1、设计（论文）题目：有源电力滤波器的研究指导教师: 2011 年11月2日文献综述随着大容量电力电子装置在高压交流电力系统中日益广泛的应用，谐波和无功等问题严重地威胁着系统自身的平安稳定运行。而传统的LC滤波器等有谐波抑制和无功补偿的诸多缺陷，为了克制这些缺陷，本文提出了一种新型的滤波器有源电力滤波器，是利用可关断电力电子器件，产生与负荷电流中谐波分量大小相等、相位相反的电流来抵消谐波的滤波装置。既实现了动态跟踪补偿，又可以补谐波和补无功。滤波器，顾名思义，是对波进展过滤的器件。“波是一个非常广泛的物理概念，在电子技术领域，“波被狭义地局限于特指描述各种物理量的取值随时间起伏变化的过程。该过程通
2、过各类传感器的作用，被转换为电压或电流的时间函数，称之为各种物理量的时间波形，或者称之为信号。因为自变量时间是连续取值的，所以称之为连续时间信号，又习惯地称之为模拟信号。随着数字式电子计算机技术的产生和飞速开展，为了便于计算机对信号进展处理，产生了在抽样定理指导下将连续时间信号变换成离散时间信号的完整的理论和方法。也就是说，可以只用原模拟信号在一系列离散时间坐标点上的样本值表达原始信号而不丧失任何信息，波、波形、信号这些概念既然表达的是客观世界中各种物理量的变化，自然就是现代社会赖以生存的各种信息的载体。信息需要传播，靠的就是波形信号的传递。信号在它的产生、转换、传输的每一个环节都可能由于环境
3、和干扰的存在而畸变，有时，甚至是在相当多的情况下，这种畸变还很严重，以致于信号及其所携带的信息被深深地埋在噪声当中了。按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种，滤波器有以下几种。无源滤波器仅由无源元件组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路比拟简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比拟明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感L较大时滤波器的体积和重量都比拟大，在低频域不适用。用于谐波治理的传统方式为并联无源LC滤波器，选定R、L、C的参数，使滤波网络在一定的谐波信号频率处产生谐振，从而到达抑制谐
4、波的目的。无源滤波器主要可以分为两大类：调谐滤波器和高通滤波器。调谐滤波器实际应用较多的是单调谐滤波器，它是利用电感、电容的串联谐振原理构成的。有源滤波器由无源元件和有源器件组成。通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽（由于不使用电感元件；通带X围受有源器件的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。有源滤波器的根本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网中只含
5、有基波分量，到达实时补偿电流的目的。如果要求有源滤波器在补偿谐波的同时，还补偿负载的无功，那么只要在补偿电流的指令信号中增加与负载电流无功分量反极性的成分即可。这种滤波器可对频率和大小都随时间变化的谐波以及变化的无功功率进展迅速动态跟踪补偿。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，对电力系统的平安、经济运行造成极大的影响;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
6、人们对谐波污染问题越来越重视。据?中国电力?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展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。而有源电力滤波器（active power filter-apf）由于具有高度可控性和快速响应性，能对频率和幅值都变化的谐波进展跟踪补偿，因而受到广泛的重视，成为目前国内外供电系统谐波抑制研究的热点。目前，在电力系统中抑制或减少谐波主要从两个方面进展：第一方面是从产生谐波的谐波源装置本身入手
7、。在这些装置设计时就考虑减小谐波的方法，增加谐波抑制环节，已减少电网的谐波注入量，在谐波源本身采取一些措施能大大减小电网谐波。但由于现代电力系统的复杂性以及电力半导体装置开关工作方式，不可能完全消除电网谐波。所以，谐波治理的第二个重要方面就是研究对系统中的谐波进展有效滤波和补偿的方法和措施。有源电力滤波器可广泛应用于工业、商业和机关团体的配电网中，如：电力系统、电解电镀企业、水处理设备、石化企业、大型商场及办公大楼、精细电子企业、机场港口的供电系统、医疗机构等。根据应用对象不同，HTAPF-I型有源电力滤波器的应用将起到保障供电可靠性、降低干扰、提高产品质量、增长设备寿命减少设备损坏等作用。为
8、了满足大规模数据中心机房的运行需要，通信配电系统中的UPS使用容量在大幅上升。据调查，通信低压配电系统主要的谐波源设备为UPS、开关电源、变频空调等。其产生的谐波含量都较高，且这些谐波源设备的位移功率因数极高。通过使用有源滤波器可以提高通信系统及配电系统的稳定性，延长通信设备及电力设备的使用寿命，并且使配电系统更符合谐波环境的设计规X。由于生产的需要，石化行业中存在着大量泵类负载，并且不少泵类负载都配有变频器。变频器的大量应用使石化行业配电系统中的谐波含量大大增加。目前绝大局部变频器整流环节都是应用6脉冲将交流转化为直流，因此产生的谐波以5次、7次、11次为主。其主要危害表现为对电力设备的危害
