并联型有源电力滤波器的设计与研究
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并联型有源电力滤波器的设计与研究 孙标广 河南理工大学
硕士学位论文
并联型有源电力滤波器的设计与研究
申请人姓名： 指导教师： 专业名称： 研究方向：
孙标广 余发山 教授 控制理论与控制工程 工业过程控制
河南理工大学电气工程与自动化学院 二○一零年十二月
河南理工大学 学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含 任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究 的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名: 年 月 日
Keywords: Active power filter；Harmonic current detection；Voltage space vector
Ⅱ
IV
目 录
摘 要 .................................................................................................................................I 目 录 ............................................................................................................................. III 1 绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 电力谐波问题及研究现状 ....................................................................................... 1 1.1.1 电力谐波产生的原因 ............................................................................................ 1 1.1.2 电力谐波的危害 .................................................................................................... 2 1.2 电力谐波抑制措施 ................................................................................................... 2 1.2.1 高功率因数整流器 ................................................................................................ 2 1.2.2 无源滤波器 ............................................................................................................ 3 1.2.3 有源电力滤波器 .................................................................................................... 4 1.3 有源电力滤波器的发展现状和趋势 ....................................................................... 4 1.4 本文的主要内容 ....................................................................................................... 6 2 有源电力滤波器的数学模型建立与主电路设计 ...................................................... 7 2.1 有源电力滤波器解决方案 ....................................................................................... 7 2.2 有源电力滤波器系统结构及原理分析 ................................................................. 10 2.3 有源电力滤波器的数学模型建立 ......................................................................... 11 2.4 100kVA 并联型有源电力滤波器的主电路设计 .................................................... 14 2.4.1 功率开关器件的选择 .......................................................................................... 15 2.4.2 缓冲电路设计 ...................................................................................................... 15 2.4.3 主电路直流侧电容参数计算 .............................................................................. 18 2.4.4 交流侧滤波电抗器参数计算 .............................................................................. 19 3 谐波电流检测与提取方法 ........................................................................................ 23 3.1 常用谐波电流检测方法比较 ................................................................................. 23 3.2 ip-iq 算法 .................................................................................................................. 24 3.3 ip-iq 算法的实现 ...................................................................................................... 26 3.3.1 实现框图 .............................................................................................................. 26 3.3.2 数字低通滤波器设计 .......................................................................................... 27 4 有源电力滤波器电流跟踪控制策略的研究 ............................................................ 29
控制理论与控制工程 研 究 方 向 答辩日期
河南理工大学
致 谢
本论文是在我的导师余发山教授的悉心指导下完成的，余老师严谨的治学态 度和广博的学术知识给了我极大的影响和帮助，余老师深入的科学研究与工程实 践紧密结合的工作方法深深教育和启发着我。余老师在指导我完成论文的同时， 在研究生的学习期间给我创造了良好的学习环境和实践机会，同时生活上也给予 了我很多的关照。这一切都让我终生难忘与受益不尽。在此论文完成之际，对余 老师表示由衷的敬意和衷心的感谢。 张宏伟老师在论文撰写期间也提供了巨大的帮助和指导，在此同样表示衷心 的感谢。 感谢我的家人在我研究生期间对我的理解与支持，使我能够专心完成学业。 感谢我的同学，在学习上讨论和交流，在生活上互相帮助，对论文的完成也 给予了贡献，在此同样表示感谢。
关键词：有源电力滤波器；谐波电流检测；电压空间矢量
Ⅰ
II
Abstract
In recent years, with the widely application of the power electronic devices, such as electric arc furnace, converter, and a large number of harmonic currents and impact reactive power into power, voltage and current in the waveform distortion, the serious influence power supply system of power quality. Therefore, the management of electric harmonic current research hot spot, become active power filter can dynamically restrain harmonics and compensating reactive power, is recognized as the electric system harmonic problem is one of the most effective methods. Based on parallel active power filter for research object, a systematic analysis on parallel active power filter based on the basic principle of parallel, the realization of active power filter circuit and control strategy are analyzed and studied. Focus on the harmonic and reactive current detection and extraction method, a deep research on the instantaneous reactive power theory based on the method of harmonic detection; Based on the voltage space vector control strategy, hysteresis current using current error vector and reference voltage vector space distribution are the best space voltage vector switching scheme, the current control error in a given hysteresis width within; For DC voltage using fuzzy control and PI control using the control method. Based on parallel active power filter 100kVA should apply for example, design based on DSP + CPLD of digital controller, and explains in detail the controller, the structure and function of each part. In MATLAB/SIMULINK to shunt active power filter on the simulation analysis, the simulation results show that the active power filter harmonic control of power and compensation has good effect.
