电力电子课程设计——三相电力有源滤波器的设计与仿真

中南大学电力电子技术课程设计报告课题: 三相有源电力滤波器设计与仿真班级: 电气工程及其自动化学号:姓名:指导老师:电力电子学,又称功率电子学(Power Electronics)。

它主要研究各种电力电子器件，以及由这些电力电子器件所构成的各式各样的电路或装置，以完成对电能的变换和控制。

它既是电子学在强电(高电压、大电流)或电工领域的一个分支，又是电工学在弱电(低电压、小电流)或电子领域的一个分支，或者说是强弱电相结合的新科学。

电力电子学是横跨“电子”、“电力”和“控制”三个领域的一个新兴工程技术学科。

电力电子技术以快速可控的电能变换技术为主要对象,以方便,节约,安全, 为特点,大大提高了人类在生产和生活中的效率和舒适性,从而得到了日益广泛的普及。

但是作为电网的非线性和时变性负荷的电力电子装置(如逆变器,整流器等)的大规模应用,其负面效应也日益明显。

电力电子装置的开关动作向电网中注入了大量的谐波和次谐波分量,导致了交流电网中电压和电流波形的严重失真,早已替代传统的变压器和铁磁材料的非线性引起的谐波成为最主要的谐波源。

电力电子设备的大量使用使得谐波问题日益严重,有源电力滤波器作为一种用于动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置,有着非常好的发展前景。

本文综述了电力谐波抑制技术的发展概况以及有源电力滤波器的发展趋势,深入分析了有源滤波器的结构及工作原理。

本次课程设计是进行三相有源电力滤波器的设计。

首先对谐波的相关知识做了简要的介绍，叙述了谐波的产生途径，所造成的危害，并对治理谐波的两种常用方法：无源滤波器与有源滤波器的各自特点做了介绍及对比。

接下来对有源滤波器的原理做了介绍，对课题中所要求的非线性负载，三相不可控整流电路的运行特性及产生的谐波成分做了分析；对用来生成跟踪电流的逆变电路进行了理论分析，并设计了用来初期滤波的无源单调谐滤波电路；同时对上述电路的参数进行了计算并对主要元器件进行选型。

有源滤波器的重要部分是谐波电流的检测与补偿电流的控制。

文中介绍了基于瞬时功率理论的谐波电流检测及提取方法。

由于方法运算量大，实时性强，所以选择DSP芯片进行处理。

用来PWM波控制逆变电路产生补偿电流。

最后用matlab中的simulink电力系统工具箱进行软件仿真，详细介绍了仿真模型及最终的仿真结果，仿真证明了本文方案的可行性。

1 课题要求与背景知识．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11.1设计要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．..．．.．．．．．1 1.2有源滤波器的背景知识．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．.1 1.2.1谐波简介及其来源．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．..1 1.2.2谐波的危害 (1)1.2.3治理谐波的方法 (2)1.2.4无源滤波器简介 (2)1.2.5有源滤波器简介 (2)2 三相有源滤波器主电路设计 (3)2.1有源滤波器原理简介 (3)2.2三相不可控整流电路分析 (5)2.2.1运行特性 (5)2.2.2谐波分析 (5)2.2.3整流电路的元件选型 (6)2.3直交逆变器电路分析 (7)2.3.1逆变器电路及其运行特性 (7)2.3.2元件选型 (8)2.4辅助无源滤波器的设计 (8)3 有源电力滤波器谐波检测及控制策略 (9)3.1瞬时无功功率理论简介及其应用 (9)3.1.1 瞬时无功理论定义 (9)3.1.2三相电路谐波和无功电流实时检测 (10)3.2谐波信号的采集测量电路 (11)3.2.1谐波信号测量电路 (11)3.2.2信号处理电路 (13)3.3有源滤波器的补偿电流控制方法 (14)3.4驱动电路 (15)4 有源电力滤波器的仿真 (15)4.1 有源电力滤波器仿真模型的建立 (15)4.1.1 有源电力滤波器系统 (15)4.1.2 非线性负载模型 (16)4.1.3 三相逆变及PWM波形发生模型 (17)4.1.4辅助无源滤波器 (17)4.2有源电力滤波器 (18)4.2.1谐波电流检测 (18)4.2.2 谐波电流跟踪控制 (20)4.3仿真结果 (21)5 设计心得 (25)1课题要求与背景知识1.1设计要求三相有源电力滤波器设计与仿真主要性能指标要求：电源线电压380V，额定输出电流50A，不可控制整流器负载，电源电流总谐波畸变率小于5%。

具体内容：要求学生在深入学习和分析三相有源电力滤波器的组成和工作原理基础上，完成主电路和驱动保护电路的硬件设计与元件选型，并在MATLAB SIMULINK 平台上，完成谐波电流检测算法、直流电压和输出电流控制的仿真。

1.2有源滤波器的背景知识1.2.1谐波简介及其来源现如今，在人们日常生活、工作和学习中都离不开电能的供应，电能已成为世界上最重要的能源，进而电能的质量也是衡量一个国家科技水平高低的主要标志之一。

