信息科學與工程學院本科生報告

題目名稱：三相有源電力濾波器設計與仿真

題目內容：要求學生在深入學習和分析三相有源電力濾波器的組成和工作原理基礎上，完成主電路和驅動保護電路的硬件設計與元件選型，并在MATLAB SIMULINK平臺上，完成諧波電流檢測算法、直流電壓和輸出電流控制的仿真。

一、諧波概述及其治理

1、諧波的基本概念

2、諧波的危害

(1)諧波對電網的污染

理想的電網所提供的電壓應該是頻率固定，電壓幅值在允許的范圍之內，諧波對電網的污染使電網供電質量惡化，使同一電網上的用電設備受到嚴重影響，甚至危及用電設備的正常運行。

(2)諧波引發各種電力電子設備出現故障

諧波使系統中的元件產生附加的諧波損耗，除降低了發電，輸配電和其他用電設備的效率以外，在三相四線制的電路中，由于大量的零序諧波電流，特別是3次諧波電流流過中線，會引起中線過熱，有引發火災的危險。另外，異常的，過大的中線電流的增加，會導致電網中線對地線的電壓突增，將危及數據處理系統的安全。諧波對于旋轉電機來說，除了增加損耗和引起發熱外，還會產生機械振動，噪聲和諧波過電壓，這對電動機的壽命造成嚴重的影響。諧波電流流入變壓器，會增加變壓器的銅損和鐵損，引起變壓器發熱。諧波還會使變壓器的噪聲變大。諧波電流流經電力電纜，令電纜發生過熱，長期的過熱運行將導致電纜的絕緣老化，甚至產生漏電和短路現象。

(3)諧波引起諧振

為了補償無功功率和濾除諧波，常常需要并聯電容器，或者設置電容器和電感器組成的濾波器。由于諧波頻率高于工頻頻率，會使系統的感抗增加，容抗減少，有可能產生LC諧振。諧振放大了諧波電流，是電容器或電感器燒毀。

(4)諧波造成繼電器誤動作，并影響電力測量

電力系統中的諧波將會使某些繼電器和漏電保護開關產生誤動作。諧波對電壓表，電流表和功率表等計量儀表的測量結果帶來直接影響。

(5)諧波對IT設備的危害

在計算機機房中，大量使用PC，服務器，交換機等整流濾波型非線性負載，它們向電網注入零序電流，使電網受到污染。反過來，電網的低功率因數會影響IT設備的正常運行。

(6)諧波通信干擾通信系統

電力系統傳輸功率可達MW級，而通信系統的功率小到mW級，兩者如此大的功率級差，導致電力系統中相對小的不平衡音頻諧波分量，一旦耦合到通信線路上，可能在通信系統中產生很大的噪聲。噪聲將降低通話的清晰度，甚至引起信號的丟失。

3、諧波治理的作用和意義

(1)諧波研究的意義，首先在于諧波的危害十分嚴重；

(2)諧波研究的意義，還在于其對電力電子技術自身發展的影響。電力電子技術是未來科學發展的重要支柱。有人預言，電力電子技術連同運動控制將和計算機技術一起稱為21世紀最重要的兩大技術[71。然而，電力電子裝置所產生的諧波污染己成為阻礙電力電子發展的重大障礙，它迫使電力電子領域的研究人員必須對諧波問題進行更為有效的研究；

(3)諧波研究的意義，更可以上升到從治理環境污染，維護綠色環境的角度來認識。對電力系統這個環境來說，無諧波就是“綠色"的主要標志之一。目前，對地球環境的保護已成為全人類的共識。對電力系統諧波污染的治理也已成為電工科學技術界必須解決的問題。

4、諧波治理的措施

諧波抑制是提高電能質量，保證供用電設備安全可靠運行的重要手段之一。減小諧波影響的技術措施可以從兩方面入手：一是從諧波源出發，減少諧波的產生；二是安裝濾波裝置。諧波抑制的措施主要包括一下幾個方面：

