调谐滤波器由调谐在不同谐振频率的两组电容器与电感串联而成。对应于两种谐振频率，滤波器呈现低阻抗。高通滤波器分别为一阶、二阶和三阶高通滤波器。用来滤除某高次谐波及该次频率以上的谐。有源滤波器由无源元件和有源器件组成。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件） ；缺点是：通带范围受有源器件的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。如果要求有源滤波器在补偿谐波的同时，还补偿负载的无功，则只要在补偿电流的指令信号中增加与负载电流无功分量反极性的成分即可。这种滤波器可对频率和大小都随时间变化的谐波以及变化的无功功率进行迅速动态跟踪补。从国内外的使用情况来看，利用有源电力滤波器进行谐波和无功补偿是今后的一个发展趋势。早在70年代，有源电力滤波器的基本原理和主电路拓扑结构就已被确定，但由于受当时的技术条件限制，未能使有源电力滤波器得以实施。进入80年代后，新型电力电子器件的出现、PWM控制技术的发展以及瞬时无功功率理论的提出，极大地促进了有源电力滤波器技术的发展。近年来，国外已开始在工业和民用设备上广泛使用有源电力滤波器，并且单机装置的容量逐步提高，其应用领域从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展。3 有源电力滤波器近期的发展动向关于有源电力滤波器技术近期的研究主要集中在以下几个方面：谐波理论的进一步研究；进一步降低补偿装置的容量;控制系统的简化与数字化;补偿装置的多功能化其中与系统的谐波理论有关；、的目的是进一步减小补偿装置的制造成本和损耗，进一步提高装置的可靠性；是指有源电力滤波器除能补偿谐波外还具备其它的功能。3.1谐波理论的进一步研究采用傅里叶级数对非正弦连续的时间周期函数进行变换是谐波分析最基本和常用的方法。这种方法根据采集到的一个电周期的电流值进行计算，得到该电流所包含的谐波次数。其缺点是需要一定的时间采样并且要进行两次变换，计算量大、实时性不好，因此该方法大多用于谐波的离线分析，难以用于有源电力滤波器所要求的实时检测。该方法早期曾在有源电力滤波器中用过，80年代瞬时无功功率理论出现后已不再采用。为了能在线实时检测和补偿谐波，日本学者赤木泰文等人提出了瞬时无功功率理论。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。以该理论为基础，可以得出用于有源电力滤波器的谐波和无功电流的实时检测方法，对于谐波和无功补偿装置的研究和开发起了极大的推动作用。但这一理论也存在一些缺点，一些量的物理概念比较模糊，在解决一些传统概念和问题时遇到困难。所以如何建立更为完善的功率定义和理论为大家所接受，还需做出更多努力。三相电路瞬时无功功率理论已经成功地应用到三相三线制系统并取得了良好的补偿效果，在国外有源电力滤波器已被广泛使用。有源电力滤波器的应用领域已从原先的三相三线制系统逐步扩展到其它类型的电路如单相电路、三相四线制电路以及直流输电等更为广泛的领域。3.2进一步降低装置容量有源电力滤波器容量与其它三相交流电力设备的容量定义相同。有源电力滤波器中最基本的是并联型，其容量取决于与装置连接的交流回路电压有效值与补偿电流有效值的乘积。并联型有源电力滤波器与谐波源负载所接的交流电压相同，因此装置的容量主要由补偿电流决定，而补偿电流的大小和装置的补偿目的有关，即有源电力滤波器仅仅是只补偿谐波还是要同时补偿谐波和无功。只补偿谐波时，有源电力滤波器的补偿电流与负载电流的谐波分量大小相等而方向相反，两者的有效值是一样的，这种情况下，装置的容量取决于负载电流中谐波的大小。如果要求有源电力滤波器同时补偿谐波和无功，则装置容量由补偿对象中谐波组成及要求补偿无功的程度共同决定。由于有源电力滤波器的价格要远远高于无源滤波器，为降低补偿装置的投资，主要办法就是降低有源电力滤波器的容量。目前的主要思路是将有源电力滤波器和无源滤波器混合使用，用无源滤波器滤除谐波源中主要的谐波电流，用有源电力滤波器来提高总体的补偿效果，这就是混合型有源电力滤波器。3.3控制系统的简化有源电力滤波器为了能及时产生补偿电流以抵消谐波源负载的谐波电流，要求其控制电路必须实时检测、计算补偿对象的谐波电流。目前完成这部分工作的主要是基于瞬时无功功率理论的各种检测计算电路。实现时多为模拟电路，其线路较为繁琐、结构较为复杂。许多学者一直在寻找比较简单的方法来完成这部分工作。另外，随着高速数据处理芯片DSP接口功能的日趋完善，采用数字化方法来实现这部分工作的研究也在积极地进行。3.4补偿装置的多功能化有源电力滤波器本身除能补偿谐波外，通过在控制电路上加以改造还可以补偿基波无功、电压闪变以及电压的不平衡等功能。