三相有源电力滤波器设计与仿真-电力电子技术课程设计报告

信息科学与工程学院本科生报告

题目名称：三相有源电力滤波器设计与仿真

题目内容：要求学生在深入学习和分析三相有源电力滤波器的组成和工作原理基础上，完成主电路和驱动保护电路的硬件设计与元件选型，并在MATLAB SIMULINK平台上，完成谐波电流检测算法、直流电压和输出电流控制的仿真。

一、谐波概述及其治理

1、谐波的基本概念

2、谐波的危害

(1)谐波对电网的污染

理想的电网所提供的电压应该是频率固定，电压幅值在允许的范围之内，谐波对电网的污染使电网供电质量恶化，使同一电网上的用电设备受到严重影响，甚至危及用电设备的正常运行。

(2)谐波引发各种电力电子设备出现故障

谐波使系统中的元件产生附加的谐波损耗，除降低了发电，输配电和其他用电设备的效率以外，在三相四线制的电路中，由于大量的零序谐波电流，特别是3次谐波电流流过中线，会引起中线过热，有引发火灾的危险。另外，异常的，过大的中线电流的增加，会导致电网中线对地线的电压突增，将危及数据处理系统的安全。谐波对于旋转电机来说，除了增加损耗和引起发热外，还会产生机械振动，噪声和谐波过电压，这对电动机的寿命造成严重的影响。谐波电流流入变压器，会增加变压器的铜损和铁损，引起变压器发热。谐波还会使变压器的噪声变大。谐波电流流经电力电缆，令电缆发生过热，长期的过热运行将导致电缆的绝缘老化，甚至产生漏电和短路现象。

(3)谐波引起谐振

为了补偿无功功率和滤除谐波，常常需要并联电容器，或者设置电容器和电感器组成的滤波器。由于谐波频率高于工频频率，会使系统的感抗增加，容抗减少，有可能产生LC谐振。谐振放大了谐波电流，是电容器或电感器烧毁。

(4)谐波造成继电器误动作，并影响电力测量

电力系统中的谐波将会使某些继电器和漏电保护开关产生误动作。谐波对电压表，电流表和功率表等计量仪表的测量结果带来直接影响。

(5)谐波对IT设备的危害

在计算机机房中，大量使用PC，服务器，交换机等整流滤波型非线性负载，它们向电网注入零序电流，使电网受到污染。反过来，电网的低功率因数会影响IT设备的正常运行。

(6)谐波通信干扰通信系统

电力系统传输功率可达MW级，而通信系统的功率小到mW级，两者如此大的功率级差，导致电力系统中相对小的不平衡音频谐波分量，一旦耦合到通信线路上，可能在通信系统中产生很大的噪声。噪声将降低通话的清晰度，甚至引起信号的丢失。

3、谐波治理的作用和意义

(1)谐波研究的意义，首先在于谐波的危害十分严重；

(2)谐波研究的意义，还在于其对电力电子技术自身发展的影响。电力电子技术是未来科学发展的重要支柱。有人预言，电力电子技术连同运动控制将和计算机技术一起称为21世纪最重要的两大技术[71。然而，电力电子装置所产生的谐波污染己成为阻碍电力电子发展的重大障碍，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的研究；

(3)谐波研究的意义，更可以上升到从治理环境污染，维护绿色环境的角度来认识。对电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色"的主要标志之一。目前，对地球环境的保护已成为全人类的共识。对电力系统谐波污染的治理也已成为电工科学技术界必须解决的问题。

4、谐波治理的措施

谐波抑制是提高电能质量，保证供用电设备安全可靠运行的重要手段之一。减小谐波影响的技术措施可以从两方面入手：一是从谐波源出发，减少谐波的产生；二是安装滤波装置。谐波抑制的措施主要包括一下几个方面：

(1)串联电抗器

串联电抗器对平滑谐波电流具有一定的作用，并且电路简单，制造成本低，往往应用在整流器之前，例如：变频器，调光器等。但由于其阻抗较高，损耗较大，因此其抑制谐波的作用受到限制。

(2)高功率因数变流器

如前面的介绍，电力电子装置是电力系统最严重，最突出的谐波源。在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。因此，抑制整流装置所产生的谐波是谐波治理的重要措施。

(3)无源滤波器

早期使用的补偿装置是LC无源滤波器。其主要思想是根据LC的串并联谐振原理，为谐波分量提供一个低阻通路，同时提供一定的无功补偿。LC无源滤波器由于其构造简单，一直被广泛使用。在实际应用中，这些补偿装置虽然对补偿无功和谐波均达到了一定的效果，但其只能补偿固定频率的谐波，而且补偿特性易受电网阻抗和运行状态的影响，容易与系统发生谐振，并且存在工作点固定、体积大等缺点，难以满足大范围、动态补偿的要求。为解决传统无源滤波器的局限性，人们做了很多的研究和探索，其中最有代表性的是有源电力滤波技术的提出。

