三相非线性不对称电路的谐波补偿研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 7.27MB 73 页 15积分
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摘 要
随着电力电子技术的飞速发展，电网中的非线性设备数量日益增多，这些非
线性电气设备产生的谐波电流在电网的阻抗上产生谐波电压并与电网的基波叠
加，从而引起电压畸变，给电力系统带来了较严重的电能质量问题。有源电力滤
波器（Active Power Filter）是实现电能质量调整和控制的重要手段。
在日常生活中，主要的负载都属于单相负载，并且用电情况经常变化，接到
三相电路中构成的三相负载不可能完全对称，所以必须有中线存在，考虑到三相
四线制系统的普遍性，本文选取三相非线性不对称负载作为研究对象。
本文首先分析了基于瞬时无功功率理论的指令电流运算方法，阐述了瞬时无
功功率理论的原理，该方法是最常用的谐波检测方法，这一经典方法是谐波检测
的基础。结合正负序分量分解的理论，又提出了一种新的谐波电流检测方法——
电网电压定向的坐标旋转谐波电流检测方法。这是一种全新的三相四线制非线性
不对称负载电路的谐波检测方法，利用同步旋转变换的原理只对电流进行变换，
不需要电压变换，既有结构简单的优势，还有概念清晰的特点。
考虑到滞环比较器可以跟踪谐波那么也可以跟踪纯正的正弦波，于是又提出
了基于参考电流的谐波补偿方法。该方法通过检测电网电压、电流和直流侧电容
电压来获取参考电流，使网侧电流跟踪参考电流来产生脉宽调制信号控制开关器
件的导通和关断，从而产生补偿电流达到对谐波抑制的效果，不需要PI调节器和
坐标变换，结构及运算方法更为简单。
在理论研究的基础上，通过MATLAB/Simulink平台进行了系统的搭建，仿真
结果验证了理论的正确性。
最后，对有源电力滤波器的主电路及外围电路进行了深入的研究，详细讨论
了主电路开关器件、输入电感和直流侧电容的选型，进行了有源电力滤波器硬件
的设计及参数的选择，制作了一台基于DSP（TMS320F2812）控制的并联有源电
力滤波器实验样机，并进行了相关的实验研究。通过研究和实验证明，在三相四
线制非线性不对称负载下，本文提出的补偿策略、主电路设计和谐波检测等方法
是正确有效的。
关键词：三相四线制 有源电力滤波器 谐波电流检测方法 电网电压
定向 参考电流
ABSTRACT
With the rapid development of power electronics technology, the non-linear drives
are widely used in applications. These non-linear loads generate current harmonics in
the power system. and add to the sinusoidal fundamental harmonic current, thus we
would have non-sinusoidal currents, that are unbalanced ( i.e. the current amplitudes are
not equal). It has become a serious issue for the power quality in the power system. To
improve the power quality of overall system the active power filters has been introduced.
In many commercial and industrial installations, the loads are non-linear single
phase loads and the power consumption is different in different times. The line currents
are unbalanced and neutral currents flow. The power distributed through a three-phase
four-wire system is used widely in industrial, commercial and consumer environment.
The three-phase four-wire system is discussed in detail in this paper.
At first, harmonics detecting method based on instantaneous reactive power theory
is analyzed in this paper. The instantaneous reactive power theory is discussed in details.
This method is used most widely in the detecting approach of harmonic currents for
APF. The instantaneous reactive power theory promote the fast development of APF, it
offers a theoretical basis for the harmonic detection of power system. According to the
positive and negative sequence component decomposition theory, a new detecting
approach of harmonic and reactive current is proposed. This detection method is based
on grid voltage orientation in the coordinate rotation. The theory is adopted in
detecting reactive and harmonic current for three-phase four wire systems under the
condition of unbalanced and nonlinear load. It needs current coordinate transformation
by the principle of synchronous rotating coordinate transformation, there’s no voltage
convert. The structure is simple and the concept is clear.
