有源电力滤波器课程设计

目录1 设计相关知识介绍 (1)1.1 谐波基本概念 (1)1.2 谐波主要危害 (1)1.3抑制谐波方法 (1)2 APF的基本工作原理 (3)3 APF基本组成部分 (5)3.1 主电路 (5)3.1.1 PWM控制的基本原理 (5)3.1.2 主电路结构 (7)3.2 指令电流运算部分 (8)3.2.1 瞬时无功理论定义 (8)3.2.2 基于瞬时无功理论检测法 (9)3.3 电流跟踪控制部分 (11)3.3.1电流滞环控制原理 (11)3.3.2 三相电流滞环控制原理 (12)3.4 驱动电路 (13)参考文献 (15)1 设计相关知识介绍[1]1.1 谐波基本概念1882年，法国数学家傅里叶指出，一个任意函数都可以分解为无穷多个不同频率正弦信号的和。

基于此，国际电工标准定义谐波为：谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于1的H次分量。

把谐波次数的H定义为：以谐波频率和基波频率的之比的整数。

电气和电子工程协会标准定义谐波为：谐波为一个周期波或量的正弦波分量，其频率为基波的整数倍。

总结二者，目前国际普遍定义谐波为：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。

1.2 谐波主要危害谐波研究与治理对于现代工业生产意义重大，这是因为谐波不仅降低电能的生产、传输和利用效率，而且给供、用电设备的正常运行带来严重危险。

对于电力系统，谐波会放大系统局部并联谐振或串联谐振现象，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。

谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。

对于电气设备，谐波可以使电气设备产生振动和噪声，还可以产生过热现象，促使绝缘老化，缩短设备使用寿命，甚至发生故障或烧毁。

谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。

电力系统产生的谐波与普通电话线路传输的音频信号及人耳的音频敏感信号相比在信号频带上具有一定的重叠性，而且二者功率相差悬殊。

对于通信的干扰，也是谐波的主要危害之一。

谐波污染是电力电子技术发展的重大障碍。

电力电子技术是未来科学技术发展的重要支柱。

有人预言，电力电子连同运动控制将和计算机技术一起成为21世纪最重要的两大技术。

然而，电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效研究。

因此，谐波治理已经成为电气工程领域迫切需要解决的问题。

1.3抑制谐波方法随着工业、农业和人民生活水平的不断提高，除了需要电能成倍的增长，对供电质量及供电可靠性的要求也越来越多，电能质量受到人们的日益重视。

于是各国纷纷出台措施，制定相关标准。

目前滤波是治理电网污染的有效方法，滤波就是将信号中特定的波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。

它分为无源滤波和有源滤波。

(1) 无源滤波图1-1无源滤波器结构无源滤波器，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，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、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点。

基本的无源滤波器的拓扑结构如上图1-1所示。

（2）有源滤波目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用电力有源滤波器(ACTIVE POWER FILTER-APF)。

有源电力滤波器也是一种电力电子装置。

其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生与该谐波电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。

这种滤波器能对频率和幅值都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。

2 APF的基本工作原理[2]图2-1为APF的系统框图。

图中，E S表示交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。

有源电力滤波器系统由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。

其中指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量。

补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流，它由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成。

主电路目前均采用PWM 变流器。

图2-1 APF 系统框图图2-2为APF 的系统原理图。

图中EA 、EB 、EC 为交流电源，谐波电流源为非线性负载，sa L ，sb L ，sc L 分别代表三相的电网阻抗。

而有源电力滤波器主要由以下几部分组成，指令运算电路，电流跟踪控制电路，驱动电路以及主电路。

其中指令运算电路的主要任务是按照要求检测出负载电流中的谐波、无功以及负序分量。

电流跟踪控制电路，驱动电路以及主电路和在一起可以称为补偿电流发生电路，它的主要作用是根据指令运算电路得出的补偿指令，产生实际的补偿电流。

主电路主要由IGBT 构成的电压型PWM 变流器，以及与其相连的电感和直流侧电容组成。

图2-2 APF系统原理图3 APF基本组成部分3.1 主电路3.1.1 PWM控制的基本原理[3]PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM 控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。

本文主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术。

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

冲量指窄脉冲的面积。

效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。

低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

图3-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲分别将如图3-1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图3-2a所示。