电能质量关系到供电、用电设备的安全和经济运行，电能质量的严重下降会导致灾难性的供电事故和人员伤亡，给社会造成巨大的经济和财产损失。

谐波是电能质量中的一个重要指标，谐波的大量存在会严重的影响电网安全运行和各类大型工厂的正常生产。

因此如何有效的治理谐波，在现阶段已是全世界关注和研究的焦点。

国内外通用的谐波定义是：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整倍数”。

在特殊的条件下，一些非线性波动负荷会发出非基波频率整数倍的谐波，称其为间谐波，当间谐波的频率低于基波频率时可称为次谐波。

近年来，谐波的概念扩大到了泛指电力系统中非正弦性的电压和电流的波形畸变。

电力系统中的谐波来源可分为如下几种：（1）发电机侧产生谐波，这是由于发电机绕组和铁心在制造的过程中精度不够，导致了三相不平衡产生部分谐波，但是相对来说不是很多。

（2）输配电过程中产生谐波，当有大电流流过电力变压器时会使铁心达到饱和，产生部分的奇数次谐波，其中3次谐波含量较多。

（3）用电设备产生的谐波，主要有如下两种：第一种含有电弧和铁磁的非线性设备，例如交流弧焊机，旋转电机，电弧炉等；另一种是含有半导体非线性元件，例如整流器，逆变器，变频器等。

伴随着科技的不断进步，现代的电力电子装置的使用越来越广，产生谐波的比重也越来越多，使得用电设备产生的谐波成为了电力系统主要的谐波污染源。

经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近 40%，如果整流装置为单相整流电路，接入感性负载时电流中含有奇次谐波成分，其中 3 次谐波的含量可达基波的 30%；如果整流装置为三相全控桥 6 脉冲整流器，变压器原边及供电线路含有 5 次及以上奇次谐波电流；如果是 12 脉冲整流器，含有 11 次及以上奇次谐波电流。

本次课程设计中负载为工业中应用广泛的三相不可控整流器负载。

这种整流器价格低，性能可靠，获得了广泛的应用，但是与此同时给交流侧带来了严重的谐波污染。

1.2.2谐波的危害谐波所产生的危害主要包括：谐波会使电力系统产生谐振，谐波中的某些次分量使得电网中的补偿电容与电网中的感性部分产生串联或并联谐振，产生很高的过电流或过电压，损毁电网设备，引发事故；谐波中含有高次分量对电缆的集肤效应明显，使电缆的交流电阻值增加，产生附加损耗而过热，无功损耗增大。

当谐波中零序分量过高时会使电缆的中性线上电流明显增大，导致线路故障；谐波会影响电气设备的正常运行，使变压器的铜耗（如涡流损耗和漏磁损耗）和铁耗（如磁滞损耗）增加，导致变压器局部过热，噪声增加；谐波还会使继电保护和自动装置出现误动作，使计量仪表出现误差。

1.2.3治理谐波的方法现阶段，电力系统中对谐波的治理方法，主要有以下三种：（1）优化设备的结构，使其抗谐波干扰的能力增强；（2）针对产生谐波的电力电子装置，在其内部进行改进，使其不产生谐波；（3）安装谐波补偿装置，将其装设在谐波源侧，以阻止谐波注入到电网中。

目前电力系统中应用最多的还是第三种方法，主要的谐波补偿装置有无源滤波器 PPF 和有源电力滤波器 APF。

本设计采用装设有源电力滤波器APF为主并与无源滤波器配合使用的方法抑制谐波。

1.2.4无源滤波器简介无源滤波器，又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波构成低阻抗旁路；单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。

无源滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点。

基本的无源滤波器的拓扑结构图1所示。

图1 无源滤波器结构图无源滤波器本身含有一些缺陷无法克服，例如它只能滤除特定次谐波，无法滤除指定谐波以外的其它次谐波，它无法对谐波进行精确的补偿，并且与电网有发生串并联谐振的可能，使得它很难应用于补偿精度较高的场合。

1.2.5有源滤波器简介电力有源滤波器的基本思想形成于上个世纪六七十年代,是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置,80年代以来,由于新型电力半导体器件的出,PWM技术的发展,以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测法的提出,有源滤波器得以迅速发展。

有源滤波器具有以下一些特点:实现动态补偿,可对频率和大小均变化的谐波及变化的无功功率进行补偿,对补偿对象的变化有极快的响应速度;它的接入对系统阻抗不会产生影响,因此此类装置适合系列化、规模化生产;当电网结构发生变化时装置受电网阻抗的影响不大,不存在与电网阻抗发生谐波的危险,同时还能抑制串并联谐振;补偿无功功率时不需要储能元件,补偿谐波时所需要的储能元件不大；用同一台装置可同时补偿多次谐波电流和非整流倍次的谐波电流;当线路中的谐波电流突然增大时有源滤波器不会发生过载,并且能正常发挥作用,不需要与系统断开;有源滤波器分类见图2：图2 有源滤波器分类图2 三相有源滤波器主电路设计2.1有源滤波器原理简介图3 有源滤波器原理图三相并联型有源电力滤波器的原理图如图3所示，其中ｅｓ、ｉｓ表示电网向负载提供的电压和电流，ｉＬ为负载电流，ｉＣ为有源电力滤波器输出的补偿电流。

HPF为高通滤波器，主要作用是滤除开关频率中的谐波。

三相并联型有源电力滤波器主要由以下几个部分组成：谐波检测电路、补偿电流控制电路、驱动电路、变流器主电路和一些隔离保护电路。

其基本的工作原理是通过电流传感器采样负载侧的电流值，由电压调理电路进行调整后，再把经调整以后的采样信号送到数字信号处理器中，经 DSP 处理获取的电流信号，采用谐波检测算法计算出谐波电流分量，再通过变流器的开关控制算法，将其转换为相应的开关信号，再由控制逆变器主电路的驱动电路，快速地控制每个开关器件的开通和关断，输出的补偿电流与负载产生的谐波电流相抵消，得到期望的电源流。