【正文】 電力諧波及有源濾波器設(shè)計(jì) 電力諧波及有源濾波器設(shè)計(jì) 作者姓名：張 吉 專業(yè)名稱：電氣工程及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師：王 安 講師 摘要 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，非線性負(fù)載的使用越來越普遍，產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)的危害日益嚴(yán)重，若不加以控制，將會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行，所以對(duì)電網(wǎng)諧波進(jìn)行補(bǔ)償越來越重要。有源電力濾波器是一種新型的諧波及無功電流動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置，與傳統(tǒng)的無源 LC 電力濾波器相比，具有響應(yīng)速度快、補(bǔ)償效果好、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。通過深入研究有源電力濾波器的諧波與無功電流檢測(cè)方法，對(duì)基于三相電路瞬時(shí)無功功率理論的 法和法的原理進(jìn)行了分析，由于法的優(yōu)勢(shì)，選定其為諧波檢測(cè)方法；文中還詳細(xì)分析了有源電力濾波器的控制策略，確定采用滯環(huán)比較控制法來對(duì)補(bǔ)償電流進(jìn)行控制，采用閉環(huán)控制對(duì)直流側(cè)電壓進(jìn)行控制；論文還對(duì) DSP 芯片 TMS320F2812 進(jìn)行了初步的介紹，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了并聯(lián)型有源電力濾波器。 關(guān)鍵詞 ：諧波電流 瞬時(shí)無功功率理論 控制策略 DSP 有源電力濾波器 Abstract With the rapid development of electric power and electronic technology, nonlinear load have been widely used, the harmonic makes increasing serious impact against the electric work, if unchecked, it will seriously affect the entire electric work, therefore, the harmonic pensation has bee much more important. APF is a new harmonic and dynamic reactive pensation devices, pare with the traditional passive LC filter, APF has the advantages of fast response, good pensation and dynamic pensation. This article summarizes the research and development of harmonic at home and abroad, overview the development trend of active power filter, and discussed the structure and active power filter works. From depth depthstudy of the detection of harmonic and reactive current for APF , we analysis the pq method and ipiq method based on the instantaneous reactive power theory, because of the superiority of ipiq method, we selected it as harmonic detection. we indepth analysis the control strategy for APF, determine the hysteres is control method used to control the pensation current. determine the closedloop control used to control DC voltage. In the pager we introduced DSP chip TMS320F2812. On this basis, I devices APF. After, I used C language written DSP software. Finally, the article also carried a MATLAB simulation of the harmonic detection for modeling, simulation analysis. This disseration also designs were reviewed, summarized the advantages of active power filter and proposed design deficiencies. Keywords: Harmonic current,Instantaneous reactive powertheory, Control strategy,DSP,APF 目錄 電力諧波及有源濾波器設(shè)計(jì) I 摘要 I Abstract II 目錄 III 前言 1 1 有源濾波器的初步規(guī)劃 3 課題研究的背景及意義 3 諧波問題的研究和發(fā)展 3 諧波問題 3 諧波標(biāo)準(zhǔn) 4 諧波主要指標(biāo) 5 諧波的治理 6 有源電力濾波器的簡(jiǎn)介 7 有源電力濾波器的發(fā)展歷史 7 有源電力濾波器的發(fā)展趨勢(shì) 8 本文的主要工作 8 2 有源電力濾波器的原理及其結(jié)構(gòu) 10 有源電力濾波器的原理 10 有源電力濾波器的分類 12 3 有源電力濾 波器的諧波檢測(cè)及控制策略 15 有源電力濾波器的諧波檢測(cè) 15 瞬時(shí)無功功率理論 15 三相電路諧波和無功的檢測(cè) 19 有源電力濾波器的控制策略 22 有源電力濾波器補(bǔ)償電流的控制 22 主電路直流側(cè)電壓的控制 24 4 并聯(lián)型有源電力濾波器的硬件設(shè)計(jì) 26 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 26 主電路設(shè)計(jì) 27 主電路參數(shù)設(shè)計(jì) 27 開關(guān)器件的選取 29 控制電路設(shè)計(jì) 30 控制電路結(jié)構(gòu) 30 DSP 芯片簡(jiǎn)介 31 檢測(cè)與調(diào)理電路設(shè)計(jì) 33 電流信號(hào)檢測(cè)調(diào)理電路 33 電壓信號(hào)檢測(cè)調(diào)理電路 34 采樣觸發(fā)信號(hào)提取電路 35 總結(jié) 37 致謝 38 參考文獻(xiàn) 39 前言 19 世紀(jì)末，當(dāng)交流電剛剛步入人們的視線時(shí)，人們就發(fā)現(xiàn)了電流、電壓畸變的問題，并開始對(duì)畸變的原理和消除方法進(jìn)行研究。