第一章    緒論

1.1 研究目的及意義 

近幾年來，由于各種電源設(shè)備、電子變頻設(shè)備、計算機、調(diào)壓設(shè)備以及節(jié)能燈等大量感性或非線性負(fù)荷的逐漸增多，電網(wǎng)出現(xiàn)了用電沖擊及不均衡的狀況，諧波含量不斷增多，使電力系統(tǒng)中電壓和電流的波形嚴(yán)重失真，對電網(wǎng)造成了非常嚴(yán)重的諧波污染；與此同時，由于我國經(jīng)濟發(fā)展迅速，高科技產(chǎn)品的使用量大幅度提升，工業(yè)用電對于電能的要求也提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，電能質(zhì)量問題逐漸成為了人們關(guān)注的焦點問題。因此，治理諧波污染，提高電能質(zhì)量已經(jīng)成為電氣領(lǐng)域的一個重大課題[1,2]。 由于人們生活水平的提高，家用電器的容量日益增大，諧波污染程度日趨嚴(yán)重，傳統(tǒng)無源濾波補償系統(tǒng)早已無法滿足。一種能夠有效提升電能品質(zhì)的電力電子裝置急需問世，確保日常用電需求。近年來電力電子器件發(fā)展迅猛，電力場效應(yīng)晶體管及絕緣柵雙極晶體管等電力電子元件使電能質(zhì)量控制裝置的品質(zhì)逐步提升。 有源電力濾波器涉及多個領(lǐng)域，其在現(xiàn)實生活中對于經(jīng)濟的影響不容小覷。有源電力濾波器不僅可以抑制諧波，控制電能質(zhì)量，同時對于節(jié)能環(huán)保以及走可持續(xù)發(fā)展道路也有著重要積極的意義。 

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1.2 諧波的危害及治理 
諧波，就是指那些頻率是基波頻率的整數(shù)倍的正弦波分量。諧波源主要是一些含有非線性鐵磁材料的設(shè)備，比如變壓器和鐵磁諧振設(shè)備等；或者是含半導(dǎo)體開關(guān)器件的設(shè)備，如整流設(shè)備和變頻設(shè)備等；還有一些家用節(jié)能設(shè)備，如電焊機、電爐焊及日光燈等。 諧波被公認(rèn)為是公共電網(wǎng)的主要污染源，其存在不僅會對電力系統(tǒng)的供電可靠性和質(zhì)量造成影響，同時也會對用電設(shè)備產(chǎn)生危害[3-5]。諧波主要有以下危害：增加發(fā)、輸、供和用電設(shè)備等的附加損耗，使其使用效率降低，增加電網(wǎng)的導(dǎo)線損耗；可能會導(dǎo)致電網(wǎng)與補償電容器間發(fā)生串、并聯(lián)諧振，這將使諧波電流放大幾倍甚至數(shù)十倍，容易造成過電流，從而導(dǎo)致用電設(shè)備損壞，甚至引起跳閘事故；諧波還會產(chǎn)生熱效應(yīng)，會使用電設(shè)備發(fā)熱、絕緣老化；干擾通信及信息處理設(shè)備，輕則會產(chǎn)生噪聲，干擾通話質(zhì)量，重則將導(dǎo)致信號丟失；導(dǎo)致繼電保護設(shè)備的錯誤工作，同時還會引起電氣測試儀器結(jié)果出現(xiàn)誤差。 IEEE 和 IEC 等國際組織給出了相關(guān)的諧波含量國際標(biāo)準(zhǔn)[6]。隨著非線性負(fù)載的不斷增加，我國對于諧波治理也十分重視，開發(fā)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[7,8]。 電壓等級逐漸增大，對于總諧波失真（THD）的要求也越發(fā)苛刻。表 1-1為電網(wǎng)諧波失真率國家標(biāo)準(zhǔn)。其中，一些需要高品質(zhì)供電的場所，規(guī)定電網(wǎng)的THD 小于 3% [9]。 
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第二章    有源電力濾波器整體設(shè)計

