并联型有源电力滤波器仿真及其设计

ｆｏｒ ｈａｍｏｎｉｃ ａｎｄ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｗｉｌｌ ｈａｖｅ ｖｅｒｙ ｂｒｏａｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ·
Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ＡＰＦ，ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｌｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＡＰＦ ａｎｄ ｓｅｖｅｒａｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ，ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｒｅｅ。Ｐｈａｓｅ ｔｈｒｅｅ－ｗｉｒｅ ａｎｄ ｔｈｒｅｅ．ｐｈａｓｅ ｆｏｕｒ－ｗｉｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ＡＰＦ ｓｙｓｔｅｍ，ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ｔｗｏ ｍｏｄｅｌｓ ｔｏ ｆｉｇｕｒｅ ｏｕｔ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ｔｈｒｅｅ－ｗｉｒｅ ＡＰＦ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ ｍ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ ｔｈｒｅｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ａ ｓＰａｃｅ Ｖｅｃｔｏｒ
生畸变，成为非正弦波。对于周期为Ｔ＝２ｒｄｏ）的非正弦电压ｕ（ｃｏｔ），一般满足狄里 赫利条件，可分解为如下的傅里叶级数：
ｕ（ｃｏｔ）＝ａｏ＋∑（口。ＣＯＳ ｎｏｔ＋ｂ．ｓｉｎ ｎｏｔ）
（１．２）
式中
口ｏ－去ｆ２ ｕ（ｃｏｔ）ｃｌ（刎）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
口。＝１…ｆ＇ｕ（国ｆ）ｃｏｓ ｎｃｏｔｄ（国ｆ）
６。＝昙知（国ｆ）ｓｉｎ，ｚ彩纠（国ｆ）
或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证
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。
学位论文作者签名：稽专、乞 签字日期：硼。驴年秀月谚日
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关键词：有源电力滤波器；瞬时无功功率理论；单片机；ＤＳＰ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｌｔｅｒ（ＡＰＦ）ｉｓ ａ ｖｅｒｙ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｄｅｖｉｃｅ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｐｏＩｌｕｔｌｏｎ
ｐ洲ｅｒ ｉｎ ｔｈｅ
ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｔ ｉｓ ｗｅｌｌ ｋｎｏｗｎ ｔｈａｔ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｄｅｓｐｒｅａｄ ｕｓｅ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ
在居民用电中，家用电器的普遍使用产生大量的３次谐波，这些电流流过中 线将产生甚至比各相电流还要大的电流，而正常设计的中线由于没有过多考虑如 此巨大的电流，因此导线的线径比较细，在大量３次谐波电流通过时候会使导线 过载过热、绝缘损坏，甚至短路发生火灾。
在工业生产中，谐波会引起电机和变压器的附加损耗和过热，产生机械振动、 噪声和过电压。同步电机会由于谐波电流的集肤效应使得转子中的阻尼绕组、槽 楔和套箍发热，谐波在异步电机中产生谐波电压引起的磁饱和会进一步增加电机 的附加损耗和发热。流入变压器的谐波电流增加了变压器的铁损耗和铜损耗，高
ｃｉｒｃｕｉｔ．ＡＰＦ ｓｙｓｔｅｍ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉＬ ｔｈｅ ａｂｓｏｌｕｔｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎＶｅｒｓｌｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｘ３０ ｏｎ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ａｌｓｏ ｄｅｓｉｇｎｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｒｕｐｔＳ ｐｒｏｇｒａｍ８ ｏｆ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ’ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｒｏｇｒａｍ ａｎｄ ｓｔａｒｔｅｄ ｍｏｖｉｎｇ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ｏｆ ＤＳＥ Ａ：ｆｔｅｒ ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ ａｌｌ ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍｓ，ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ａｃｔｕａｌ ｔｅｓｔｓ ａｎｄ ｅｘｐ’ｅｒｉｍｅｎｔａｌ
ａｎａｌｙｓｉｓ．
ＷＯＲＤＳ：Ａｃｔｉｖｅ ＫＥＹ
Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｌｔｅｒ；Ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｔｈｅｏｒｙ；Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ；
Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表
通常可以表示为
“（ｆ）＝４２Ｕｓｉｎ（ｃｏｔ＋口）
（１．１）
式中： Ｕ——电压有效值：
口——初相角； 彩——角频率，彩＝２ｎｆ＝２万／Ｔ：
厂——频率：
第一章绪论
丁——周期。 正弦电压加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电压和电流分别为比例、 积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。当正弦电压施加在非线性电路上的时候， 负载电流呈现非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，使得电压波形也产
