第 1 章  引   言

1.1  諧波的產(chǎn)生及其危害 
諧波的產(chǎn)生在電力系統(tǒng)的運(yùn)行過程中是無處不在的，包括發(fā)電，電能的傳輸，配送，到最終電能的使用，整個(gè)流程中都有可能有諧波產(chǎn)生。在以上的幾個(gè)環(huán)節(jié)中，用電過程產(chǎn)生的諧波的量是最大的[1]。該過程中諧波產(chǎn)生源主要包括以下幾個(gè)方面：第一，非線性電子設(shè)備的使用過程中產(chǎn)生的諧波。第二，鐵路在電氣化進(jìn)程中產(chǎn)生大量的諧波。第三，工業(yè)上使用到的電弧裝置在啟動(dòng)和使用過程中產(chǎn)生大量諧波。第四，在日常生活中使用到的辦公設(shè)備，家用電器等日常工具也會(huì)產(chǎn)生諧波。 電力系統(tǒng)中諧波的產(chǎn)生會(huì)帶來巨大的危害，主要包括：第一，諧波對(duì)電能質(zhì)量的污染。正常供電的電能頻率和電壓幅值都應(yīng)該穩(wěn)定保持在供電等級(jí)所規(guī)定的范圍內(nèi)。諧波則會(huì)破壞電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性，使得電能的頻率和電壓值都有可能超出規(guī)定的范圍，造成電能質(zhì)量的嚴(yán)重降低，接入電網(wǎng)的電器設(shè)備的損害。第二，諧波對(duì)接入電網(wǎng)電氣設(shè)備的危害。諧波會(huì)增加電網(wǎng)中接入的電氣設(shè)備的電能消耗，造成不必要的電能流失，增大了發(fā)電設(shè)備的工作量。對(duì)于三相四線制發(fā)電機(jī)構(gòu)成的電力系統(tǒng)而言，大量的諧波會(huì)使本應(yīng)無電流流過的中線上產(chǎn)生大量的零序電流，影響最惡劣的是 3 次諧波電流，由于數(shù)值較大會(huì)使線路工作的同時(shí)嚴(yán)重發(fā)熱損壞絕緣，嚴(yán)重時(shí)有可能引發(fā)火災(zāi)；同樣的，對(duì)于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的電力系統(tǒng)而言，諧波也會(huì)在系統(tǒng)工作的同時(shí)產(chǎn)生大量的熱能，使更多的能量以熱能的形式消耗掉了，諧波也對(duì)機(jī)械運(yùn)行產(chǎn)生影響，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)明顯加劇而產(chǎn)生噪聲，降低電機(jī)可使用年限。對(duì)于變壓器而言，諧波除了引起發(fā)熱外還會(huì)帶來更多的銅損和鐵損。對(duì)于電力電纜而言，諧波引起的發(fā)熱造成致命的絕緣老化，這樣就會(huì)發(fā)生漏電情況，輕則短路，重則造成人員觸電。第三，諧波會(huì)引起諧振。由于諧波的頻率往往比系統(tǒng)工作頻率要高出許多，諧波的產(chǎn)生會(huì)使得系統(tǒng)的感抗增大容抗減小。這樣就有可能使原本正常工作的非線性電路產(chǎn)生 LC 諧振。諧振會(huì)使流過電容或電感的諧波電流增大好多倍，從而擊穿毀壞設(shè)備。第四，，諧波會(huì)引發(fā)繼電器誤動(dòng)作，造成電力設(shè)備的測(cè)量工作不準(zhǔn)確。第五，諧波會(huì)干擾通信系統(tǒng)。電力系統(tǒng)與通信系統(tǒng)之間一般是靠多個(gè)變壓器來耦合的，傳輸功率高為兆瓦級(jí)的電力系統(tǒng)只要微小的諧波就會(huì)在傳輸?shù)墓β蕛H為毫瓦級(jí)的通信系統(tǒng)上反映出相當(dāng)大的噪聲。  
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1.2  電力系統(tǒng)諧波的抑制措施 
由于諧波會(huì)產(chǎn)生上述說明的危害，如何盡量降低諧波的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波的良好控制對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的發(fā)展和管理都是非常重要的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在一些電力系統(tǒng)管理發(fā)展比較成熟的西方國(guó)家，他們用電子裝置為超過一半的國(guó)家電力負(fù)載提供電能；而我國(guó)的供電中，有將近三分之一的電能是利用一定的電力轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換為居民使用電。無論是容量、使用頻率還是控制算法的多元化，都使得電力電子轉(zhuǎn)換裝置在我國(guó)的電力系統(tǒng)中發(fā)揮了越來越重要的作用，但是隨之而來的就是諧波污染現(xiàn)象加重。消除諧波污染有助于保證電力系統(tǒng)的清潔，提高電能的質(zhì)量，這是一個(gè)急需解決的問題。 通常來說，抑制諧波的主要方法有兩種，一種是主動(dòng)控制，一種是被動(dòng)控制。主動(dòng)控制是從諧波產(chǎn)生的源頭進(jìn)行控制，減少諧波的來源。被動(dòng)控制是諧波的來源不變，通過采取一些手段來消除諧波在傳播過程中的影響。這兩種方法各有利弊。第一種方法能夠從根源處消除諧波的產(chǎn)生，更加徹底。但是這種方法需要對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的裝置都進(jìn)行徹底的更換，需要大量的時(shí)間，資金和精力，不具備可行性。所以，在現(xiàn)實(shí)情況下，一般使用的是第二種被動(dòng)方法來減小諧波帶來的影響。多采用的是添加濾波裝置對(duì)諧波進(jìn)行過濾，阻止諧波對(duì)各種電力設(shè)備造成損害。 
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第 2 章  三相并聯(lián)型 APF 數(shù)學(xué)模型及主電路參數(shù)設(shè)計(jì) 

