电力电子装置大作业

1、题目名称：电力有源滤波器姓名：_陈坚权班级：_电气121学号：201233495113日期：2015年5月20日嘉兴学院机电工程学院电力有源滤波器摘要： 电力电子装置自身所具有的非线性导致了电网中含有大量谐波，这些谐波给电力系统 带来了严重的污染， 严重危害了用电设备和通信系统的稳定运行。 虽然传统的无源电力滤波 器具有结构简单、成本低、技术成熟、运行费用低等优点，但同时也有一些缺点，例如只能 抑制固定的几次谐波，并对某次谐波在一定条件下会与电网阻抗产生谐振反而而使谐波放 大。 目前， 谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器，有源电力滤波器也是一种电力电子装置，且相关技术的研究也日渐成为研

2、究的热点。本文阐述了几种常见 APF 的拓扑 结构及各自的优缺点， 详细分析了基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法， 比例控制和前馈 控制两种电流环控制策略以及 SPWM 和 SVPWM 两种调制策略。介绍了电力有源滤波器的 基本原理和结构，并设计了并联型有源电力滤波器的控制系统，实验结果表明,其谐波抑制和无功补偿可以达到良好的效果 ,在技术上是可行的。关键词：电力有源滤波器 ;谐波检测 APF引言随着现代科技的发展，一方面， 危害电能质量的因素不断增加，例如， 以电力电子装置 为代表的非线性负荷的使用、 各种大型用电设备不断普及， 如高性能办公设备、 精密实验仪 器、计算机、通信及数据处理系统

3、、 精密生产过程的自动控制设备等。 上述问题的矛盾越来 越突出，这使得电能质量问题对电网和配电系统造成直接危害和可能对人类生活造成的损失 也越来越大，因此电能质量的好坏直接关系到国民经济的总体效益。1.谐波对电力系统主要危害：谐波增加了公共电网的附加输电损耗，降低了发电、输电设备的利用率。在电缆输电的情况下，谐波以正比于其电压幅值的形式增加了介质的电场强度，缩短了电 缆的使用寿命，还增加了事故概率和修理费用。谐波会影响甚至严重影响用电设备的正常工作。谐波还引起某些继电器、接触器的误动作。谐波使得常规电气仪表测量不准确。谐波对周围环境产生电磁干扰，影响通信、电话等设备的正常工作。谐波容易使电网产

4、生局部的并联或串联谐振，而谐振导致的谐波放大效应又进一步恶化和加剧了所有前述问题。国家标准 GB/T14549 1993 对电能质量公用电网谐波作出了限定，因此减小谐波影响是电 力工程必须考虑的重要问题。2.抑制谐波的方法：无源与有源滤波技术无源滤波器，又称 LC 滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，APF。有源电力滤波器也是一 由补偿装置产生与该谐波电 这种滤波器能对频率和幅值都可滤除某一次或多次谐波， 最易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联， 可对主要次 谐波构成低阻抗旁路；单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。 无源 滤波器具有结构简单、成本低

5、廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点。目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用电力有源滤波器 种电力电子装置。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流, 流大小相等而极性相反的补偿电流，从而消除电网中的谐波。变化的谐波进行跟踪补偿， 且补偿特性不受电网阻抗的影响， 因而受到广泛的重视， 并且在 日本等国得到广泛的应用。有源电力滤波器的基本思想在六七十年代就己经形成。80年代以来，由于大中功率全控型半导体器件的成熟，脉冲宽度调制PWM控制技术的进步，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，有源电力滤波器才得以迅速发展。有源电力滤波器的基本思想如图所示系统谐波源APF图1有源电力滤波器如整

6、流器等，产生谐波电流，供电系统一般为被保 它的作用是产生和谐波源谐波电流大小相等方向相在图中，谐波源一般是非线性负载, 护对象；有源滤波器表现为流控电流源, 反的补偿电流来达到消除谐波的目的。根据接入电网的方式，有源电力滤波器可以分为串联型、并联型和串-并联型三大类。每一种类型的有源电力滤波器结构不同，因其工作原理、特性各不相同。串联型有源滤波器经耦合变压器串接入电力系统， 如图2所示，其可等效为一个受控电压源，主要是消除电压型谐波以及系统侧电压谐波与电压波动对敏感负载的影响。串联型有源电力滤波器应用在直流系统中时，耦合变压器的系统接入侧很容易出现直流磁饱和问题，所以只在交流系统中采用。与并联

7、型有源电力滤波器相比，由于串联型有源电力滤波器中流过的是正常负荷电流，因此损耗较大；此外，串联型有源电力滤波器的投切、故障后的退出及各种保护也较并联型有源电力滤波器复杂。目前单独使用串联有源电力滤波器的例子较少，研究多集中在其与 LC无源滤波器所构成的串联混合型有源电力滤波器上。Diode RectifierSeri-Actiw Fill er串联型有源电力穗技軽的基本拓扑结构并联型有源电力滤波器与系统并联等效为一个受控电流源，如图3所示。有源滤波器向系统注入与谐波电流大小相等方向相反的电流，从而达到滤波的目的。 并联型有源电力滤波器主要适用于电流源型感性负载的谐波补偿，技术上已相当成熟，工业

8、上已投入使用的有源电力滤波器多采用此方案。与串联型有源电力滤波器相比并联型有源电力滤波器通过耦合变压器并入系统，不会对系统运行造成影响，具有投切方便灵活以及各种保护简单的优点。但是当单独使用并联型有源电力滤波器来滤除谐波时，有源电力滤波器容量要求很大，这样会带来一系列的问题， 如工程造价高、电磁干扰、结构复杂以及高的功率损耗等。图4所示为串-并联新型有源电力滤波器，相关文献称之为统一电能质量调节器（UPQC）。它综合了串联型和并联型两种结构，共同组成一个完整的用户电力装置来解决 电能质量的综合问题。 其中，直流侧电容器或电感储能装置是串联型和并联型有源滤波器所 公用的，串联有源电力滤波器起到补