硕士学位论文
并联型有源电力滤波器仿真及其设计
Ｔｈｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｓｈｕｎｔ Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｌｔｅｒ
学科专业：电力电子与电力传动 研究生：梅东亮 指导教师：车延博副教授
天津大学电气与自动化工程学院 二零零八年八月
摘要
有源电力滤波器（Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｌｔｅｒ，简称ＡＰＦ）是近年来治理电力系统谐波 污染的非常有效的装置。众所周知，电力电子装置和非线性负载的广泛使用，使 谐波电流和无功电流大量注入电网，严重威胁电网和电气设备的安全运行与正常 使用，并且产生大量的能源浪费。随着我国“十一五’’规划中关于建设节约型社 会的战略方针的提出，应用ＡＰＦ进行谐波和无功治理的研究工作将会有很广阔 的应用前景。
ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｔｈｅｏｒｙ，ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ａ ｔｈｒｅｅ。ｐｈａｓｅ ｆｏｕｒ－ｗｉｒｅ
ｓｖｓｔｅｍ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｂａｓ；ｅｄ ｏｎ ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ＡＰＦ
ｄｕａｌ．ＣＰＵ ｄｅｖｉｃｅ ｏｆ ＡＰＦ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ＣＰＵ ａｎｄ ＤＳＰ ａｓ ｔｈｅ
ｓｅｃｏｎｄ ＣＰＵ．Ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｃｏｎｔａｉｎｓ：ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ｃｌｏｃｋ ｃｌｒｃｕｌｔ ａｎｄ ｅｍｕｌａｔｏｒ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ＤＳＰ ｃｌｏｃｋ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｍｅｍｏｒｙ ｅｘｐａｎｓｌｏｎ
式子（１．２）的傅里叶级数中，频率为１／Ｔ的分量称为基波，频率大于整数倍 基波频率的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比，我国电力 系统的基波频率为５０Ｈｚ，因此２次谐波频率为１ ００Ｈｚ，３次谐波频率为１ ５０Ｈｚ。
１．２．２谐波的影响
谐波在电网中流动会在线路中产生有功功率损耗，谐波的高频特性在导线产 生的集肤效应使得谐波电阻增大，进一步增加了线路的附加损耗；在电缆输电系 统中，谐波除了会产生上述损耗外，还会使电压波形出现尖峰，加速电缆绝缘的 老化，引起浸渍绝缘的局部放电，缩短电缆使用寿命；电网中的断路器在电流谐 波较大时，在电流过零时刻的ｄｉ／ｄｔ有可能是正常时候的若干倍数，从而使得断 路器的开断能力降低，有的断路器的磁吹线圈在谐波电流严重的情况下无法工作 致使断路器损坏。
１．２谐波的产生和影响
１．２．１谐波的基本概念
国际电Ｉ（ＩＥＣ：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ）标准（ＩＥＣ５５５．２，１ ９８２）
定义谐波为：谐波分量为周期量的傅里叶级数大于１的ｈ次分量，把谐波次数ｈ
定义为：以谐波频率和基波频率之比表示的整数。
在供电电网中，人们预期交流电压和交流电流都呈正弦波形。其中正弦电压
ｅｌｅｃｔｒｉｃａＩ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ．Ａｓ ｔｈｅ ｓｔｒａｔｅｇｉｃ ｏｆ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ａ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ。ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｓｏｃｉｅｔｙ Ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ Ｃｈｉｎａ，ｓ”１ ｌ ｔｈ Ｆｉｖｅ．Ｙｅａｒ Ｐｌａｎ”，ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＡＰＦ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
在进行大量理论分析和验证的基础上，设计一台采用单片机和ＤＳＰ双ＣＰＵ 的有源电力滤波器。硬件上设计单片机的时钟电路、仿真器接口电路；设计ＤＳＰ 的时钟电路，外接存储器扩展电路；设计ＡＰＦ系统的电压周期检测电路，电流 绝对值转换电路等等。软件上编写单片机的主程序和中断程序、ＤＳＰ的主程序和 启动搬运程序，调试并给电进行实际测试和实验分析。
ｃｏｎｔｒｏＩ ｍｅｔｈｏｄ，ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ ｔｈｒｅｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔｈｅｏｒｉｅｓ ｉｎ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，
ｍａｋｉｎｇ ａ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ＡＰＦ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｃｈ ｂａｓｅｄ
索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。
（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）
学位论文作者签名：磊黯、花
签字Ｒ期：抽尸年扩月谚Ｒ
导师签名：
画亍秀、
签字同期：姗年黟月谚同
第一章绪论
第一章绪论
１．１引言
电力电子技术的快速发展使得人们对电能有了更加充分和合理的利用，各种 整流和逆变装置在家用电器和工业电气设备中的广泛应用，提高了生产的效率和 人们的生活水平。但是电力电子装置作为非线性负荷的使用致使电网的电压和电 流发生畸变，这些高度非线性设备数量和额定容量的日益增大使得电力系统谐波 污染问题日益严重，已成为了影响电能质量的公害，对电力系统的安全、经济运 行造成极大的影响；而另一方面工业、企业和居民用电设备的不断更新换代，大 量精密敏感设备的使用，对电能质量的要求越来越高，对电网中的谐波含量以及 用电设备的功率因数有更加严格的限制。据《中国电力》报道，我国仅由电能质 量问题造成的年电能损失就高达４００多亿元，冶金、铁路、矿山等企业的谐波严 重超标，因谐波问题导致的开关跳闸、大面积停电等电力系统事故也屡见不鲜， 因此对电网的谐波污染进行综合治理势在必行。传统的无缘滤波器体积和重量 大，只能针对某次谐波进行补偿，功能比较单一，而有源电力滤波器由于具有高 度可控性和快速响应性，并且能跟踪补偿各次谐波，特性不受负载影响，无谐波 放大的危险，因而受到广泛的重视，成为目前比较热门的研究课题【１４】。