(1)串聯電抗器

串聯電抗器對平滑諧波電流具有一定的作用，并且電路簡單，制造成本低，往往應用在整流器之前，例如：變頻器，調光器等。但由于其阻抗較高，損耗較大，因此其抑制諧波的作用受到限制。

(2)高功率因數變流器

如前面的介紹，電力電子裝置是電力系統最嚴重，最突出的諧波源。在各種電力電子裝置中，整流裝置所占的比例最大。因此，抑制整流裝置所產生的諧波是諧波治理的重要措施。

(3)無源濾波器

早期使用的補償裝置是LC無源濾波器。其主要思想是根據LC的串并聯諧振原理，為諧波分量提供一個低阻通路，同時提供一定的無功補償。LC無源濾波器由于其構造簡單，一直被廣泛使用。在實際應用中，這些補償裝置雖然對補償無功和諧波均達到了一定的效果，但其只能補償固定頻率的諧波，而且補償特性易受電網阻抗和運行狀態的影響，容易與系統發生諧振，并且存在工作點固定、體積大等缺點，難以滿足大范圍、動態補償的要求。為解決傳統無源濾波器的局限性，人們做了很多的研究和探索，其中最有代表性的是有源電力濾波技術的提出。

(4)有源濾波器

電力有源濾波器的基本思想形成于上個世紀六七十年代，是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，80年代以來，由于新型電力半導體器件的出，PWM技術的發展，以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測法的提出，有源濾波器得以迅速發展。有源濾波器具有以下一些特點：

① 實現動態補償，可對頻率和大小均變化的諧波及變化的無功功率進行補償，對補償對象的變化有極快的響應速度；

② 有源濾波裝置是一個高阻抗電流源，它的接入對系統阻抗不會產生影響，因此此類裝置適合系列化、規模化生產；

③ 當電網結構發生變化時裝置受電網阻抗的影響不大，不存在與電網阻抗發生諧波的危險，同時還能抑制串并聯諧振；

④ 補償無功功率時不需要儲能元件，補償諧波時所需要的儲能元件不大；

⑤ 用同一臺裝置可同時補償多次諧波電流和非整流倍次的諧波電流；

⑥ 當線路中的諧波電流突然增大時有源濾波器不會發生過載，并且能正常發揮作用，不需要與系統斷開；

⑦ 裝置可以僅輸出所需補償的高次諧波電流，不輸出基波無功功率。

基于以上這些特點，有源濾波器受到廣泛重視，成為電力電子應用研究極具生命力的發展方向。許多制造商都在制造有源濾波器。國內許多研究機構和高等院校也在積極開展這方面的研究工作，并取得了許多研究成果。

二、有源電力濾波器的構成及原理

1、有源電力濾波器的系統構成

(1)按直流側儲能元件分類

有源電力濾波器的主電路形式通常采用單個PWM逆變器結構，其按直流側儲能元件為電容或電感分為電壓型(如圖2-1)和電流型(如圖2-2)。對于某些需要大容量有源電力濾波器的場合，若采用單個器件的容量不易滿足要求，有關文獻提出可采用多重化的主電路形式。圖中的電力電子開關器件為IGBT，實用中可在GTO晶閘管、BJT、IGBT、電力MOSFET等器件中選擇。

電壓型APF與電流型APF主電路特點主要分為以下幾個方面：

① 電壓型APF的直流側接有大電容，在正常工作時，其電壓基本保持不變，可看作電壓源；電流型APF的直流側接有大電感，在正常工作時，其電流基本保持不變，可看作電流源；

② 對于電壓型APF，為保持直流側電壓不變，需要對直流側電壓進行控制；對于電流型APF，為保持直流側電流不變，需要對直流側電流進行控制；

③ 電壓型APF的交流側輸出電壓為PWM波，電流型PWM逆變器的交流側輸出電流為PWM波。與電壓型APF相比，電流型APF的一個優點是，不會由于主電路開關器件的直通發生短路故障。但是，電流型APF直流側大電感上始終有電流流過，該電流將在大電感的內阻上產生較大的損耗，因此目前較少采用；