For the hysteresis comparator can track the harmonic current, and also can be used
for tracking the sinusoidal current, the new harmonic compensation method based on
the unit current is proposed. This method is detecting the voltage and current of supply
power and the DC bus voltage to compute the unit current, then the supply current are
tracking the unit current. The APF is controlled by this PWM (Pulse Width Modulation)
to eliminate harmonics. There is no PI controller or coordinate transformation in the
control system, the structure and computation are much easier.
Based on the theory, the simulation is done on MATLAB/Simulink and the
simulation results are given to verify the analysis and demonstrate the control
performance.
At last, study the main circuit and the peripheral circuit of the APF. The selection
of the main circuit parameters suck as IGBT、input inductance and DC capacitor are
discussed in details and design and analysis of main circuit of APF. The shunt active
power filter which is implemented using a TMS320F2812 DSP is made and the result of
experiment is shown that the new harmonic compensation methods for three-phase four-
wire system under the condition of unbalanced and nonlinear load are effectiveness.
Key Word: Three Phase Four Wire System, Active Power Filter,
Harmonic Detection, Grid Voltage Orientation, Unit Current
目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .......................................................... 1
§1.1 电网谐波的含义 .............................................. 1
§1.2 谐波的产生及危害 ............................................ 1
§1.3 谐波的主要指标计算 .......................................... 5
§1.4 谐波的治理措施 .............................................. 6
§1.5 本文的主要工作 .............................................. 8
第二章 有源电力滤波器的基本原理和结构 ............................... 10
§2.1 有源电力滤波器的结构 ....................................... 10
§2.1.1 按变流器类型分类 ...................................... 10
§2.1.2 按接入电网的方式分类 .................................. 11
§2.1.3 按控制电源相数分类 .................................... 13
§2.2 有源电力滤波器的基本原理 ................................... 15
§2.3 有源电力滤波器的现状和发展方向 ............................. 16
§2.3.1 谐波电流检测方法 ...................................... 16
§2.3.2 有源电力滤波器的发展方向 .............................. 17
§2.4 小结 ....................................................... 18
第三章 有源电力滤波器的控制方法 ..................................... 19
§3.1 三相四线制APF的指令电流运算方法 ............................ 19
§3.2 电网电压定向的坐标旋转谐波电流检测方法 ..................... 22
§3.2.1 两相坐标的正、负序分解 ................................ 22
§3.2.2 电压定向的
dq
正序旋转坐标变换原理 ..................... 24
§3.2.3 无功与谐波检测系统 .................................... 26
§3.3 参考电流控制方法 ........................................... 26
§3.3.1 拓扑结构和控制原理 .................................... 26
§3.3.2 计算参考电流 .......................................... 28
§3.4 三相四线制APF的补偿电流发生电路 ............................ 29
§3.4.1 瞬时值比较方式 ........................................ 30
§3.4.2 三角波比较方式 ........................................ 31
§3.4.3 无差拍控制方式 ........................................ 31
§3.5 小结 ....................................................... 32
第四章 三相四线制有源滤波器主电路参数计算 ........................... 33
§4.1 开关器件的选择 ............................................. 34