9、偿电压谐波、消除系统不平衡、调节电压波动或闪变、 维持系统电压稳定性或阻尼振荡的作用。并联变流器起到补偿电流谐波不平衡、补偿负荷的无功、调节变流器直流侧电压的作用。因此这种统一电能质量调节器可以实现短时间不间断供电、蓄能、无功补偿、抑制谐波、消除电压波动及闪变、维持系统电压稳定等功能，被认 为是最理想的有源滤波器的结构。这种结构即可用于三相系统，又可以用于单相系统。但是其主要缺陷在于成本较高（需要较多的开关器件）和控制复杂xibutionUik迅ed Pomr Quality C（H）ditk）or图4 串电力浦波器的基本拓扑结构图5为混合型有源滤波器结构。 混合型有源滤波器是在串联型有源滤波

10、器的基础上使用 一些大容量的无源 LC滤波网络来承担消除低次谐波，进行无功补偿而串联型有源滤波器只 承担消除高次谐振及阻尼无源LC网络与线路阻抗产生的谐波谐振的任务。从而使串联型有源滤波器的电流、电压额定值大大减少（功率容量可减少到负载容量的 5%以下），降低了有源滤波器的成本和体积。APF图5混合型有源滤波器结构3系统结构与基本原理并联型有源电力滤波器系统构成的原理如图6所示。图中，负载为产生谐波的谐波源，变流器和与其相连的电感、 直流侧贮能元件（图中为电容）共同组成有源电力滤波器的主电 路。与有源电力滤波器并联的小容量一阶高通滤波器（或采用二阶高通滤波器），用于滤除有源电力滤波器所产生的补

11、偿电流中开关频率附近的谐波。图6并联型有源电力滤波器系统构成3.1 APF主电路结构有源电力滤波器在实际应用中往往要求容量较大，如果采用单个PWM变流器不能达到容量要求时，通常采用多重化的主电路形似。采用单个PWM变流器的有源电力滤波器的主电路，根据贮能元件的不同，可分为电压型和电流型两种。电压型PWM变流器的直流侧接有大电容，在正常工作时，其电压基本保持不变，可看作电压源；电流型PWM变流器的直流侧接有大电感，在正常工作时，其电流基本保持不变， 可看作电流源；对于电压型PWM 变流器，为保持直流侧电压不变，需要对直流侧电压进行控制；同样对于电流型PWM变流器也需要对直流侧的电流进行控制。电流

12、型PWM与电压型PWM变流器相比，不会因为主电路开关器件的直通而发生短路故障。但是，电流型PWM变流器直流侧大电感上始终有电流流过，该电流将在大电感的内阻上产生较大的损耗，因此目前较少使用。对于主电路本论文采用电压型 PWM变流器。对于直流侧的电容，用2000V的直流电压源代替。iZJL.严?_謁ASTit411囲囲图7 APF主电路结构图3.2电流跟踪控制电路电流跟踪控制电路是补偿电流发生电路中的第1个环节，其作用是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流之间的相互关系，得出控制补偿电流发生电路中主电路各个器件通断的PWM信号，控制的结果应保证补偿电流跟踪其指令信号的变化。由于并联型有源电力滤波

13、器产生的补偿电流应实时跟随其指令电流信号的变化，要求补偿电流发生器有很好的实时性，因此电流控制采用跟踪型 PWM控制方式。目前跟踪型 PWM控制的方法主要有两种， 即瞬时值比较方式和三角波比较方式。三角波比较方式不直接将指令信号i与三角波比较,而是将i与实际的补偿电流信号 i的偏差?i经过放大器 A之后再与三角波比较。该方法虽 然开关频率固定，且等于三角载波的频率， 跟随误差较大等缺点， 但是输出电压中所含谐波 较少的特点，所以本文采用三角波比较方式。三角波比较方式的原理如图 8所示4仿真研究.1c46 JP&WW1M如qri_Threte-Phaw： S&uraE3LQ=I j: -（T打i

14、kmO（1竺竺）Th* MAm_r*n:*11Mlm3Lurrtil Tra j*MIF*MJWDlL：-iiw* oiufri1:G*Unmnil fendgt图9并联型有源电力滤波器系统构成模型通过以上分析和并联型有源电力滤波器的仿真分析可得以下仿真图形，仿真参数设置如下：（1）电源电压为三相对称电压源，相电压为220V。（ 2）负载为三相不可控整流型阻感性负载电阻为 20?，电感为0.5H。(3)有源电力滤波器直流侧电压为 2000V，电网电阻为0.05?，电网电感为1.3*10-4H。 ( 4)高通滤波器的电阻为 0.08?，电容为6.5*10-5F ,IGBT的内阻为 0.001?，缓冲电阻为 1*105?，Diode的内阻为0.001?，正向电压为 0.8V， 缓冲电阻为 500?，缓冲电容为 2.5*10-7F。图10未进行谐波抑制时的电流仿真波形图11进行谐波抑制后的电流波形由图10、图11可以看出经过并联型有源电力滤波器的滤波后，电流中的谐波得到了有效的 抑制，电能质量得到了很好的提高。5结论电力谐波广泛存在于电力电网之中，严重威胁着人类赖以生存的电力环境。进行谐波治理，将电力谐波限制在一定的水平之内有着重要的意义。电力有源滤波器作为一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，APF能对大