其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图3-2b所示。

从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。

脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。

如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。

用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。

用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。

上述原理可以称为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。

下面分析用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。

图3-3可以看到把半波分成N等份，就可以把正弦半波看成N个彼此相连的脉冲序列组成的波形，然后把脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使它们面积相等，就可以得到脉冲序列。

根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。

图3-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形图3-3 用PWM波代替正弦半波要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。

3.1.2 主电路结构作为主电路的PWM变流器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作，因此可称为逆变器。

但它不仅仅是单独作为逆变器而工作的，当在电网向有源电力滤波器直流侧储能元件充电时，它就作为整流器工作，即它既可以工作在逆变状态，也可工作在整流状态，所以多以变流器称之。

在应用中主电路多以三相桥式变流器为主，三相桥式变流器又可分为电压型和电流型两种。

而电压型应用较为广泛。

随着电力电子器件技术和控制技术的发展，先进的功率器件的应用给主电路性能带来了很大变化。

常用的PWM变流器多为电压型变流器，单个电压型PWM变流器其基本的拓扑结构如下图3-4所示：图3-4 电压型逆变电路电压型PWM变流器的基本特点是：（1）直流侧为电压源或并联有大电容，在正常工作时，其电压基本保持不变，可看作电压源。

（2）对电压型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。

（3）电压型PWM变流器的交流侧输出电压为PWM波。

控制各个开关器件轮流导通和关断，同时使另一个器件导通，就实现了两个器件之间的换流，电路的环流方式分为180度导通型和120度导通型。

所谓180度导通型是指同一桥臂上、下两管之间互相换流。

而120度道通型是指在同一排不同桥臂的左、右两管之间进行的。

但180度导通型应该注意防止上、下桥臂的直通。

3.2 指令电流运算部分[4]指令运算部分实质上就是谐波电流检测部分，谐波检测的方法很多，早期的模拟法，到后来的傅里叶分析法，还有人工神经网络法，瞬时无功功率理论等，但应用较为广泛的还是瞬时无功功率理论，该理论的产生为有源电力滤波器的发展注入了新鲜的活力。

3.2.1 瞬时无功理论定义瞬时无功理论在无功补偿和谐波检测等领域都得到了广泛的应用，以该理论为基础构成的 APF 可以实现对频率和大小都变化的无功与谐波电流进行实时的检测。

这种检测方法有可以分为 P-Q 法和Q P I I -法。

本论文就是利用Q P I I -法进行谐波与无功电流的实时检测的。

本设计研究的系统为三相三线制系统，可以先将三相的电压和电流转换到静止的α-β系统中。

设三相电路各相瞬时电压和电流分别为a e ，b e ，c e 和a i ，b i ，c i 分别将它们变换到两相正交的α-β坐标上，两项瞬时电压为e α ，e β。

电流为i α ，i β即⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=c b a c b a u e e e C e e e e e F 321232123210132βα (1) ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=c b a c b a i i i i C i i i i i F 32232123210132βα (2) 式中，C32是三相到两相的坐标变换阵，定义瞬时有功功率 P 和无功功率Q 为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⊗•=⎥⎦⎤⎢⎣⎡βααββαi i u u u u F F F F q p i u i u 11 (3) 现在假设系统三相电压和三相电流均为正序基波正弦信号时，设三相电压、三相电流分别为：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+-=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡)3/2sin()3/2sin(sin ππwt E wt E wt E u u u m m m c b a （4）⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+-=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡)3/2sin()3/2sin(sin ππwt I wt I wt I i i i m m m c b a （5）则变换到Α-Β两相静止坐标系中的向量为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=wt wt E u u F m u cos sin 231βα (6) ⎥⎦⎤⎢⎣⎡---=⎥⎦⎤⎢⎣⎡=ϕϕwt wt I i i F m i cos()sin(23βα (7) 所以得到瞬时有功功率和无功功率为:ϕcos 231m m i u I E F F p =•=,ϕsin 231m m i u I E F F q =⊗= (8) 从式(8)可以看出，在三相系统的电压和电流均为基波正序电压和电流时，按照上面定义计算的瞬时有功功率和无功功率 P 、Q 只包含直流分量，并且与传统的三相有功功率和无功功率计算的结果一样。