§4.2 缓冲电路的设计 ............................................. 34
§4.3 直流侧电容的选择 ........................................... 36
§4.4 交流侧进线电感 ............................................. 37
§4.5 电流电压传感器的选取 ....................................... 38
§4.6 驱动电路 ................................................... 40
§4.7 系统硬件结构 ............................................... 41
§4.8 小结 ....................................................... 42
第五章 三相四线制有源滤波系统的Matlab仿真 ........................... 43
§5.1 基于
qp
i i
法谐波检测方法的仿真 .............................. 43
§5.1.1 仿真模型的建立 ........................................ 43
§5.1.2 仿真结果分析 .......................................... 43
§5.2 电网电压定向的坐标旋转谐波电流检测方法的仿真 ............... 46
§5.2.1 仿真模型的建立 ........................................ 46
§5.2.2 仿真结果分析 .......................................... 46
§5.3 参考电流的谐波补偿方法的仿真 ............................... 49
§5.3.1 仿真模型的建立 ........................................ 49
§5.3.2 仿真结果分析 .......................................... 49
§5.4 小结 ....................................................... 53
第六章 系统软件设计与实现 ........................................... 54
§6.1 电平转换板 ................................................. 55
§6.2 信号调理电路 ............................................... 56
§6.3 控制系统软件设计 ........................................... 57
§6.3.1 A/D中断服务程序 ....................................... 58
§6.3.2 主程序调试 ............................................ 59
§6.4 实验结果 ................................................... 60
§6.5 小结 ....................................................... 61
第七章 总结与展望 ................................................... 62
§7.1 总结 ....................................................... 62
§7.2 展望 ....................................................... 63
参考文献 ............................................................ 64
附录 攻读硕士学位期间的科研成果 ..................................... 68
致谢 ................................................................ 69
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 电网谐波的含义
任何一个波形畸变的周期性非正弦波电压、电流信号，对其进行傅里叶级数
分解，除了得到与基波频率相同的分量，还可以得到一系列大于电网基波频率的
分量，这部分分量称为谐波[1]。电网谐波产生的根源主要在于大量非线性负载的
使用，突出特点是负载电流与电压波形不同频，可以通过数学方法把畸变波形分
解为基频分量和谐波分量。
电力系统电压、电流波形畸变并不是一个新的问题，早在上世纪二十年代，
在德国就有人提出静态整流器产生的波形畸变问题[2][3]。在电力电子装置大量使
用前，最主要的谐波源是电力变压的励磁电流、发电机。近年来，随着电力电子
技术的飞速发展，使得各种大功率开关器件在电力行业，工业，家庭等地方得到
了广泛应用，给电能的变换应用带来了方便。但同时也给电力系统带来了严重的
无功损耗和谐波污染。电网中的谐波主要由各种电力电子装置(含家用电器、计
算机等的电源)、变压器、发电机、电弧炉和荧光灯等产生。电力电子装置功率
因数低，使电力系统功率因数变低、供电系统的效率降低，给电网带来额外无功
负担。采用大功率开关器件的各种电力电子装置均工作于非线性状态，产生大量
的谐波电流，谐波电流与电网内阻抗配合，会使电网电压波形发生畸变，严重影
响连接在同一节点上的其它电气设备，形成所谓的电力公害。消除电力设备谐波
污染，提高功率因数，改善电能质量，己成为人们广泛关注的问题。因此世界各
国都对谐波投入了大量人力，物力，财力来治理它，并制定了限制电力系统谐波
的各种规定和标准。
§1.2 谐波的产生及危害
在电网中，谐波是指周期电气量中频率大于基波频率整数倍的正弦波分量。
由于谐波频率高于基波频率，有人也把谐波称为高次谐波。随着越来越多的非线
性负载、冲击性负载的使用，电网中谐波污染日益严重。在交流电网中，谐波来
自多个方面，其中功率较大、作用时间较长并可能导致公害的谐波源主要有以下
几个方面：
（1）半导体非线性元件。半导体非线性元件在电力系统中广泛存在，是电
力系统的主要谐波源。随着整流技术的发展和不断完善，硅整流器、晶闸管等在
各行各业中得到广泛应用，例如：直流输电用的整流逆变装置，电池充电器、电
摘要：

摘要随着电力电子技术的飞速发展，电网中的非线性设备数量日益增多，这些非线性电气设备产生的谐波电流在电网的阻抗上产生谐波电压并与电网的基波叠加，从而引起电压畸变，给电力系统带来了较严重的电能质量问题。有源电力滤波器（ActivePowerFilter）是实现电能质量调整和控制的重要手段。在日常生活中，主要的负载都属于单相负载，并且用电情况经常变化，接到三相电路中构成的三相负载不可能完全对称，所以必须有中线存在，考虑到三相四线制系统的普遍性，本文选取三相非线性不对称负载作为研究对象。本文首先分析了基于瞬时无功功率理论的指令电流运算方法，阐述了瞬时无功功率理论的原理，该方法是最常用的谐波检测方法，这...

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