(4)有源滤波器

电力有源滤波器的基本思想形成于上个世纪六七十年代，是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，80年代以来，由于新型电力半导体器件的出，PWM技术的发展，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测法的提出，有源滤波器得以迅速发展。有源滤波器具有以下一些特点：

① 实现动态补偿，可对频率和大小均变化的谐波及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应速度；

② 有源滤波装置是一个高阻抗电流源，它的接入对系统阻抗不会产生影响，因此此类装置适合系列化、规模化生产；

③ 当电网结构发生变化时装置受电网阻抗的影响不大，不存在与电网阻抗发生谐波的危险，同时还能抑制串并联谐振；

④ 补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需要的储能元件不大；

⑤ 用同一台装置可同时补偿多次谐波电流和非整流倍次的谐波电流；

⑥ 当线路中的谐波电流突然增大时有源滤波器不会发生过载，并且能正常发挥作用，不需要与系统断开；

⑦ 装置可以仅输出所需补偿的高次谐波电流，不输出基波无功功率。

基于以上这些特点，有源滤波器受到广泛重视，成为电力电子应用研究极具生命力的发展方向。许多制造商都在制造有源滤波器。国内许多研究机构和高等院校也在积极开展这方面的研究工作，并取得了许多研究成果。

二、有源电力滤波器的构成及原理

1、有源电力滤波器的系统构成

(1)按直流侧储能元件分类

有源电力滤波器的主电路形式通常采用单个PWM逆变器结构，其按直流侧储能元件为电容或电感分为电压型(如图2-1)和电流型(如图2-2)。对于某些需要大容量有源电力滤波器的场合，若采用单个器件的容量不易满足要求，有关文献提出可采用多重化的主电路形式。图中的电力电子开关器件为IGBT，实用中可在GTO晶闸管、BJT、IGBT、电力MOSFET等器件中选择。

电压型APF与电流型APF主电路特点主要分为以下几个方面：

① 电压型APF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APF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；

② 对于电压型APF，为保持直流侧电压不变，需要对直流侧电压进行控制；对于电流型APF，为保持直流侧电流不变，需要对直流侧电流进行控制；

③ 电压型APF的交流侧输出电压为PWM波，电流型PWM逆变器的交流侧输出电流为PWM波。与电压型APF相比，电流型APF的一个优点是，不会由于主电路开关器件的直通发生短路故障。但是，电流型APF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，因此目前较少采用；

④ 与电流型APF相比，电压型APF效率高，初期投资少，可任意并联扩
容，易于单机小型化，成本低，适用于电网级谐波补偿。

(2)按拓扑结构分类

图2-3(a)是单独使用的并联型有源滤波器，为电力有源滤波器基本的构成方式。PWM变流器并联在电网上，相当于一个受控电流源，产生与负载谐波电流大小相同而方向相反的补偿电流，使得电源电流被补偿为正弦。此种构成的电源基波电压全部加在变流器上，因而装置容量较大。这种电力有源滤波器具有连续调节无功功率的功能，能在补偿谐波的同时动态补偿无功功率。

图2-3(b)是与LC滤波器并联使用的并联型有源滤波器。图(b)中的LC滤波器主要是用来与有源滤波器分担补偿低次的谐波，则可降低所需变流器的容量，而较高次的谐波则由有源滤波器来补偿。这种方式的有源滤波器也可以对无功功率进行调节。

图2-3(c)是与LC滤波器串联使用的并联型有源滤波器。图(c)中的有源滤波器主要不只是用来补偿谐波，而且还用来抑制LC滤波器与电网阻抗之问的并联谐振，即所谓的谐波放大现象，以改善LC滤波器的谐波补偿效果。其变流器不承受基波电压，因而变流器的装置容量大大减小。

图2-3(d)是单独使用的串联型有源滤波器。图2-3(e)是与LC滤波器混合使用的串联型有源滤波器。图2-3(d)和2-3(e)的有源滤波器均通过变压器串联在电源和负载之间，相当于一个受控电压源。图2-3(d)方式可以消除电源电压可能存在的畸变，维持负载端压为正弦。通过控制有源滤波器的补偿电压来改变负载端的电压，从而使电源电流为正弦。图2-3(e)与图2-3(c)方式等效。

(3)按电源相数分类

有源滤波器可分为单相、三相三线制、三相四线制等。

目前实际应用的装置中，90％以上是电压型(指主电路形式)。从与补偿对象的连接方式来看，可分为并联型和串联型，目前运行的装置几乎都是并联型，这是一种最为基本的形式，可以作为研究其它方式的基础。

此次课程设计使用的是现在使用较广，且比较基础的三相三线制并联电压型有源电力滤波器。

2、 有源电力滤波器的基本原理

并联型有源滤波器主要由两大部分组成，即谐波、无功电流检测电路和补偿电流的产生电路等部分组成。其中补偿电流发生电路包括电流跟踪控制电路，驱动电路和逆变主电路。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，但不仅仅是作为逆变器而工作的，如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。其中指令电流的运算核心是谐波及无功电流检测算法，补偿电流产生电路的核心是电流控制策略。