④ 與電流型APF相比，電壓型APF效率高，初期投資少，可任意并聯擴
容，易于單機小型化，成本低，適用于電網級諧波補償。

(2)按拓撲結構分類

圖2-3(a)是單獨使用的并聯型有源濾波器，為電力有源濾波器基本的構成方式。PWM變流器并聯在電網上，相當于一個受控電流源，產生與負載諧波電流大小相同而方向相反的補償電流，使得電源電流被補償為正弦。此種構成的電源基波電壓全部加在變流器上，因而裝置容量較大。這種電力有源濾波器具有連續調節無功功率的功能，能在補償諧波的同時動態補償無功功率。

圖2-3(b)是與LC濾波器并聯使用的并聯型有源濾波器。圖(b)中的LC濾波器主要是用來與有源濾波器分擔補償低次的諧波，則可降低所需變流器的容量，而較高次的諧波則由有源濾波器來補償。這種方式的有源濾波器也可以對無功功率進行調節。

圖2-3(c)是與LC濾波器串聯使用的并聯型有源濾波器。圖(c)中的有源濾波器主要不只是用來補償諧波，而且還用來抑制LC濾波器與電網阻抗之問的并聯諧振，即所謂的諧波放大現象，以改善LC濾波器的諧波補償效果。其變流器不承受基波電壓，因而變流器的裝置容量大大減小。

圖2-3(d)是單獨使用的串聯型有源濾波器。圖2-3(e)是與LC濾波器混合使用的串聯型有源濾波器。圖2-3(d)和2-3(e)的有源濾波器均通過變壓器串聯在電源和負載之間，相當于一個受控電壓源。圖2-3(d)方式可以消除電源電壓可能存在的畸變，維持負載端壓為正弦。通過控制有源濾波器的補償電壓來改變負載端的電壓，從而使電源電流為正弦。圖2-3(e)與圖2-3(c)方式等效。

(3)按電源相數分類

有源濾波器可分為單相、三相三線制、三相四線制等。

目前實際應用的裝置中，90％以上是電壓型(指主電路形式)。從與補償對象的連接方式來看，可分為并聯型和串聯型，目前運行的裝置幾乎都是并聯型，這是一種最為基本的形式，可以作為研究其它方式的基礎。

此次課程設計使用的是現在使用較廣，且比較基礎的三相三線制并聯電壓型有源電力濾波器。

2、 有源電力濾波器的基本原理

并聯型有源濾波器主要由兩大部分組成，即諧波、無功電流檢測電路和補償電流的產生電路等部分組成。其中補償電流發生電路包括電流跟蹤控制電路，驅動電路和逆變主電路。作為主電路的PWM變流器，在產生補償電流時，主要作為逆變器工作，但不僅僅是作為逆變器而工作的，如在電網向有源電力濾波器直流側儲能元件充電時，它就作為整流器工作。其中指令電流的運算核心是諧波及無功電流檢測算法，補償電流產生電路的核心是電流控制策略。

有源電力濾波器的結構原理如圖2-4所示。圖中的U~和Z分別為市電電網電壓和負載，有源電力濾波器由電流檢測電路和PWM-主電路組成。電流檢測電路的作用是檢測負載電流中的諧波分量和無功電流分量，主電路為雙向功率傳輸的逆變電路，PWM為逆變電路的控制電路，PWM-主電路的作用是對負載電流中的諧波分量和無功電流分量進行補償。

三、諧波電流檢測方法

1、三相電路瞬時無功功率理論的概述

2、p-q運算方式

四、補償電流控制策略

1、正弦脈沖寬度調制原理

(1)單相SPWM的基本原理

(2)三相SPWM的基本原理

2、有源濾波器的控制策略

(1)三角波比較法

(2)電流滯環控制方法

3、直流側電壓控制

五、硬件設計與元件選型

1、主電路

(1)電路圖及其數學模型

(2)主電路開關器件的選擇

目前用于并聯型有源電力濾波器的全控型器件主要有BJT，IGBT，GTO晶閘管等，器件的選擇，首先應當滿足工作頻率和器件容量的要求，在滿足工作頻率和容量要求的情況下，還應該考慮器件的價格。近年來，在中小容量變流設備中，IGBT基本取代了功率MOSFET和GTR，成為應用最廣泛的功率開關器件。

