有源电力滤波器.pdf
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1、 分类号 密级 U D C 编号 CENTRAL SOUTH UNIVERSITY 硕 士 学 位 论 文硕 士 学 位 论 文 论 文 题 目 并联型有源电力滤波器 的研究与设计 学科、专业 控制科学与工程 研究生姓名 伍海军 导师姓名及 专业技术职务 申群太 教 授 原 创 性 声 明 原 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及取得的研究成果。尽我所知,除了论文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的
2、说明。作者签名:日期:年 月 日 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文,允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论文的全部或部分内容,可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库,并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名:导师签名 日期:年 月 日 I摘摘 要要 随着电力电子装置的广泛使用,电网谐波污染越来越严重,而用户对电能质量的要求越来越高,因此,谐波治理已经成为电力领域主要研究和急需解决的问题
3、。有源电力滤波器(APF)以其优越的补偿性能,在综合治理“电网污染”方面是最有效和最具有发展前景的,而其中并联型有源电力滤波器(APF)应用最广泛。论文首先详细介绍了有源电力滤波器的基本原理、研究现状及其发展趋势,并介绍了有源电力滤波器的分类,重点分析了三相三线制并联型APF的主电路拓扑结构及其数学模型的建立。然后详细分析了基于瞬时无功功率理论的pq运算检测方法与改进的pqii运算检测方法的两种谐波检测方法并进行了对比研究,对低通滤波器的设计和系统延时补偿进行了研究,通过对改进的pqii运算检测方法的仿真研究,验证了该方法在不同情况下对谐波电流检测的可行性和正确性。针对谐波补偿中模糊自整定的递
4、推积分PI控制和滞环电流控制各自的优缺点,提出了模糊自整定的递推积分PI控制和滞环电流控制的复合控制方法,其中滞环电流控制用来提高系统的动态响应速度,而模糊自整定的递推积分PI控制则是用来保证系统的静态精度。并且为了保证有源电力滤波器直流侧电压的稳定,本文采用PI控制器来控制直流侧的电压,并通过matlab仿真研究,验证了复合控制算法既具有动态响应速度快又具有无稳态误差的特点,实现了无差控制。最后设计了基于TMS320F2812数字信号处理器的有源电力滤波器控制系统,并对其硬件和软件设计进行了详细论述。关键词关键词:谐波补偿,有源电力滤波器,电流检测,模糊自整定PI控制,滞环电流控制 IIAB
5、STRACT With the widespread use of power electronic devices,grid harmonic pollution become more and more serious,but high power quality has become increasingly demanding for users.Therefore,harmonic wave management has become a major research field and a urgent problem.Active power filter(APF)with it
6、s superior compensation performance is the most effective and promising in the comprehensive management of grid pollution,in which shunt active power filter(APF)is the most widely used.This Paper first introduces the basic principle of active power filter,current research situation and development t
7、rends,and describes the classification of active power filters,the emphasis is to analyze the main circuit topology and its mathematical model established of the three-wire three-wire shunt APF.Then,this paper has a detailed analysis of p-q computational detection method based on the instantaneous r
8、eactive power theory and improved ip-iq computational detection of harmonic detection method,and studies the two methods comparatively,and low-pass filter design and system delay compensation has been studied.Through the simulation study for the Improved computing detection method,it verifies that t