有源电力滤波器的结构原理如图2-4所示。图中的U~和Z分别为市电电网电压和负载，有源电力滤波器由电流检测电路和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。

三、谐波电流检测方法

1、三相电路瞬时无功功率理论的概述

2、p-q运算方式

四、补偿电流控制策略

1、正弦脉冲宽度调制原理

(1)单相SPWM的基本原理

(2)三相SPWM的基本原理

2、有源滤波器的控制策略

(1)三角波比较法

(2)电流滞环控制方法

3、直流侧电压控制

五、硬件设计与元件选型

1、主电路

(1)电路图及其数学模型

(2)主电路开关器件的选择

目前用于并联型有源电力滤波器的全控型器件主要有BJT，IGBT，GTO晶闸管等，器件的选择，首先应当满足工作频率和器件容量的要求，在满足工作频率和容量要求的情况下，还应该考虑器件的价格。近年来，在中小容量变流设备中，IGBT基本取代了功率MOSFET和GTR，成为应用最广泛的功率开关器件。

(3)并联型电力有源滤波器的接入点及确定其电压等级

并联型有源电力滤波器的接入点的选择应遵循以下两个原则：何处产生谐波就在何处补偿；力求补偿效果最好。

根据接入系统的电压等级来选择主电路与系统的连接方式。接入380V的交流系统时，可通过电抗器接入。

(4)直流侧电容电压以及等效电感L的选择

并联型有源电力滤波器的输出电流的变化率要大于或等于被补偿电流的变化率，并联型有源电力滤波器输出电流才可以实时跟踪补偿电流的变化，所以并联型有源电力滤波器的输出电流的变化率成为衡量有源电力滤波器性能的重要指标。提高输出电流的变化率的方法有：

(5)主电路的容量

(6)主电路直流侧电容的选取

(7)数字低通滤波器的选择

2、驱动保护电路

六、有源滤波器仿真模型的建立

1、系统整体仿真模块

仿真模型中电路参数为：电源相电压220V／50Hz，直流侧电容4533uF，直流侧给定电压1000V，交流侧电感7mH，负载为带8Ω电阻与4533uF电容并联的二极管不控整流桥，低通滤波器选择二阶Butterworth滤波器，截止频率设为10kHz，三角波频率为15kHz。

2、谐波检测与直流侧电压控制模块

谐波检测与直流侧电压控制采用ip-iq电流检测法。

3、控制模块

控制方法为三角波控制法。

4、仿真结果

七、总结与体会

电力电子技术课程设计转眼间就结束了，刚刚拿到题目时我非常迷茫，因为仅凭现有知识根本没有办法完成，甚至读完题目后脑子里都没有一个完整的概念。从拿到题目起，我就开始认真研读教材，去图书馆查阅相关书籍资料，同时也利用网络平台查找相关论文来学习。从开始的一窍不通，慢慢的有了相关知识的概念，接着按照给出的算法一点点推理、理解、运算，再自己学习相关软件并画图仿真，每一步都走得很艰辛，却又异常充实。

但是令我感到非常遗憾的是，由于时间和能力所限，部分有关有源滤波的知识和算法还没有完全理解，也不能做到灵活运用，经过仿真的波形和数据不知是否达到了题目的要求，硬件电路图的设计运行情况也堪忧。但是这些遗憾和不足我也记在心里，在今后的学习中我还将不断完善此次课程设计的缺陷。

此次课程设计不仅让我夯实巩固了电力电子技术及DSP等电气专业学生应该掌握的相关知识，弥补了学习上的漏洞，同时也加强了我的动手实践能力，让知识不止停留在课本上，运用在考试中，而是在实际的工作、科研中也能熟练运用，这种能力的意义及重要性不言而喻。更难能可贵的是，这次课程设计也锻炼了我吃苦耐劳、不怕困难、直面挑战、坚持不懈的良好品质，遇到困难不气馁、不抛弃、不放弃，而是潜下心来认真仔细的认识问题、分析问题、解决问题、总结问题，这种品质将使我终生受益。

最后非常感谢吴志虎老师的悉心指导与帮助，您对《电力电子技术》这门课程的精彩讲授打开了我们对电力电子认知的大门，也为此次课程设计打下了坚实的理论基础。同时也要感谢我的同班同学及室友的帮助，你们毫无保留的讲解不仅让我解决了一个又一个的问题，也让我更加深刻的认识到了同窗之情的可贵。

虽然此次课程设计结束了，但我将带着已经收获的知识、能力及品质坚持不懈、不断努力、继续前行！书山有路勤为径，学海无涯苦作舟！

完整的Word格式文档51黑下载地址：

电力电子技术课程设计报告 三相有源电力滤波器.docx (1.19 MB, 下载次数: 39)