论文---有源电力滤波器的设计

上海工程技术大学毕业设计（论文）有源电力滤波器的设计1摘要本文首先通过对电力系统中交流电压和交流电流的傅里叶分析，引出了谐波这一概念。通过分析谐波的相关概念和谐波的产生原因，举例分析了各种谐波源的产生过程，以及谐波对电力系统和用户的影响及危害，说明了抑制谐波的重要性。再通过阐述抑制谐波的各种措施，得出安装滤波器是减小谐波的有效措施。接下来就是本文的重点内容，即滤波器的工作原理，结构，控制方式。而不同类型的滤波器有不同的原理，结构也不一样，控制方式也是多种多样，但它们之间具有密不可分联系，本文进行了详细的分析。最后，文章阐述并联型有源电力滤波器的设计过程，包括其原理的分析，结构的构思，包含了主电路的设计，电流跟踪方式的选取和直流侧电压的的控制以及区别于其他类型滤波器的优缺点。还成功地用matlab软件构建了一个并联型有源电力滤波器，来模拟并联型有源电力滤波器减少电网谐波的实验，并对其进行波形进行了FFT处理和分析。通过仿真实验研究,结果证实了设计方案的正确性和可行性。关键词：谐波，并联型有源电力滤波器，脉宽调制，连接电抗器，傅里叶变换上海工程技术大学毕业设计（论文）有源电力滤波器的设计2TheDesignofActivePowerFilterABSTRACTFirstly,ACcurrentandACvoltageofthepowersystemareanalysisedbyTransformationofFourierinthispaper,thenitcomesupwithaconceptcalledharmonic.Whileanalyzingtherelatedconceptsandcausesofharmonic,itgivesexamplesofthegenerationprocessofvarietiesofharmonicequipmentandtheimpactanddamageofharmonicstothepowersystemandusers,soitcometoaconclusionthatitisimportanttoreduceharmonicofthepowersystem.installingfilterisaneffectivemeasuretoreduceharmonic.Thenextisthefocusofthecontentofthisarticle,suchastheworkingprinciple,structureandthecontrolmodeoffilterswhicharedifferentfromeachother,buttherearelotslinkswitheachother,whichisanalysiseddetaillyinthepaper.Finally,aparallelactivepowerfilterisdesigned.Lotsofcontentsareincludedinthepaper,forexample,thestructureoftheconception,thedesignofmaincircuit,selectionoftrackingmodeofcurrentandcontrolingofDCvoltage.Advantagesanddisadvantagesdifferentfromfiltersofothertypesareanalysisedtoo.IthavesuccessfullybuiltaparallelactivepowerfilteranddoneaexperimentofreducingharmonicofpowersystembythesoftwareofMATLAB.AllwaveshapesintheexperimentareprocessedandanalysisedbyFFT.Byresultsofthesimulationexperiment,thevalidityandfeasibilityoftheschemeofthedesignareprovedgreatly.上海工程技术大学毕业设计（论文）有源电力滤波器的设计3Keywords:harmonicshuntactivepowerfilter，pulsewidthmodulation，linkedreactor，transformationofFourier上海工程技术大学毕业设计（论文）有源电力滤波器的设计4有源电力滤波器的设计0213072770引言1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现[1]。20世纪年代无源滤波器日趋成熟。自60年代起由于计算机技术，集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗，高精度，小体积，多功能，稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积，多功能，高精度，稳定可靠称为70年代以后的主攻方向[2]。近年来，随着电力电子技术的广泛应用，电能得到了更加充分的利用。但电力电子装置自身所具有的非线性也使得电网的电压和电流发生畸变，这些高度非线性设备数量和额定容量的日益增大使得电力系统谐波污染问题日益严重，已成为了影响电能质量的公害，对电力系统的安全，经济运行造成了极大的影响，而另一方面供电方及其电力系统设备，用户及其用电器对电能质量的要求越来越高，这一矛盾使得人们对谐波污染问题越来越重视。据某日报报道，我国仅由电能质量问题造成的年电能损失就高达400多亿元，冶金，铁路，矿山等企业的谐波严重超标，因谐波问题导致的开关跳闸，大面积停电甚至电力系统解列等事故也屡见不鲜，因此对电力系统的谐波污染进行综合治理已成为摆在科技工作者面前的一个具有重要现实意义的研究课题[5]。而有源电力滤波器由于具有高度可控性和上海工程技术大学毕业设计（论文）有源电力滤波器的设计5快速响应性，能对频率和幅值都变化的谐波进行补偿，因而受到广泛的重视，称为目前国内外供电系统谐波抑制研究的热点。我国广泛使用滤波器是50年代后期的事，当时主要用于话路滤波器和报路滤波。