9、he method is feasible and correct.to detect the harmonic current in different situations.For their own advantages and disadvantages of self-adaptive fuzzy recursive integral PI control and hysteretic current control in harmonic compensation,this paper raises a combined control method that includes a
10、 fuzzy self-adaptive recursive integral PI control and hysteresis current control,in which hysteretic current control is used to improve the dynamic response speed of system and the self-adaptive fuzzy recursive PI control is used to ensure that the static accuracy.In order to ensure the stability o
11、f DC voltage in active power filter,we use the PI controller to control the DC voltage,and through the simulation of matlab,it verifies that the combined control algorithm has fast response time with no steady-state error characteristics,realizing no-error control.IIIFinally,this paper designs the a
12、ctive power filter control systembased on the TMS320F2812 digital signal processor,and its hardware and software design are discussed in detail.KEY WORDS:Harmonics compensation,active power filter,current detection,Fuzzy self-adaptive PI control,hysteretic current control IV目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 第一章
13、 绪论.1 1.1 课题研究的背景概述.1 1.2 谐波的危害和治理意义.2 1.3 谐波治理的措施.3 1.4 有源滤波技术的研究现状和发展趋势.4 1.5 本文的主要研究内容.5 第二章 有源电力滤波器的基本原理及拓扑结构研究.7 2.1 有源电力滤波器的基本原理.7 2.2 有源电力滤波器的分类.8 2.2.1 按应用场合的不同分类.9 2.2.2 按变流器直流侧储能元件的不同分类.9 2.2.3 按供电方式的不同分类.10 2.2.4 按与电网的接入方式的不同分类.11 2.3 并联型有源电力滤波器的主电路结构的研究.15 2.3.1 并联型有源电力滤波器主电路的数学模型.15 2.3
14、.2 LCL滤波器的特性分析.16 2.3.2 LCL滤波器的设计.18 2.4 本章小结.19 第三章 有源电力滤波器的谐波电流检测方法研究.20 3.1 谐波电流检测方法的研究现状.20 3.2 采用瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法.21 3.2.1 三相瞬时无功功率的基本理论.21 3.2.2 pq运算检测方式.24 3.2.3 改进的pqii运算检测方式.25 3.2.3 pq运算检测方法与改进的pqii运算检测方法的比较.27 3.3 低通滤波器(LPF)的设计.28 3.4 延迟时间的分析.30 3.5 仿真结果分析.31 3.6 本章小结.34 第四章 有源电力滤波器的控制策略
15、研究及仿真分析.35 4.1 有源电力滤波器(APF)控制的研究现状概述.35 V4.1.1 并联型APF控制方式的比较.36 4.1.2 有源电力滤波器的补偿电流跟踪控制方法.37 4.2 并联型APF的复合型电流跟踪控制算法研究.38 4.2.1 递推积分PI 控制算法.39 4.2.2 递推积分PI控制算法的稳态无差特性分析.40 4.2.3 模糊自整定的递推积分PI 控制算法.41 4.2.4 模糊自整定的递推积分PI 控制器的设计.42 4.2.5 滞环电流控制.46 4.2.6 复合控制.46 4.3 主电路直流侧电压的控制.48 4.4 仿真结果分析.50 4.5 本章小结.57
16、 第五章 基于 DSP 的有源电力滤波器控制系统的设计.58 5.1 控制系统的硬件设计.58 5.1.1 双电源供电的设计.59 5.1.2 电流检测电路设计.59 5.1.3 a 相电压过零检测电路.60 5.1.4 光电隔离电路设计.60 5.1.5 直流侧电压检测电路的设计.61 5.2 控制系统的软件设计.62 5.2.1 主程序.62 5.2.2 中断服务程序.63 5.3 本章小结.65 第六章 总结与展望.66 参考文献.68 致 谢.73 攻读硕士学位期间发表的论文.74 中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 1第一章 绪论 第一章 绪论 近几十年来,随着科学技术的发展和社会的
17、进步,电能已经成为人们生活和现代社会生产中最主要的和必不可少的重要能源,尤其是近几十年来电力电子装置在工业生产中的广泛应用,电力系统中的谐波污染随着非线性负载的容量和数量的增加而越来越严重,然而用户及电力网中的设备等对电能质量的要求也越来越高,因此,为解决日趋严重的谐波污染与越来越高的电能质量问题已经成为了当今科技工作者研究的重点问题12。而有源电力滤波器(Active Power Filter-APF)由于具有无源电力滤波器所无法实现的优点,因此受到广泛的重视,成为最近国内外供电系统谐波治理研究的热点。本章从课题研究的背景出发,探讨了谐波治理的研究意义和主要的治理措施,阐述了有源滤波技术的发