建立較為精確的數(shù)學(xué)模型、設(shè)計(jì)合理的主電路參數(shù)是研究三相并聯(lián)型有源電力濾波器的基礎(chǔ)，這對(duì)三相 APF 的諧波補(bǔ)償性能起著決定性的作用。本章將從三相三線并聯(lián)型有源電力濾波器的整體組成出發(fā)，對(duì)其工作方式進(jìn)行分析，并完成拓?fù)潆娐窋?shù)學(xué)模型的建立，包括三相靜止坐標(biāo)系下、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。然后詳細(xì)地介紹了 SVPWM 調(diào)制方式的原理。最后，結(jié)合數(shù)學(xué)模型，從 APF 的控制目標(biāo)出發(fā)，分析了三相 APF 電網(wǎng)側(cè)濾波電感、直流側(cè)穩(wěn)態(tài)工作電壓以及直流側(cè)的儲(chǔ)能電容大小對(duì) APF 工作性能的影響，并給出了相關(guān)參數(shù)的工程設(shè)計(jì)方法。本章建立的數(shù)學(xué)模型及其主電路參數(shù)的設(shè)計(jì)為后續(xù)第四章控制參數(shù)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。 

2.1  三相三線并聯(lián)型有源電力濾波器的數(shù)學(xué)模型

在圖 2.1 中，需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流源為三相非線性負(fù)載，在實(shí)驗(yàn)中，采用負(fù)載為帶阻感特性的三相不控整流橋產(chǎn)生諧波電流。R 為 A、B、C 三相線路上綜合損耗的等效電阻（包括電感電阻以及橋臂死區(qū)等效電阻），L1以及L2表示 APF的并網(wǎng)電感，分別稱為內(nèi)側(cè)電感以及外側(cè)電感。APF 在運(yùn)行時(shí)，通過對(duì)非線性負(fù)載的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并通過諧波檢測(cè)算法計(jì)算出非線性負(fù)載中的諧波分量作為 APF 的補(bǔ)償電流指令，以 APF 的并網(wǎng)電感的電流作為控制量，形成負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，然后對(duì)其經(jīng)過電流控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)得到需要調(diào)制的電壓，通過采取滯環(huán)控制、三角載波或者空間矢量調(diào)制等方法發(fā)出 PWM 脈沖信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路后作用到三相橋臂全控型開關(guān)管上，通過控制橋臂的逆變實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)電感電流的控制，達(dá)到跟蹤諧波指令的效果，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的諧波補(bǔ)償。這就是三相三線制并聯(lián)型 APF 的工作原理。 