河南理工大学 学位论文使用授权声明
本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用 影印、缩印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权。 学位论文作者签名： 年 月 日 导师签名： 年 月 日
摘 要
近年来，随着电力电子装置的广泛应用，如电弧炉、电焊机和变频器等，将 大量的谐波电流和冲击性无功功率注入到电网中，导致了电网电压和电流波形产 生畸变，严重影响了供用电系统的电能质量。因此，对电力谐波的治理成为目前 研究的热点，有源电力滤波器能动态地抑制谐波和补偿无功，被公认为是解决电 力系统谐波问题的最有效手段之一。 本文以并联型有源电力滤波器为研究对象，在系统地分析并联型有源电力滤 波器的基本原理的基础上，就并联型有源电力滤波器的实现电路及控制策略进行 了较深入的分析与研究。重点讨论了谐波和无功电流的检测与提取方法，深入研 究了基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法；采用基于电压空间矢量的滞环 电流控制策略，利用电流误差矢量与参考电压矢量的空间分布给出最佳的空间电 压矢量切换方案，使电流误差控制在给定的滞环宽度以内；对直流母线电压采用 将模糊控制和 PI 控制复合使用的控制方法。 本文以 100kVA 并联型有源电力滤波器为例，设计了基于 DSP+CPLD 的全数 字化控制器，并详细阐述了控制器各部分的结构和功能。在 MATLAB/SIMULINK 环境下对并联型有源电力滤波器进行了仿真分析，仿真结果表明，该有源电力滤 波器对电力谐波治理与补偿具有较好的效果。
中图分类号：TN713 UDC：621.3
密
级：公开
单位代码：10460
并联型有源电力滤波器的设计与研究 Design and Research on Shunt Active Power Filter
申请人姓名 学科专业 导 师申请学位 职 称
工学硕士 工业过程控制 教 授 2010.12
硕士学位论文
并联型有源电力滤波器的设计与研究
申请人姓名： 指导教师： 专业名称： 研究方向：
孙标广 余发山 教授 控制理论与控制工程 工业过程控制
河南理工大学电气工程与自动化学院 二○一零年十二月
河南理工大学 学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含 任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究 的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名: 年 月 日
Keywords: Active power filter；Harmonic current detection；Voltage space vector
Ⅱ
IV
目 录
摘 要 .................................................................................................................................I 目 录 ............................................................................................................................. III 1 绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 电力谐波问题及研究现状 ....................................................................................... 1 1.1.1 电力谐波产生的原因 ............................................................................................ 1 1.1.2 电力谐波的危害 .................................................................................................... 2 1.2 电力谐波抑制措施 ................................................................................................... 2 1.2.1 高功率因数整流器 ................................................................................................ 2 1.2.2 无源滤波器 ............................................................................................................ 3 1.2.3 有源电力滤波器 .................................................................................................... 4 1.3 有源电力滤波器的发展现状和趋势 ....................................................................... 4 1.4 本文的主要内容 ....................................................................................................... 6 2 有源电力滤波器的数学模型建立与主电路设计 ...................................................... 7 2.1 有源电力滤波器解决方案 ....................................................................................... 7 2.2 有源电力滤波器系统结构及原理分析 ................................................................. 10 2.3 有源电力滤波器的数学模型建立 ......................................................................... 11 2.4 100kVA 并联型有源电力滤波器的主电路设计 .................................................... 14 2.4.1 功率开关器件的选择 .......................................................................................... 15 2.4.2 缓冲电路设计 ...................................................................................................... 15 2.4.3 主电路直流侧电容参数计算 .............................................................................. 18 2.4.4 交流侧滤波电抗器参数计算 .............................................................................. 19 3 谐波电流检测与提取方法 ........................................................................................ 23 3.1 常用谐波电流检测方法比较 ................................................................................. 