【正文】 三相有源濾波器的仿真研究畢業(yè)論文目 錄摘 要 IABSTRACT II目 錄 III第一章 緒論 1 1 1 2 有源電力濾波器研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 3 3 4 4第二章 并聯(lián)型有源電力濾波器 6 有源電力濾波器 6 9 10 10 12 12 12 13 13 13 本章小結(jié) 13第三章 有源濾波器的諧波電流檢測技術(shù) 15 15 16 PWM控制方式的研究 19 定時(shí)瞬時(shí)值比較PWM控制方式 19 三角波比較PWM控制方式 19 滯環(huán)瞬時(shí)值比較方式 20 21第四章 三相串聯(lián)型有源電力濾波器的建模與仿真 22 Matlab/Simulink仿真軟件及其工具箱簡介 22 23 有源電力濾波器仿真模型設(shè)計(jì) 24 諧波源建模 24 并聯(lián)型有源電力濾波器建模 24 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析 28 本章小結(jié) 33第五章 總結(jié)與展望 34II 34 34致 謝 35參考文獻(xiàn) 36IV 第一章 緒論 隨著科學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展,電能在現(xiàn)代社會(huì)工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中成為了不可缺少的重要能源之一。目前,世界各國供電系統(tǒng)幾乎都采用正弦供電方式,理想狀況下,電網(wǎng)可近似為一個(gè)線性時(shí)不變系統(tǒng)；但是隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展,在現(xiàn)代化生產(chǎn)(特別是冶金、鋼鐵、化工）交通、樓宇自動(dòng)化及日常家庭生活中廣泛地應(yīng)用各種電力電子裝置,電力系統(tǒng)中的非線性負(fù)載比重不斷增大,電流和電壓波形產(chǎn)生周期性畸變。高度非線性裝置數(shù)量和額定容量的日趨增大,對(duì)電力系統(tǒng)地安全的、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行造成極大的影響,人們對(duì)諧波污染的問題越來越重視。因此研究如何有效的抑制諧波,改善電力系統(tǒng)安全性與經(jīng)濟(jì)性具有重要現(xiàn)實(shí)意義。 諧波被定義為“諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量,其頻率為基波頻率的整數(shù)倍”。最早在二十世紀(jì)二、三十年代電力系統(tǒng)的諧波污染就引起了人們的關(guān)注,四十年代中期才出現(xiàn)關(guān)于變流器諧波研究的經(jīng)典文獻(xiàn)。到了七十年代,電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭生活中廣泛應(yīng)用各種電力電子裝置,電力電子設(shè)備產(chǎn)生的諧波造成的危害也日趨嚴(yán)重,全世界不少國家己制定了電力系統(tǒng)和用電設(shè)備有關(guān)諧波和波形畸變的標(biāo)準(zhǔn)。通常在電力系統(tǒng)中波形的畸變主要來源于兩大因素:第一是接入電網(wǎng)的電阻、電容、電感元件的非線性特性,比如發(fā)電機(jī)、變壓器等設(shè)備。第二是大量使用的電力電子裝置,變流器在提高電力裝置的性能的同時(shí)也造成了波形的畸變。日趨嚴(yán)重的諧波對(duì)電力系統(tǒng)的危害概括起來主要有以下幾個(gè)方面: 當(dāng)高頻電流通過導(dǎo)體時(shí),由于集膚效應(yīng)的影響導(dǎo)體增加了對(duì)諧波電流的實(shí)際阻感負(fù)載,從而降低設(shè)備的效率和利用率,且設(shè)備過熱,此外還加大了發(fā)電、輸電、供電和用電設(shè)備的功率損耗； 對(duì)電力系統(tǒng)中繼電保護(hù)和自動(dòng)控制裝置工作的可靠性產(chǎn)生影響。電力系統(tǒng)中繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置大多以基波負(fù)序量為基礎(chǔ),諧波會(huì)引起發(fā)電機(jī)負(fù)序電流保護(hù)裝置誤動(dòng)作、變電站主變復(fù)合電壓過流保護(hù)裝置的啟動(dòng)電壓的負(fù)序分量的誤行動(dòng)、總線差動(dòng)保護(hù)負(fù)序電壓阻斷裝置故障,對(duì)電力系統(tǒng)的安全的危害性較大； 電力系統(tǒng)線路上的諧波電流大多為低頻、奇次諧波分量,由于磁場耦合,在電力線路附近的線路中對(duì)通信系統(tǒng)造成不必要的干擾,影響通信線路的正常工作品質(zhì),更嚴(yán)重的情況還會(huì)對(duì)通信設(shè)備和相關(guān)人員的安全造成威脅； 諧波會(huì)使用電設(shè)備內(nèi)的元件過熱,影響用電設(shè)備的運(yùn)行效果,例如電視機(jī)和計(jì)算機(jī)的圖形出現(xiàn)畸變、畫面亮度發(fā)生波動(dòng)變化,計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)發(fā)生故障。 隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展,廣泛應(yīng)用電力電子元器件所產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的污染不容忽視。為了響應(yīng)社會(huì)推動(dòng)節(jié)能減排的號(hào)召,提倡建設(shè)生態(tài)環(huán)保、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)高效的新型綠色電網(wǎng)模式,迫切需要對(duì)日益凸顯的諧波污染問題進(jìn)行有效的治理。日前,在電力系統(tǒng)中抑制或減少諧波主要從以下兩個(gè)方面進(jìn)行: 主動(dòng)型手段諧波源裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和增加輔助控制策略 目前電力系統(tǒng)中大量使用的可控和不可控整流器,針對(duì)此類整流器造成的諧波主要治理手段有以下幾種: (l)變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 三相整流變壓器多采用Y/d或D/y的結(jié)構(gòu),多用于消除3k次諧波； (2)多相整流技術(shù)對(duì)于大功率相控整流器大多采用多相整流的方法,這樣整流裝置注入電力系統(tǒng)的諧波電流成分可以明顯減少； (3)脈寬調(diào)制PWM(Pulse width Modulation)整流技術(shù) 通過改變周期或頻率,使直流電壓變換為等幅不等寬的交流輸出電壓；但功率器件大多需要具有自關(guān)斷功能,提高了成本,從而不適合大功率使用； (4)功率因素校正器(Power Factor Corrector，PFC) 目前市場上大多家電、個(gè)人計(jì)算機(jī)、辦公電子設(shè)備中大量使用帶電容濾波的二極管整流電路,這種電路輸入電流中含有大量諧波成分,輸出不可控電壓；在整流橋和濾波電容之間增加一級(jí)校正功率因數(shù)的功率變換電路,在預(yù)調(diào)整器的直流側(cè)通過控制保證網(wǎng)側(cè)電流為正弦電流并與電網(wǎng)電壓同相。 被動(dòng)型手段添加濾波裝置主動(dòng)型諧波治理手段雖然可以有效的限制諧波的產(chǎn)生,但不可能徹底消除諧波,目前諧波治理的有效手段是添加濾波裝置。傳統(tǒng)方法是使用無源電力濾波器,利用感性負(fù)載的諧振特性,可以減小流入電網(wǎng)的諧波電流和完成無功補(bǔ)償；雖然結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易維護(hù),但結(jié)構(gòu)原理上的缺點(diǎn)使得它很難滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的要求。隨著新型電子半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)與脈寬調(diào)制技術(shù)的發(fā)展,人們開始致力于APF的研究。APF與PPF特點(diǎn)比較如表ll所示:表11 無源濾波器與有源濾波器的比較無源濾波器有源濾波器工作原理由LC等被動(dòng)元件組成，將其設(shè)計(jì)為某頻率下極低阻抗，對(duì)相應(yīng)頻率諧波電流進(jìn)行分流，其行為模式為提供被動(dòng)式諧波電流旁路通道采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)和基于高速DSP器件的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)制成的新型電力諧波治理專用設(shè)備，通過檢測負(fù)載諧波電流，生成與電網(wǎng)諧波電流幅值相等、極性相反的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償或抵消，主動(dòng)消除電力諧波諧波處理能力只能濾除固定次數(shù)的諧波能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償頻率變化的影響諧振點(diǎn)偏移，效果降低不受影響系統(tǒng)阻抗變化的影響受系統(tǒng)阻抗影響嚴(yán)重，存在諧波放大和共振的危險(xiǎn)不受影響負(fù)載變化對(duì)諧波補(bǔ)償效果的影響補(bǔ)償效果隨負(fù)載變化而變化不受影響負(fù)載增加的影響可能因?yàn)槌d而損壞無損壞危險(xiǎn)，諧波量大于補(bǔ)償能力時(shí)，僅發(fā)生補(bǔ)償效果不足而已設(shè)備造價(jià)較低較高應(yīng)用場合 