有关这部分的研究也引起许多学者的关心并取得了许多研究成果。由于有源滤波存在的不足和缺陷，目前国内市场上主要以无源滤波为主；国际上以ABB、ABLEREX（爱普瑞斯） 、诺基亚、施耐德（梅兰日兰） 、西门子为代表，国内以山大华天，哈工大、西安赛博、南京亚派为代表，另外清华大学电机系研制的CleanPower系列有源电力滤波器在自适应能力，稳定性以及对各种延时的最优补偿方面有了长足的进展，成为了最先进的产品之。参考文献：1 王兆安，黄俊.电力电子技术M北京：机械工业出版社，20002 徐政.电力系统谐波M北京：机械工业出版社，20103 赤木泰文.瞬时功率理论及其在电力系统中的应用J.高等理科教育，2005（1）：1-104 李庆民，李清泉.电力系统中的电磁兼容M.北京：机械工业出版社，2008:42-545 林飞，杜欣.电力电子应用技术MATLAB仿真M.北京：中国电力出版社，20086 王葵，孙莹.电力系统自动化M.北京：中国电力出版社，20077 邱关源.电路M北京：高等教育出版社，20068 潘凯. 并联三相三线制有源电力滤波器的仿真与设计D大连：大连理工大学，2009:1-159 范瑞祥. 并联混合型有源电力滤波器的理论与应用研究D长沙：湖南大学，2007：1-710 王兆安,杨君,刘进军 等. 谐波抑制技术M.北京:电力出版社,2005:5-1011 刘进军.基于旋转空间矢量分析瞬时无功功率理论及其应用D. 北京：北京化工大学，1999:10-1212 A.Nakajima etal,Development of Active Filter with Series Resonant Circuit,IEEE/PESC, 1998年, 第1168页13 Saetieo S, Torry A.Fuzzy logic control of a spacevector PWM current regulator for three phase power converters J. IEEE Trans on Power Electronic,1998，13(3):411-426. 14 B.Weedy and B.Cory.Electric Power SystemsM. USA：Academic Press,1998. 15 Saetieo S,Torry A.Fuzzy logic control of a spacevector PWM current regulator for three phase power convertersJ USA：IEEE Trans on Power Electronic,1998，13(3):411-426. 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：有源电力滤波器是采用现代电力电子技术和基于高速的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动IGBT或IPM功率模块，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐。有源电力滤波器的结构原理如图所示。图中Z分别为电网负载，有源电力滤波器有电流检测电路和PWM-主电路组成。电流检测电路的作用是检测负载电流中的谐波分量和无功电流分量，主电路为双向功率传输的逆变电路，PWM为逆变电路的控制电路，PWM-主电路的作用是对负载电流中的谐波分量和无功电流分量进行补偿。有源电力滤波器的结构原理图有源电力滤波器多用于三相电力系统中。在供电系统中，多采用三相三线制有源电力滤波器。而在配电系统中，多采用三相四线制有源电力滤波器。有源电力滤波器氛围电压型和电流型两种。电压型有源电力滤波器主电路如图一所示。它采用电压型PWM逆变器，其直流侧并有大容量电容器，逆变器正常工作时电容器上的电压基本保持不变，可以视为电压源。电流型有源电力滤波器的主电路原理图如图二所示，它采用电流型PWM逆变器，其直流侧串有大电感量的电感器，逆变器正常工作时，流经电感器的电流基本保持不变，可以视为电流源。由于电感器中始终有电流流过，产生较大的损耗，效率较低，从而影响了电流型有源电力滤波器的推广使用。但是电流型有源电力滤波器与电压型有源电力滤波器相比，也有优点，如电流控制能力较强，滤除开关谐波的效率高，工作稳定性高等。本设计中考虑到滤波器的实用性和使用的广泛度，设计的是电压型有源电力滤波器。图一 电压型有源电力滤波器主电路的电路原理图图二 电流型有源电力滤波器主电路的原理图研究方法与实施方案（1）有源电力滤波器有并联型，串联型及混合型等形式。并联型主要是用于电流型负载