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分类号TM712密级UDC西安交通大学博士学位论文三相四线制有源电力滤波器的研究卓放指导教师姓名王兆安教授西安交通大学申请学位级别博士专业名称电气工程论文提交日期2001年4月论文答辩日期2001年5月答辩委员会主席：教授评阅人：教授2001年4月15日西安交通大学博士学位论文英文题目:StudyonActivePowerFilterinThree-phaseFour-wireSystem论文主题词:Harmonics,Three-phaseFour-wireSystem,ActivePowerFilter,InstantaneousReactivePower,Multiplex,DigitalControlTechnique.论文类型（选）1.理论研究2.应用基础3.应用研究√4.研究报告5.软件开发6.设计报告7.案例分析8.调研报告9.其他0摘要（中文）三相四线制有源电力滤波器的研究摘要本文在国家自然科学基金重点项目“复杂供用电系统谐波的基础理论及综合防治的研究”（NO.59737140）的支持下，主要在三相四线制系统中的瞬时无功功率理论和有源电力滤波器方面进行了深入的研究。本文的主要研究内容有：研究在三相四线制条件下的瞬时无功功率理论；寻找适合在三相四线制系统中谐波电流和零序电流的实时检测方法；探讨三相四线制系统中有源电力滤波器的主电路结构形式、控制方法和补偿特性；另外，对有源电力滤波器的数字化控制和采用多重化主电路技术实现的大容量有源电力滤波器等方面也作了研究。本文首先研究了在三相四线制系统中的瞬时无功功率理论，解释了此条件下的瞬时有功功率、瞬时无功功率和瞬时零序功率的定义及含义。在此基础上，提出了两种基于该理论的谐波电流检测方法，并对采用零线电流分离法实现的谐波电流及瞬时无功电流的实时检测方法进行了深入研究。该方法基于瞬时无功功率理论，实时性好，易于实现数字化。理论分析和实验结果均证明了该方法的正确性。三相四线制系统中由于存在零线，所用的有源电力滤波器在主电路和控制电路的构成上都有自己的特点。对零线电流补偿方法的不同产生出不同的主电路结构形式和控制方法。论文讨论了在三相四线制系统中有源电力滤波器主电路及控制电路的构成，就主电路分别为四相变流器和三相变流器两种不同结构方式的工作原理和相应的控制电路进行了深入的研究，提出了各自的控制方法以及相应的直流侧电压控制方法。并对相关内容通过仿真和实验进行了验证，证明了所提出的方法的正确性。1西安交通大学博士学位论文在解决了三相四线制系统条件下谐波电流的实时检测方法和有源电力滤波器不同主电路形式下的工作原理的基础上，作者研制了采用四相变流器为主电路和采用三相变流器为主电路的三相四线制有源电力滤波器的两台实验装置。论文中对这两种系统的电路原理、主电路设计、主要元器件的参数计算、控制电路的设计以及实验装置的实验结果等进行了详细的介绍。论文对如何将数字化控制技术应用到有源电力滤波器中进行了探讨，设计制作了一用于三相四线制有源电力滤波器的、采用双DSP数字化技术实现的控制电路。双DSP数字化控制电路充分利用了两个DSP芯片各自的特点，使谐波指令电流的计算和接口的控制合理分配，取得了很好的控制效果。有源电力滤波器通常需要较大的容量。作者设计、制作了一种不用变压器、采用四重化主电路实现的120kVA有源电力滤波器实验装置。在控制电路中，为均衡各变流器的谐波补偿输出电流，采用的均衡指令电流的方法将电流指令分配至4组PWM变流器，通过各变流器的电流跟踪控制，达到了预期的补偿功率。另外，在变流器跟踪控制时，对控制的时钟进行了分配控制，使整个装置的等效开关频率为单个器件开关频率的4倍，获得了良好的补偿效果。关键词：谐波三相四线制有源电力滤波器瞬时无功功率多重化数字化2目录目录1绪论11.1谐波及其抑制技术…………………………….…………………..…11.1.1谐波问题的由来…………………………..……………..………….……11.1.2电力电子装置产生的谐波………………..……………...……….………31.1.3谐波标准…………………………………..……………..……….………31.1.4谐波抑制…………………………………..……………..……….………41.2有源电力滤波器的工作原理和发展概况……………………………51.2.1有源电力滤波器的分类………………….………….…..……….….…71.2.2有源电力滤波器的应用情况…………….………….…..………………111.3研究三相四线制有源电力滤波器的现实意义…………………….131.4本文的研究背景及主要内容概述………….…………………….…142三相四线制系统中的功率理论和谐波电流实时检测方法172.1三相电路瞬时无功功率理论………….………………………...…172.2三相三线电路中谐波及无功电流的实时检测………………………202.2.1p、q运算方式………………………………...……….…………...…212.2.2、i运算方式………………….……….….…..……….…………...21ipq2.3三相四线制系统中的瞬时无功功率理论……………………….…222.4三相四线制系统中谐波电流的实时检测……………………….…312.4.1零序功率分离法检测系统谐波电流……….……...……….……….….322.4.2零线电流分离法检测系统谐波电流……….……...……….…………..332.5仿真结果…………………………………………….…………….…352.6小结…………………………………………………………….….…373三相四线制有源电力滤波器的主电路结构研究393.1四相变流器结构方式及其控制…………………………….….391西安交通大学博士论文3.2三相变流器结构方式及其控制………………………………….….423.2.1指令电流运算电路…….……..………..…………..………………….443.2.2直流侧电压控制…….……..