容量單套無限制容量單套不超過100KVA最高適用電網(wǎng)電壓可達(dá)3000V最高適用電網(wǎng)電壓不超過450V廣泛用于電力、油田、鋼鐵、冶金、煤礦、石化、造船、汽車、新能源等行業(yè)電信、醫(yī)院等用電功率較小且諧波率較高的單位 有源電力濾波器研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 近年來隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展,特別是GTO、IGBT等自關(guān)斷器件的出現(xiàn)和高性能DPS芯片的應(yīng)用,電力有源濾波器已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段,日本及歐美國家開始使用電力有源濾波器來補(bǔ)償電網(wǎng)中的諧波以提高電能的質(zhì)量。二十世紀(jì)八十年代初日本成功研制并投入實(shí)際使用世界第一臺(tái)APF以來,據(jù)日本電氣學(xué)會(huì)對(duì)APF在日本應(yīng)用情況的調(diào)查,在工業(yè)應(yīng)用中,APF主要用于補(bǔ)償諧波,%。目前,世界上有源電力濾波器的主要研發(fā)和生產(chǎn)廠家有日本東芝公司、日本Mitsubishi Electric公司、美國西屋電氣公司、德國Siemens公司、瑞士ABB公司等,在投入運(yùn)行的APF數(shù)目、功率范圍、應(yīng)用功能、系統(tǒng)安裝容量等方面都有新的突破,APF的研究日趨受到關(guān)注。此外,國際一些高校及學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)也對(duì)有源濾波器進(jìn)行了深入廣泛的高水平研究。 我國對(duì)諧波問題的研究起步較晚,80年代末期才出現(xiàn)這方面的文獻(xiàn),以1988年吳竟昌等出版了我國有關(guān)諧波問題非常經(jīng)典的著作《電力系統(tǒng)諧波》為代表；此外國內(nèi)高校如中南大學(xué)、湖南大學(xué)、西安交通大學(xué)等對(duì)有源電力濾波器也開展了深入的研究,并成功研發(fā)了許多實(shí)驗(yàn)樣機(jī)；同時(shí)我國市場最近也逐漸出現(xiàn)了一些企業(yè)自主研發(fā)的APF產(chǎn)品,例如:上海寶鋼安大電能質(zhì)量有限公司研發(fā)生產(chǎn)的PQFA低壓APF、上海追日電氣有限公司生產(chǎn)的JCBL系列、ZRAF系列的、APF裝置；此外,國內(nèi)部分公司代理國外APF產(chǎn)品,如上?；锇榧夹g(shù)咨詢公司代理美國Square D公司的Accusine、深圳市龍?jiān)措姎庥邢薰敬鞟etiveSine、SineWave電網(wǎng)有源濾波補(bǔ)償裝置、深圳市科雷特電子有限公司代理諾基亞MaxSine型有源濾波器等。 隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)電能質(zhì)量要求的日益提高,APF作為有效治理電網(wǎng)諧波的手段也得到了日益廣泛的應(yīng)用。目前國內(nèi)外對(duì)APF的研究主要集中在諧波電流檢測方法、控制系統(tǒng)、主電路設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面。雖然己經(jīng)研制出一些樣機(jī)與產(chǎn)品投入使用,但對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量進(jìn)行補(bǔ)償?shù)男Ч€存在缺陷,APF的發(fā)展趨勢體現(xiàn)在諸如以下幾個(gè)方面： 應(yīng)該更加深入研究新型的諧波電流檢測方法和跟蹤控制策略,提高算法的實(shí)時(shí)性與簡潔性； 為了降低成木和提高效率,大多采用混合型APF系統(tǒng)來降低裝置容量。例如對(duì)于大功率濾波裝置,可采用APF并聯(lián)LC濾波器混合使用的APF系統(tǒng)來減小容量,降低成本,提高效率；另外還可在供電系統(tǒng)的供電側(cè)安裝稱為“統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器”,其功能強(qiáng)大、性價(jià)比高,是APF的發(fā)展新趨勢之一；提出新的APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),提高系統(tǒng)補(bǔ)償性能,簡化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；通過采用PWM調(diào)制和提高開關(guān)器件等效開關(guān)效率的多重化技術(shù),對(duì)于容量小于2MVA的APF,通常采用IGBT及PWM技術(shù)進(jìn)行諧波補(bǔ)償；對(duì)于容量大于5MVA的APF,通常采用GTO及多重化技術(shù)進(jìn)行諧波補(bǔ)償； APF的多功能化,使之不僅可以補(bǔ)償