经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制，生产和应用等方面已经纳入国际发展步伐，但由于缺少专门的研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型的滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。1965年单片集成运算放大器问世后，为有源滤波器开辟了广阔的前景。70年代初期，有源电力滤波器发展引人注目，1978年单片RC有源电力滤波器的问世，问滤波器集成迈进了可喜的一步。由于运放的增益和向移均为频率的函数，这就限制了RC有源滤波器的频率范围，一般工作频率为20kHz左右，经过补偿后，工作频率也限制在100kHz以内[10]。1979年产生了更高频的RC有源滤波器，使工作频率可达到GB/4。由于R的存在，给集成工艺造成困难，于是又出现了有源C滤波器，就是滤波器由电容和运放组成。这样容易集成，更重要的是提高了滤波器的精度，因为有源C滤波器的性能只取决与电容之比，与电容绝对值无关。但它有一个主要的问题，由于各支路元件均为电容，所以运放没有直流反馈通道，使稳定性成为难题。1982年由Geiger，Allen和Ngo提出用连续的开关电阻去代替有源RC滤波器的电阻R,就构成了SRC滤波器，它仍属于模拟滤波器。但由于采用预置电路和复杂的相位时钟，使这种滤波器发展前途不大。在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器的应用很广泛，在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。滤波器的优劣直上海工程技术大学毕业设计（论文）有源电力滤波器的设计6接决定产品的优劣，所以对滤波器的研究和生产历来为各国所重视，这导致RC有源滤波器，数字滤波器，开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展，到70代后期，上述几种滤波器的单品集成已经被研制出来并得到广泛的应用。80年代致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制[12]。当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。总之，由RC滤波器为原型的各类变种有源滤波器去掉了电感器，体积小，Q值达到1000法，克服了RLC无源滤波器的体积大，Q值小的特点[20]。但它仍然有许多课题有待进一步研究，例如，理想运放与实际特性的偏差的研究。由于有源滤波器混合集成工艺的不断改进，单片集成有待进一步研究，应用线性变换法方法探索最少有源元件的滤波需要继续探索，元件的绝对值容差的存在，影响滤波器精度和性能等问题仍未解决。由于R存在，集成占芯片面积大，电阻误差大大，线性度差等缺点，使大规模集成仍然有困难。尽管有这么多问题，RC滤波器的理论和应用仍在持续发展中。现在，笔者根据在学校学到的电力电子技术，数字电路，模拟电路，单片机，计算机等知识写了这篇关于有源电力滤波器的论文。本文从分析谐波开始阐述，分析了谐波的产生细节，对谐波源进行了详细分析，然后设计了一种目前应用相当广泛的并联型有源电力滤波器，并且利用功能强大，广泛应用于教学科研的软件matlab软件，构建了一个模拟并联型有源电力滤波器滤除电网谐波的仿真程序，并对仿真结果进行了详细的分析上海工程技术大学毕业设计（论文）有源电力滤波器的设计7和论证。希望对有源电力滤波器今后的推广和发展具有一定意义。1谐波1.1谐波的概念电力系统中，理想的交流电压和交流电流的波形应该是标准的正弦波，即正弦波电压可表示为：)sin(2)(tUtu…………………………………………………………（1.1）式中U—正弦波电压)(tu的有效值；w—)(tu的角频率；—)(tu的初始相位角；当式（1.1）表示的正弦波电压加到无源线性元件电阻，电感和电容上时，所产生的电流与电压的关系分别为比例，积分和微分的关系，但其波形仍然是与电压同频率的正弦波。若正弦波电压加到非线性负载上时，由此产生的电流为非正弦波，该非正弦波电流在电网阻抗上产生非正弦的电压降。对于周期为wT/2的非正弦波电压)(wtu，在满足荻里赫利条件时，可分解为如下的傅里叶级数：10)sincos()(nnntnbtnaatu…………………………………………（1.2）式中)()(21200wtdwtua)(cos)(120wtnwtdwtuan20)(sin)(1wtnwtdwtubn上海工程技术大学毕业设计（论文）有源电力滤波器的设计8（n=1,2,3,...）如果取nnncasinnnncbcos则)(22nnnbac此时（1.2）可以写成:10)sin()(nnntncatu…………………………………………………（1.3）在式（1.2）和（1.3）中，频率为f的分量称为基波，频率为nf（n为大于1的整数）的分量为谐波，n称为谐波次数。通常用谐波的含有率来表示谐波分量对波形的影响。电压谐波电压的含有率HRUn定义为:%1001UUHRDnu……………………………………………………………（1.4）式中nU—第n次谐波谐波电压的有效值；1U—基波电压的有效值；另外，还可用谐波总畸变率来表示分量对波形的影响。电压谐波的总畸变率THDu为：%1001UUTHDHn……………………………………………………………（1.5）上式中的nU称为谐波电压含有量，定义为:上海工程技术大学毕业设计（论文）有源电力滤波器的设计922nnHUU…………………………………………………………………………（1.6）同理可以定义第n次谐波电流的含有率nHRI，谐波电流的含有率HI和电流谐波的总畸变率，iTHD为:%1001IIHRInn22nnHII%1001IITHDHi根据以上的定义可以明确谐波的基本性质，即谐波频率为基波频率的整数倍。不同国家具有不同的基波频率，我国电力系统的基波频率是50赫兹；有些国家的基波频率为60赫兹。因此，2次谐波为100赫兹或120赫兹，3次谐波为150赫兹或180赫