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2.2  三相三線并聯(lián)型 APF 主電路參數(shù)設(shè)計(jì) 
前面介紹了三相三線并聯(lián)型 APF 系統(tǒng)的工作原理，且在狀態(tài)空間中建立了APF 的數(shù)學(xué)模型。分析其數(shù)學(xué)模型，從補(bǔ)償諧波的目的出發(fā)，可知系統(tǒng)主電路參數(shù)的設(shè)計(jì)將直接關(guān)系到有源電力濾波器的系統(tǒng)模型，計(jì)算出合適的主電路參數(shù)為研究 APF 系統(tǒng)諧波補(bǔ)償性能奠定了基礎(chǔ)。對(duì)于三相并聯(lián)型有源電力濾波器，本文將從開關(guān)頻率、并網(wǎng)電感、母線電壓、母線電容以及交流側(cè) LCL 高頻濾波器這五個(gè)方面對(duì)其主電路參數(shù)進(jìn)行研究。當(dāng) APF 系統(tǒng)的載波頻率較高時(shí)，則輸出電壓的紋波較小，系統(tǒng)更接近于連續(xù)系統(tǒng)。同時(shí)，APF 在工作時(shí)，也需要維持母線電壓穩(wěn)定，在其他條件一致的情況下，提高系統(tǒng)工作頻率也可以減小母線電壓的波動(dòng)。因此，從控制的角度而言，提高系統(tǒng)的開關(guān)頻率是有好處的，但是開關(guān)損耗也會(huì)隨著開關(guān)頻率的提高而增加，降低系統(tǒng)效率，增加系統(tǒng)的散熱成本，再者控制芯片的工作頻率也是有限制的，因此實(shí)際工程應(yīng)用中，我們應(yīng)當(dāng)綜合考慮系統(tǒng)的控制性能以及系統(tǒng)損耗這兩個(gè)相互制約的因素來折中選擇開關(guān)頻率[42]。本系統(tǒng)采用的開關(guān)頻率為12kHz。 
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第 3 章 三相三線并聯(lián)型 APF 諧波電流的檢測(cè)..........29
3.1 基于滑動(dòng)平均思想的 DFT 諧波電流檢測(cè)算法.....29
3.1.1DFT 算法的原理.......29
3.1.2 引入滑動(dòng)平均算法后的 DFT 諧波檢測(cè)算法.........30
3.2 諧波檢測(cè)算法的 MATLAB 仿真分析......31
3.3 本章小結(jié).........38
第 4 章 三相三線并聯(lián)型 APF 控制的研究.........39
4.1 三相三線并聯(lián)型 APF 系統(tǒng)雙環(huán)控制策略.....39
4.2 三相并聯(lián)型 APF 雙環(huán) PI 控制器的設(shè)計(jì)........40
4.3 重復(fù)+PI 復(fù)合電流控制器的設(shè)計(jì)...........46
4.4 本章小結(jié).........52
第 5 章 三相三線并聯(lián)型 APF 的仿真分析.........53
5.1 三相三線并聯(lián)型 APF 系統(tǒng)仿真模型.....53
5.1.1 系統(tǒng)仿真模型介紹.........53
5.1.2 三相并聯(lián)型 APF 控制模塊.....54
5.2 雙環(huán) PI 控制系統(tǒng)的仿真結(jié)果........55
5.3 重復(fù)控制+PI 控制的 APF 系統(tǒng)仿真結(jié)果.......58
5.4 本章小結(jié).........59  

第 5 章  三相三線并聯(lián)型 APF 的仿真分析 

前幾章對(duì)三相三線并聯(lián)型有源電力濾波器的主電路參數(shù)、諧波檢測(cè)算法、控制算法等幾個(gè)方面做了比較詳細(xì)的理論分析及其設(shè)計(jì)，本章將通過 MATLAB 搭建三相有源電力濾波器的系統(tǒng)模型，對(duì)前文所研究的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析與驗(yàn)證。 

5.1  三相三線并聯(lián)型 APF 系統(tǒng)仿真模型
前面章節(jié)已經(jīng)從三相并聯(lián)型 APF 的學(xué)建模及主電路參數(shù)設(shè)計(jì)、DFT 諧波檢測(cè)算法以及雙環(huán)控制器的設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面進(jìn)行了比較詳細(xì)的理論分析與設(shè)計(jì)，本章通過 MATLAB 搭建 APF 系統(tǒng)模型，詳細(xì)介紹仿真系統(tǒng)的控制模塊，分別對(duì)PI 控制與“重復(fù)+PI”兩種電流控制器進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，仿真結(jié)果驗(yàn)證了前幾章理論分析與設(shè)計(jì)的正確性以及可行性，為實(shí)際應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。  
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結(jié)論

圍繞著一臺(tái)三相三線并聯(lián)型有源電力濾波器的工程設(shè)計(jì)，本文從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、諧波檢測(cè)算法、控制器的研究等幾個(gè)方面對(duì)三相 APF 的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，最后通過 MATLAB 對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)以及理論分析進(jìn)行了驗(yàn)證。具體完成了如下工作： 
(1) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，本文從三相 APF 的總體出發(fā)，給出了三相 APF 的系統(tǒng)圖以及簡(jiǎn)化后主電路的模型，在其簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上，建立了同步旋轉(zhuǎn) d-q 坐標(biāo)系下的 APF 數(shù)學(xué)模型，繪出了 APF 模型的控制框圖，且詳細(xì)地講述了 SVPWM調(diào)制技術(shù)的基本原理。圍繞 APF 的工作狀態(tài)以及控制目標(biāo)，本章給出了母線電壓、母線電容、交流側(cè)電感以及交流側(cè)并網(wǎng)濾波器等主電路參數(shù)的設(shè)計(jì)原則，完成了主電路參數(shù)的設(shè)計(jì)。 
(2)  對(duì)于諧波檢測(cè)算法，本章詳細(xì)地研究了 DFT 諧波檢測(cè)算法。首先，講述了 DFT 算法的基本原理，指出了它的缺點(diǎn)，然后引入了滑動(dòng)平均的求和思想到該算法。最后通過 MATLAB 仿真對(duì)其原理以及算法的穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了驗(yàn)證分析，并將其應(yīng)用于三相非線性中進(jìn)行諧波檢測(cè)。由 MATLAB 仿真結(jié)果可知，采用基于滑動(dòng)平均思想的 DFT 諧波電流檢測(cè)算法，可以準(zhǔn)確地檢測(cè)出周期性負(fù)載中的基波、各次諧波電流。 
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參考文獻(xiàn)(略)
 

本文編號(hào)：36317