……….….………..…………………….453.3实验及仿真结果………………………………….………………...473.4小结………………………………………..…….………………...494三相四线制有源电力滤波器的实验研究514.1采用四相变流器为主电路的三相四线制有源电力滤波器实验研究.524.1.1主电路结构设计及主要参数选择….…………..….…………………….524.1.2控制电路设计….…………..………………….………………………..584.1.3实验结果….…………..……………………….…………………….….634.2采用三相变流器为主电路的三相四线制有源电力滤波器实验研究.634.2.1主电路设计….…….……..………………………………………………644.2.2控制电路….……….…..………………………………………………..644.2.3实验结果….…………..…….…………….…………………………….654.3小结………………………………………..…….………………..665有源电力滤波器的数字化控制研究685.1数字化控制的有源电力滤波器系统组成………………………….685.2双DSP组成的控制电路………………..…….…………………….695.2.1TMS320F240接口操作模块……………….….………………………….705.2.2TMS320C32指令电流计算模块……………..………………………….725.2.3可编程逻辑器CPLD……………………….……………………………..745.3数字化控制电路在有源电力滤波器上的应用…………………….755.4实验结果………………………………..…….…………………….765.5小结………………………………..…….………………………….776采用多重化主电路实现大功率有源电力滤波器的研究796.1大容量有源电力滤波器实现方案的对比.………………………...802目录6.1.1采用多个器件串并联实现的大容量有源电力滤波器.….………………806.1.2采用多台小容量有源电力滤波器并联实现的大容量有源电力滤波器….806.1.3采用多重化主电路实现的大容量有源电力滤波器…………………..…816.2采用四重化主电路实现的大功率有源电力滤波器………………….…846.2.1四重化主电路设计…….…………………………………………………846.2.2控制电路…………….………………………………………………..…866.3实验结果………………….…………………….…………………….………886.4小结………………….…………………….…………………….……………907结论及展望91致谢95参考文献98攻读博士学位期间的研究成果10431绪论1绪论非线性负载尤其是电力电子装置使用的日益增多，使谐波电流和无功电流大量注入电网，引起电网闪变、频率变化、三相不平衡和谐波，影响电能质量、输电效率和设备寿命的安全运行与正常使用。如何对谐波和无功功率进行滤波及补偿已成为电力电子技术、电力系统、电气自动化、理论电工等领域中迫切需要解决的重要课题[1-4]。本文的研究主要是有关有源电力滤波器在三相四线制系统中进行谐波抑制的问题。在国家自然科学基金（重点项目：59737140（复杂供用电系统谐波的基础理论与综合防治的研究））的资助下，本文致力于三相四线制有源电力滤波器方面的研究，以解决有源电力滤波器在应用时急待解决的一些问题，为其实用化奠定基础。本章首先介绍了电网谐波及其危害、谐波的抑制技术，然后介绍了有源电力滤波器的工作原理和研究现状，指出了研究有源电力滤波器在三相四线制系统中应用的现实意义，最后对本文的研究背景及主要的研究内容进行了简单介绍。1.1谐波及其抑制技术1.1.1谐波问题的由来在本世纪20年代和30年代，静止汞弧变流器的使用造成电网的电压和电流波形出现畸变，引起了人们的注意和研究。1945年，J.C.Read发表的有关汞弧变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文[5]，其结论至今仍被工程界采用。到了50年代和60年代，高压直流输电技术的发展，推动了变流器谐波研究进一步深入，这一时期发表了许多有关变流器谐波的论文，KimbarkE.W.在其著作中对此进行了详细的总结[6]。随着电力电子技术的迅猛发展，各种电力电子设备在电力系统、工业部门、家庭和民用事业1西安交通大学博士学位论文部门得到了日益广泛的应用，其产生的谐波以及造成的危害日益严重，使世界各国对谐波问题都给予了十分的关心和重视。谐波是由与电网相连的各种非线形负载产生的。引起电力系统谐波的主要谐波源有[1-4]：（1）电力变压器的非线性励磁；（2）旋转电动机引起的谐波；（3）电弧炉引起的波形畸变；（4）各种电力电子装置（包含家用电器、计算机等的电源部分）产生的谐波。其中，随着电力电子装置应用的日益增多和装置容量的不断加大，这部分所产生的谐波比重也越来越大，目前已成为电力系统的主要谐波污染源。谐波对电力系统和其他用电设备可以带来非常严重的影响，主要危害可归纳为[1-4]：（1）在电力危害方面:1）使公用电网中的设备产生附加谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的使用效率增加电网线损。在三相四线制系统中，零线会由于流过大量的3次及其倍数次谐波电流造成零线过热，甚至引发火灾。2）谐波会产生额外的热效应从而引起用电设备发热，使绝缘老化，降低设备的使用寿命。3）谐波容易使电网与补偿电容器之间发生并联谐振或串联谐振。使谐波电流放大几倍甚至数十倍，造成过电流，引起电容器、与之相连的电抗器和电阻器的损坏。（2）在信号干扰方面:1）谐波会引起一些保护设备误动作，如继电保护，熔断器等。同时也会导致电气测量仪表计量不准确。2）谐波通过电磁感应和传导耦合等方式对邻近的电子设备和通信系统产生干扰，严重时会导致它们无法正常工作。谐波带来的危害越来越被人们所重视。探讨各种消除谐波的方法，如何减少直至消21绪论除谐