18、展概况和国内外研究现状,最后介绍了本论文的主要内容。1.1 课题研究的背景概述 1.1 课题研究的背景概述 电力系统中的波形畸变问题已经不是一个新现象,一直都是电力领域研究者所关注和研究的问题。在上世纪 20 年代和 30 年代的德国,研究工作者由静止汞弧变流装置引起的波形畸变问题提出了电力系统谐波的概念3。Read J.C.在 1945 年发表了The Calculation of Rectifier and Converter Performance Characteristics的文章,此文阐述了有关静止变流装置产生的谐波问题。在上世纪50年代和60年代,随着高压直流输电技术迅速的发展,
19、进一步推动了变流装置谐波问题的研究,并且在这一时期发表了大量有关谐波问题的经典论文23。Kimbark E.W.在其著作Direct Current Transmission中对此问题进行了详细的总结。而我国对谐波治理问题的研究起步比较晚。吴竞昌等1988年出版的 电力系统谐波 一书是我国关于谐波问题研究早期比较有影响的著作。后来,许克明等也于1991年出版了 电力系统高次谐波 一书,夏道止等在1994年出版了高压直流输电系统的谐波分析及滤波一书等等,这些著作和论文都对人们认识和研究谐波问题作出了非常大的贡献。在1998年,王兆安等出版的谐波抑制和无功功率补偿一书是国内到目前为止比较全面的介绍
20、谐波问题分析和治理措施的著作,特别是其中关于有源电力滤波器的分析和研究,被国内好多研究专家者们广泛的引用和参考228。近几年来,国内许多期刊和一些会议上发表的有关谐波治理问题的研究文章也越来越多,谐波治理问题已经中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 2成为当今的研究热点问题。因此可以说,虽然我国对谐波问题的研究起步比较晚,但是经过最近二三十年的研究和发展,许多研究者和电力行业专家对电力谐波问题的研究做出了巨大的贡献,与国外对谐波问题的研究水平的差距越来越小。近年来,随着我国经济建设的飞速发展,特别是最近电力电子技术的迅速发展,在现代实际工业应用场合中,非线性用电设备的种类、数量和用电量等飞速增加
21、,如:电力电子变流装置、电弧炉、电焊机等等。从而导致了电网中的谐波含量增加,严重影响了电网和用户的正常运行。为了避免此类谐波问题的严重危害,许多国家和国际组织制订了限制用户的用电设备谐波的标准,主要有IEEE 519标准和IEC 5552标准等45。由于有谐波标准的规定,从而使得生产电力电子装置的厂家必须采取措施来降低其产品产生的谐波。因此,研究消除或减少电力网中的电力电子变流装置所产生的谐波不仅仅是要严格贯彻执行国家相应的电气标准,也是有效改善电力网中的电能质量、提高电力网的运行效率,维护电力系统中的电气设备的安全稳定工作的电气环境所迫切要求的。因此,谐波治理问题的研究是当前社会电力学科研究
22、的热点问题之一。1.2 谐波的危害和治理意义 1.2 谐波的危害和治理意义 近几十年来,随着电力电子技术的飞速发展,大功率开关器件在现代工业和日常生活中得到了广泛的应用,如:电力电子变流装置、电弧炉等。使得电网电压和电流波形产生了严重的畸变,不是正常的正弦波,给公用电网中注入了大量的高次谐波,严重影响了电气设备的正常运行,由谐波污染引起的各种故障和事故也不断发生。因此,电力系统谐波危害的严重性引起了人们的高度重视。目前电力系统谐波污染对电力系统和接入电力网中的其他电气设备产生的严重危害主要有以下几个方面45:(1)由于谐波的影响,增加了电力网中的元器件产生的附加谐波损耗。高次谐波频率加大了输电
23、线的谐波电阻,从而使谐波电流增大了线路损耗,大大地降低了发电、输电以及用电设备的效率;此外,大量的3次谐波电流通过中线时会使线路过热甚至发生火灾。(2)谐波会影响接入电网中的用电设备的正常工作。如使电动机增加附加损耗,使其发热,缩短使用寿命等。(3)容易使公用电力网中发生局部并联或串联谐振,引起过电压或过电流,使电力网中的电容器、输电线路等绝缘老化,甚至会造成严重的事故。(4)谐波会导致继电保护装置的误动作,并会使电气测量仪表的测量不够准确。中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 3(5)谐波会使周边的通信设备造成干扰,甚至会导致整个通信系统的瘫痪。由上述分析可知,对电能质量的评价不能仅用频率和电
24、压这两个指标了,谐波已成为评价电能质量的另一个重要指标。因此,无论是从保障电力系统的正常运行的角度看,还是从用户用电设备的正常工作的角度看,有效地治理谐波,将谐波含量限制在允许范围之内,给电网营造一个良好的电气环境,即“绿色电网”,已经成为现在电力研究领域所必须解决和重点研究的问题。因此,必须采取有效的措施来抑制它们的影响。目前我国谐波治理的水平还不是太高,因此目前对谐波治理问题的研究具有十分重要的理论和实际意义。1.3 谐波治理的措施 1.3 谐波治理的措施 目前谐波治理的措施主要有三种26:一是受端治理方式,即是从受到谐波影响的设备或者系统出发,提高它们抗谐波的干扰能力,如选择适当的供电方
25、式,可以减少谐波对电网和用电设备的影响,可以改变接入电网中的电容器组的投入情况,减少电容器对谐波的放大作用,还可以提高接入电网中的设备性能来提高它们抗谐波的干扰能力;二是主动治理方式,即是从谐波源自身出发,使谐波源基本上不产生谐波或尽量降低谐波源产生的谐波,如增加变流装置的脉动数或相数、采用PWM调制技术、多重化技术或软开关技术等都可以降低变流装置产生的谐波;三是被动治理方式,即是另外加入外部滤波器,阻止非线性负载产生的高次谐波尽可能少的注入电网,或者阻止电力系统中的高次谐波尽可能少的流入负载端。主动治理谐波法的目标主要是对谐波源自身进行改进,虽然能有效的消除谐波,但是不能有效的改善整个电网的
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