23 3.2 ip-iq 算法 .................................................................................................................. 24 3.3 ip-iq 算法的实现 ...................................................................................................... 26 3.3.1 实现框图 .............................................................................................................. 26 3.3.2 数字低通滤波器设计 .......................................................................................... 27 4 有源电力滤波器电流跟踪控制策略的研究 ............................................................ 29
控制理论与控制工程 研 究 方 向 答辩日期
河南理工大学
致 谢
本论文是在我的导师余发山教授的悉心指导下完成的，余老师严谨的治学态 度和广博的学术知识给了我极大的影响和帮助，余老师深入的科学研究与工程实 践紧密结合的工作方法深深教育和启发着我。余老师在指导我完成论文的同时， 在研究生的学习期间给我创造了良好的学习环境和实践机会，同时生活上也给予 了我很多的关照。这一切都让我终生难忘与受益不尽。在此论文完成之际，对余 老师表示由衷的敬意和衷心的感谢。 张宏伟老师在论文撰写期间也提供了巨大的帮助和指导，在此同样表示衷心 的感谢。 感谢我的家人在我研究生期间对我的理解与支持，使我能够专心完成学业。 感谢我的同学，在学习上讨论和交流，在生活上互相帮助，对论文的完成也 给予了贡献，在此同样表示感谢。
关键词：有源电力滤波器；谐波电流检测；电压空间矢量
Ⅰ
II
Abstract
In recent years, with the widely application of the power electronic devices, such as electric arc furnace, converter, and a large number of harmonic currents and impact reactive power into power, voltage and current in the waveform distortion, the serious influence power supply system of power quality. Therefore, the management of electric harmonic current research hot spot, become active power filter can dynamically restrain harmonics and compensating reactive power, is recognized as the electric system harmonic problem is one of the most effective methods. Based on parallel active power filter for research object, a systematic analysis on parallel active power filter based on the basic principle of parallel, the realization of active power filter circuit and control strategy are analyzed and studied. Focus on the harmonic and reactive current detection and extraction method, a deep research on the instantaneous reactive power theory based on the method of harmonic detection; Based on the voltage space vector control strategy, hysteresis current using current error vector and reference voltage vector space distribution are the best space voltage vector switching scheme, the current control error in a given hysteresis width within; For DC voltage using fuzzy control and PI control using the control method. Based on parallel active power filter 100kVA should apply for example, design based on DSP + CPLD of digital controller, and explains in detail the controller, the structure and function of each part. In MATLAB/SIMULINK to shunt active power filter on the simulation analysis, the simulation results show that the active power filter harmonic control of power and compensation has good effect.
河南理工大学 学位论文使用授权声明
本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即：学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用 影印、缩印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权。 学位论文作者签名： 年 月 日 导师签名： 年 月 日
摘 要
近年来，随着电力电子装置的广泛应用，如电弧炉、电焊机和变频器等，将 大量的谐波电流和冲击性无功功率注入到电网中，导致了电网电压和电流波形产 生畸变，严重影响了供用电系统的电能质量。因此，对电力谐波的治理成为目前 研究的热点，有源电力滤波器能动态地抑制谐波和补偿无功，被公认为是解决电 力系统谐波问题的最有效手段之一。 本文以并联型有源电力滤波器为研究对象，在系统地分析并联型有源电力滤 波器的基本原理的基础上，就并联型有源电力滤波器的实现电路及控制策略进行 了较深入的分析与研究。重点讨论了谐波和无功电流的检测与提取方法，深入研 究了基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法；采用基于电压空间矢量的滞环 电流控制策略，利用电流误差矢量与参考电压矢量的空间分布给出最佳的空间电 压矢量切换方案，使电流误差控制在给定的滞环宽度以内；对直流母线电压采用 将模糊控制和 PI 控制复合使用的控制方法。 本文以 100kVA 并联型有源电力滤波器为例，设计了基于 DSP+CPLD 的全数 字化控制器，并详细阐述了控制器各部分的结构和功能。在 MATLAB/SIMULINK 环境下对并联型有源电力滤波器进行了仿真分析，仿真结果表明，该有源电力滤 波器对电力谐波治理与补偿具有较好的效果。
中图分类号：TN713 UDC：621.3
密
级：公开
单位代码：10460
并联型有源电力滤波器的设计与研究 Design and Research on Shunt Active Power Filter
申请人姓名 学科专业 导 师申请学位 职 称
工学硕士 工业过程控制 教 授 2010.12