9、及在计量方面的偏差。使用有源滤波器可以很好地解决这方面的问题。为大幅提高熔化率、提高玻璃的熔化质量，以及延长炉龄、节省能源，在化纤行业常用到电助熔加热设备，借助电极把电直接送入燃料加热的玻璃池窑中。这些设备会产生大量的谐波，且三相谐波的频谱和幅值差异比拟大。大多数半导体行业的3次谐波非常严重，主要是由于企业中使用了大量的单相整流设备。3次谐波属于零序谐波，具备在中性线聚集的特点，导致中性线压力过大，甚至出现打火现象，存在着极大的生产平安隐患。谐波还会造成断路器跳闸，耽误生产时间。3次谐波在变压器内形成环流，加速了变压器的老化。严重的谐波污染必然对配电系统中的设备使用效率和寿命造成影响。由于有源
10、滤波存在的缺乏和缺陷，目前国内市场上主要以无源滤波为主；国际上以ABB、ABLEREX爱普瑞斯、诺基亚、施耐德梅兰日兰、西门子为代表，国内以山大华天，哈工大、XX赛博、XX亚派为代表，另外清华大学电机系研制的CleanPower系列有源电力滤波器在自适应能力，稳定性以及对各种延时的最优补偿方面有了长足的进展，成为了最先进的产品之一。随着电力电子技术的进步，有源电力滤波器以其巨大的技术优势、强大功能、逐渐下降的价格，必将最终取代传统的电容型无功补偿装置，占据市场主流。有源电力滤波器，是采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和
11、补偿电流发生电路两个主要局部组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器对信号进展处理，将谐波与基波别离，并以脉宽调制信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动IGBT或IPM功率模块，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进展补偿或抵消，主动消除电力谐波。有源电力滤波器的构造原理如图3.1所示。图中U和Z分别为市电网电压和负载，有源电力滤波器有电流检测电路和PWM-主电路组成。电流检测电路的作用是检测负载电流中的谐波分量和无功电流分量，主电路为双向功率传输的逆变电路，PWM为逆变电路的控制电路，PWM-主电路
12、的作用是对负载电流中的谐波分量和无功电流分量进展补偿。参考文献：1 王兆安，杨军，X进军等谐波抑制和无功功率补偿.:机械工业，19982 董云龙，吴杰，王念春.无功补偿技术综述.节能. 2003. 093 于建平，电网无功补偿技术及开展动向.供用电.2003. 034 李凤祥，赵不贿.谐波抑制和无功功率补偿技术的研究与应用电力系统及其自动化学报.2001. 105 胡铭，陈巧.有源滤波技术及其应用.电力系统自动化.2000. 24（10）: 66706 肖湘宁，X永海.混合型有源电力滤波器的研究.电网技术.1997. 27 叶忠明，董伯藩，钱照明，几种混合有源电力滤波器分析电工电能新技术.19
13、98. 28 门洪，梁志珊一种通用TSC型无功补偿控制器的研制.XX电力.2002. 029 谷永刚，肖国春，裴云庆，王兆安.晶闸管投切电容器（TSC）技术的研究现状与开展.电力电子技术.2003. 0210 郭森民.应用无功补偿技术的考前须知.木材加工机械.2003. 0211 王铮无功补偿容量确实定.电工技术杂志.2002. 0912 王圣典，X润超.无功补偿装置与闪络放电事故.群众用电.2001. 0713 李玉梅，马伟明，唐爱红.电力有源滤波器的研究现状及开展，海军工程学院学报.1999. 314 卓放，杨军，王兆安.有源电力滤波器的开展动状及其应用，电气自动化.2002. 415 薛
14、蕙，杨仁刚.利用Morlet连续小波变换实现非整次谐波的检测.电网技术.2002. 1216 何益宏，卓放，王兆安等.一种基于瞬时无功功率理论谐波检测的离散滤波方法.电功电能新技术.2002. 2（5）. 13-15, 50.17 何益宏，卓放，周新.利用瞬时无功功率理论检测谐波电流方法的改良.电工技术学报.2003. 2 1151程建翼，谈顺涛电容器组对谐波的放大及解决措施XX电力.1995. 0318 杨力一开，肖湘宁.基于瞬时无功功率理论高次谐涉及基波无功电流的准确检测.电工电能新技术.199819 X俊敏，宣扬.基于瞬时无功功率理论谐波检测的新方法.电力情报.2002. 220 陈怀探
15、，等译.数字信号处理及其MATLAB实现:电子工业，199721 X志涌，X彦琴等.MATLAB教程:基于6.X版本.:航空航天大学，200122 谢磊，姜新建，朱东起.综合电力滤波器中谐波检测系统的研究.电工电能新技术.1998. 32设计方法与实施方案1有源电力滤波器有并联型，串联型及混合型等形式。并联型主要是用于电流型负载，而串联型主要用于谐波电压型负载。本课主要题利用matlab编程工具，实现并联型有源电力滤波器的滤波功能，它是通过实时检测负载的谐波电流，控制逆变器向电网注入与负载谐波电流大小相等但方向相反的电流来实现的。2非线性负载由两个二极管整流器构成，它们分别通过三角形-三角形，
16、三角形-星形变压器与电网连接。3前10个周期只有一个二极管整流器投入运行，其直流负载为可控电流源，前5个周期为2000安，其后变为3000安。从第10个周期开场，短路器闭合，第二个二极管整流器投入，注入电网的谐波特性会发生变化。4由检波的含有谐波的负载电流经过PLL模块得到基波电流的波形信息，同时求出负载电流的有效值，二者相乘即可得到电网三相电流的指令值，这是一个只含基波且其作用与负载电流等效的正弦电流。有源滤波器的控制目的就是使注入电网的电流等于该指令值。因此有源滤波器输出电流应为该指令值与负载电流的差。5用MATLAB运行程序，可得负载电流，电网电流和有源滤波器的输出电流的波形，为了更清楚地分析有源滤波器的效果，往往对电流进展FFT分析。指导教师的意见：指导教师：年月日 所在系审查意见： 系主任：年 月 日