2.1 整體方案 
本文所設(shè)計的 APF 系統(tǒng)整體方案框圖如圖 2-1 所示。從圖中可以看出，該系統(tǒng)主要由 4 大部分組成，分別是檢測、控制部分及驅(qū)動電路和主電路。檢測部分通過調(diào)理電路將強電信號轉(zhuǎn)換成弱電信號，進入控制部分。控制部分進行指令電流運算，并最終得到 PWM 脈沖信號。通過驅(qū)動電路升壓產(chǎn)生驅(qū)動脈沖，使主電路的開關(guān)管工作，最終產(chǎn)生補償電流來消除諧波[22]。 
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2.2 諧波及無功電流檢測 
APF 補償性能的好壞首先取決于諧波及無功檢測的準(zhǔn)確性與實時性[23]。APF 的基準(zhǔn)電流檢測一直是學(xué)者們研究的熱點。諧波檢測如果以時域和頻域來劃分，時域檢測主要有基于瞬時無功的 p-q、dq 檢測、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)檢測等；頻域檢測法主要包括快速傅立葉變換法、小波變換和帶通檢測法等[24]。若依據(jù)檢測電流的提取點可分為負(fù)載側(cè)電流檢測和源側(cè)電流檢測，兩者在電壓及電流控制上是完全等效的。但負(fù)載側(cè)電流檢測下的系統(tǒng)為開環(huán)系統(tǒng)，而源側(cè)電流檢測方式中補償對象就是檢測電路的輸入信號，輸出對輸入構(gòu)成了一個閉環(huán)的系統(tǒng)，因此會有更好的補償效果[25,26]。根據(jù)不同的場合及要求，可以選擇不同的檢測方法。目前，對于 APF 的諧波電流檢測方法，基于瞬時無功功率理論的檢測法使用率最高，其計算原理是后續(xù)其他多種檢測方法的理論基礎(chǔ)[27-30]。p-q 檢測算法補償靈活性好，但該算法僅適用于三相電網(wǎng)電壓對稱的諧波和無功電流檢測，且受電壓畸變影響較大，現(xiàn)在應(yīng)用較少。而 ip-iq 檢測法是在 p-q 理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但該算法需分解單相構(gòu)建三相，再通過 ip-iq 法計算指令信號，過程十分繁瑣。目前使用較為普遍的 dq 檢測法，在電網(wǎng)電壓失真及負(fù)載電流非對稱的狀況下，仍然適用。因此以下對 dq 諧波電流檢測法做進一步研究。  
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第三章    有源電力濾波器仿真研究 .......... 22 
3.1 穩(wěn)態(tài)仿真 .... 22 
3.2 檢測方法的仿真對比分析 .... 24 
3.3 控制方法的仿真對比分析 .... 25 
3.4 動態(tài)仿真實驗的分析 ..... 27 
3.5 本章小結(jié) .... 29 
第四章    有源電力濾波器實驗研究 .......... 30 
4.1 硬件電路設(shè)計及實驗 ..... 30 
4.1.1 電流檢測及調(diào)理電路 .... 30 
4.1.2 電壓檢測及調(diào)理電路 .... 31 
4.1.3 電壓過零檢測電路 ........ 32 
4.1.4 主電路及驅(qū)動電路 ........ 33 
4.2 軟件設(shè)計 .... 33 
4.2.1 主程序設(shè)計 ...... 34 
4.2.2 中斷子程序 ...... 34 
4.3 實驗及結(jié)果分析 ...... 35 
4.3.1 實驗平臺的搭建 ..... 35 
4.3.2 實驗結(jié)果及分析 ..... 36 
4.4 本章小結(jié) .... 38 

第四章    有源電力濾波器實驗研究 

本章在前兩章的基礎(chǔ)上，將搭建并利用實驗平臺對不定頻滯環(huán) SVPWM 控制的 APF 系統(tǒng)進行實驗研究。 

4.1 硬件電路設(shè)計及實驗 
首先選取型號為 CHB-25NP 的霍爾電流傳感器，CHB-25NP 有 5種連線方式，分別得到五種匝數(shù)比，本文選擇 1000：5 匝數(shù)比，額定輸入電流為 5A，額定輸出電流為 25m A。圖 4-1 即為電流調(diào)理電路。 經(jīng)過霍爾電流傳感器后的電流信號，經(jīng) R0 變?yōu)殡妷盒盘�，R1 和 C1 進行濾波，與加法器反相端輸入的+5V 相加，再經(jīng)過反相比例放大電路，最后通過D1 和 D2 進行箝位，使得輸出電壓大小在 0~3.3V 的范圍內(nèi)，以能夠送入DSP。若輸出電壓值為負(fù)時，二極管 D2 導(dǎo)通；若電壓值大于 3.3V，D1 則導(dǎo)通，所以電壓就會被箝位在 0~3.3V 的幅度之中，可直接送入 DSP 的數(shù)模轉(zhuǎn)換通道。 使用 CHV-25P 型號霍爾電壓傳感器對直流側(cè)電壓進行采樣，，轉(zhuǎn)換為電流量，然后再通過電阻 Rm 將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過電壓跟隨器進行隔離，后經(jīng)過箝位電路，使其輸出電壓在 0~3.3V 的范圍內(nèi)。 
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結(jié)論 

本文在充分了解APF的結(jié)構(gòu)、工作原理、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢后，對于本文所采用電流檢測及控制方式進行了深入研究，并在此基礎(chǔ)上進行了仿真分析及實驗研究，仿真及實驗結(jié)果達到預(yù)期目標(biāo)，驗證了系統(tǒng)的可行性和有效性。主要研究內(nèi)容及成果如下： 
1.  本文首先闡釋了諧波的產(chǎn)生原因及危害，并介紹了APF對于治理諧波的有效性。并對其結(jié)構(gòu)及工作原理進行了系統(tǒng)的理論分析，最終確定APF為本文研究對象。 
2.  通過對比分析傳統(tǒng)負(fù)載側(cè)電流檢測方法與源側(cè)電流檢測方式，針對前者計算量大的缺點，將源側(cè)電流檢測方式作為本文檢測方式，并推導(dǎo)了其與傳統(tǒng)負(fù)載側(cè)電流檢測方法的等效性。針對滯環(huán)電流控制方式與空間電壓矢量脈寬調(diào)制方式各自的不足，選取不定頻滯環(huán)SVPWM控制方式為電流控制方式，并詳盡分析其原理。 
3.  針對系統(tǒng)容量、輸出電感及電容等參數(shù)進行深入分析，確定滿足要求的參數(shù)范圍。在PSCAD/EMTDC軟件中搭建了系統(tǒng)仿真模型，在相同仿真參數(shù)下，分別對檢測方式和控制方式進行對比仿真，仿真結(jié)果表明本系統(tǒng)所選用的檢測與控制方式補償效果更好。同時為了驗證本文所設(shè)計APF系統(tǒng)在實際環(huán)境中的動態(tài)性能，對其進行了動態(tài)仿真研究。結(jié)果顯示系統(tǒng)在負(fù)載突變時響應(yīng)速度快，性能良好。從仿真數(shù)據(jù)可以看出本系統(tǒng)所選用的檢測與控制方式的準(zhǔn)確性及優(yōu)越性。 
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參考文獻(略)

本文編號：98581