到 19 發(fā)表的有關(guān)變流器諧波的論文更是早期有關(guān)諧波研究的經(jīng)典論文。 20 世紀(jì) 70 年代以來，由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電力電子裝置的應(yīng)用日益廣范，諧波造成的危害也日趨嚴(yán)重，諧波隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，家用電器和電力電子器件等非線性負(fù)載應(yīng)用日益廣泛，由此產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)的影響和危害越來越嚴(yán)重。 理想的公用電網(wǎng)所提供的電壓是頻率固定并且電壓幅值在規(guī)定的范圍內(nèi)的正弦波，但實(shí)際電網(wǎng)中，由于非線性負(fù)載的大量使用，不僅使負(fù)載電流非正弦，而且負(fù)載電壓 也產(chǎn)生了畸變，從而使電網(wǎng)中產(chǎn)生了諧波電壓。由于科技水平和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，工業(yè)、商業(yè)和居民用電的電力設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的要求越來越高，所以電力系統(tǒng)諧波的研究和治理在世界范圍內(nèi)已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注。但是也存在著難以克服的缺陷：濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)影響較大，易產(chǎn)生串、并聯(lián)諧振；只能消除特定的幾次諧波，而對(duì)其他的某次諧波會(huì)產(chǎn)生放大作用；濾波、無功補(bǔ)償、調(diào)壓等要求之間有時(shí)難以協(xié)調(diào)；諧波電流增大時(shí)，濾波器負(fù)擔(dān)隨之加重，可能造成濾波器過載；有效材料消耗多，體積大。有源電力濾波器是一種動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能對(duì)頻率和大小都變化的諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償，可以彌補(bǔ)無源濾波器的不足，獲得比無源濾波器更好的補(bǔ)償特性。有源電力濾波器的工作原理是：有源電力濾波器通過電流互感器檢測(cè)負(fù)載電流，并通過內(nèi)部 DSP 計(jì)算，提取出負(fù)載電流中的諧波成分，然后通過 PWM 信號(hào)發(fā)送給內(nèi)部 IGBT，控制逆變器產(chǎn)生一個(gè)和負(fù)載諧波電流大小相等，方向相反的諧波電流注入到電網(wǎng)中，達(dá)到濾波的目的。到了 20 世紀(jì) 30 年代在德國(guó)，由于使用靜止汞弧變流器造成了電流、電壓波形的畸變，電力系統(tǒng)的諧波問題就引起了人們的關(guān)注和研究。 20 世紀(jì) 50 年代和 60 年代，高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了變流器諧波研究的進(jìn)一步深入。 諧波是由與電 網(wǎng)相連的各種非線性負(fù)載產(chǎn)生的。隨著電力電子裝置的日益增多和裝置容量的不斷加大，其產(chǎn)生的諧波比重也越來越大，目前已成為電力系統(tǒng)的主要諧波源。由于趨膚效應(yīng)，盡管諧波電流占總電流的比重很小，也會(huì)增加設(shè)備的附加損耗，這些損耗不僅增加電力系統(tǒng)的損耗，還使設(shè)備的溫升增加，加深設(shè)備老化。 3 降低負(fù)載工作性能。 4 對(duì)繼電保護(hù)、自動(dòng)控制裝置和計(jì)算機(jī)產(chǎn)生干擾及造成誤動(dòng)作。 5 影響測(cè)量?jī)x器的精度，造成電能計(jì)量誤差。 6 對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕則產(chǎn)生噪音，降低通信質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致信息丟失 ，使通信系統(tǒng)無法正常工作。在這些標(biāo)準(zhǔn)中，被廣泛接受的有 IEEE60519 標(biāo)準(zhǔn)和IEC605552 標(biāo)準(zhǔn)。IEC605552 對(duì)負(fù)載產(chǎn)生的諧波進(jìn)行限制，使負(fù)載注入電網(wǎng)的諧波在規(guī)定范圍內(nèi)。 我國(guó)的電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)始于 1984 年，由原水電部制定了《電力系統(tǒng)諧波暫行規(guī)定》 SD12684 。該標(biāo)準(zhǔn)適用于交流額定頻率為 50Hz，標(biāo)稱電壓 110kV 及以下的公用電網(wǎng)，不適用于暫態(tài)現(xiàn)象和短時(shí)間電流。 2 諧波電壓含量和諧波電流含量 13 14 3 電 壓諧波總畸變率和電流諧波總畸變率 15 16 4 注入 PCC 諧波畸變的測(cè)試點(diǎn) 的諧波電流限值 17 式中：是 PCC 點(diǎn)的最小短路容量；是基準(zhǔn)短路容量；是第 n 次諧波電流允許值。 電力系統(tǒng)中傳統(tǒng)的補(bǔ)償諧波和無功的裝置是 LC 無源電力濾波器， LC 無源電力濾波器因其既可以補(bǔ)償無功，又可以抑制諧波而一直被廣泛應(yīng)用。但由于結(jié)構(gòu)原理上的原因， LC 無源電力濾波器也存在著濾波補(bǔ)償特性依賴于電網(wǎng)和負(fù)載參數(shù)、 LC 參數(shù)的漂移會(huì)導(dǎo)致濾波特 性的改變、具有負(fù)的電壓調(diào)整效應(yīng)、重量大、體積大和容易同系統(tǒng)發(fā)生諧振的缺點(diǎn)。有源電力濾波器是一種動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無功的電力電子裝置，它能對(duì)頻率和大小都變化的諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償，可以彌補(bǔ)無源濾波器的缺點(diǎn)，獲得比無源濾波器更