(3)并聯型電力有源濾波器的接入點及確定其電壓等級

并聯型有源電力濾波器的接入點的選擇應遵循以下兩個原則：何處產生諧波就在何處補償；力求補償效果最好。

根據接入系統的電壓等級來選擇主電路與系統的連接方式。接入380V的交流系統時，可通過電抗器接入。

(4)直流側電容電壓以及等效電感L的選擇

并聯型有源電力濾波器的輸出電流的變化率要大于或等于被補償電流的變化率，并聯型有源電力濾波器輸出電流才可以實時跟蹤補償電流的變化，所以并聯型有源電力濾波器的輸出電流的變化率成為衡量有源電力濾波器性能的重要指標。提高輸出電流的變化率的方法有：

(5)主電路的容量

(6)主電路直流側電容的選取

(7)數字低通濾波器的選擇

2、驅動保護電路

六、有源濾波器仿真模型的建立

1、系統整體仿真模塊

仿真模型中電路參數為：電源相電壓220V／50Hz，直流側電容4533uF，直流側給定電壓1000V，交流側電感7mH，負載為帶8Ω電阻與4533uF電容并聯的二極管不控整流橋，低通濾波器選擇二階Butterworth濾波器，截止頻率設為10kHz，三角波頻率為15kHz。

2、諧波檢測與直流側電壓控制模塊

諧波檢測與直流側電壓控制采用ip-iq電流檢測法。

3、控制模塊

控制方法為三角波控制法。

4、仿真結果

七、總結與體會

電力電子技術課程設計轉眼間就結束了，剛剛拿到題目時我非常迷茫，因為僅憑現有知識根本沒有辦法完成，甚至讀完題目后腦子里都沒有一個完整的概念。從拿到題目起，我就開始認真研讀教材，去圖書館查閱相關書籍資料，同時也利用網絡平臺查找相關論文來學習。從開始的一竅不通，慢慢的有了相關知識的概念，接著按照給出的算法一點點推理、理解、運算，再自己學習相關軟件并畫圖仿真，每一步都走得很艱辛，卻又異常充實。

但是令我感到非常遺憾的是，由于時間和能力所限，部分有關有源濾波的知識和算法還沒有完全理解，也不能做到靈活運用，經過仿真的波形和數據不知是否達到了題目的要求，硬件電路圖的設計運行情況也堪憂。但是這些遺憾和不足我也記在心里，在今后的學習中我還將不斷完善此次課程設計的缺陷。

此次課程設計不僅讓我夯實鞏固了電力電子技術及DSP等電氣專業學生應該掌握的相關知識，彌補了學習上的漏洞，同時也加強了我的動手實踐能力，讓知識不止停留在課本上，運用在考試中，而是在實際的工作、科研中也能熟練運用，這種能力的意義及重要性不言而喻。更難能可貴的是，這次課程設計也鍛煉了我吃苦耐勞、不怕困難、直面挑戰、堅持不懈的良好品質，遇到困難不氣餒、不拋棄、不放棄，而是潛下心來認真仔細的認識問題、分析問題、解決問題、總結問題，這種品質將使我終生受益。

最后非常感謝吳志虎老師的悉心指導與幫助，您對《電力電子技術》這門課程的精彩講授打開了我們對電力電子認知的大門，也為此次課程設計打下了堅實的理論基礎。同時也要感謝我的同班同學及室友的幫助，你們毫無保留的講解不僅讓我解決了一個又一個的問題，也讓我更加深刻的認識到了同窗之情的可貴。

雖然此次課程設計結束了，但我將帶著已經收獲的知識、能力及品質堅持不懈、不斷努力、繼續前行！書山有路勤為徑，學海無涯苦作舟！

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