自动化专业、电力电子毕业论文.doc
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学士学位论文
并联型有源滤波器电流控制新方法 II
摘要 II
Abstract III
目录 IV
1绪论 1
1.1谐波抑制的意义 1
1.2谐波抑制的措施 3
1.3电能质量 5
1.4本文主要研究内容 7
2常用滤波器的性能比较分析 8
2.1有源滤波器 9
2.1.1有源电力滤波器的发展现状 10
2.1.2有源滤波器的工作原理 10
2.1.3衡量APF补偿性能的指标 11
2.1.4有源滤波器的主电路结构 12
2.1.5有源滤波器的分类比较 12
2.2无源滤波器 18
3谐波电流检测方法研究 20
3.1概述 20
3.2谐波检测方法的发展趋势 20
4控制策略的研究 26
4.1正弦脉宽调制技术 26
4.2滞环控制 31
4.3空间矢量PWM控制 32
4.4外层控制 32
5.1概述 34
5.2谐波检测环节仿真实现 34
5.2.1三相/两相变换SIMULINK下实现 35
5.2.2低通滤波器的仿真实现 35
5.2.2低通滤波器的仿真实现 35
5.2.3两相/三相变换SIMULINK下实现 36
5.2.4谐波提取部分仿真实现 36
5.3谐波补偿环节仿真实现 37
5.3.1主电路等效电路图 37
5.3.2主电路仿真实现 38
5.3.3谐波补偿实现 38
5.3.4负载侧电压和电流 40
结论 42
43
并联型有源滤波器电流控制新方法
摘要
在现代电力系统中,随着各种非线性电力电子装置的大量应用,电能质量不断受到关注。
这些装置向电力系统中注入谐波,使电网中的谐波污染日益严重,电能传输质量恶化。
因此,解决谐波问题,变得日益重要。
传统的谐波抑制方法是采用无源滤波器,但它存在许多缺陷,例如:
滤波特性受系统参数的影响较大,只能消除特定的几次谐波,可能与系统产生并联谐振,谐波电流增加导致滤波器负荷过重等,使得谐波抑制效果受到影响。
针对并联型有源滤波器提出了一种电流控制新方法,与传统控制方式不同,该方式不需要检测非线性负载中的谐波及无功电流。
本文论述了并联型有源滤波器电流控制的等效原理,MATLAB仿真结果表明,省略了检测环节的该控制方法电路结构简单,大大简化了算法的研究,能够更加简单准确地补偿谐波电流,动态响应速度也很快。
关键词:
电力电子技术;并联型有源滤波器;等效原理;电流控制;谐波及无功电流
Abstract
Inmodernpowersystem,withavarietyofnon-linearpowerelectronicdevicesofalargenumberofapplications,powerqualityconcern.Thesedevicesintothepowersystemharmonics,sothattheharmonicpowergridshavebecomemorepollutedandthequalityofthedeteriorationofelectricalenergytransmission.Thus,thesolutiontoharmonicproblems,becomeincreasinglyimportant.Traditionalmethodsofharmonicsuppressionistheuseofpassivefilter,butithasmanydefects,suchas:
filteringpropertiesoftheimpactofsystemparametersbyalargernumberofonlytheeliminationofspecificharmonics,mayhaveaparallelresonancewiththesystem,harmoniccurrentincreaseinoverloadedfilters,suchaslead,makingtheeffectofharmonicsuppressionaffected.Inthispaper,anewandefficientbasedonDSP(digitalsignalprocessor)-controlledsingle-phaseactivepowerfilter.
Anewequivalenceprincipleofcurrentcontrolforshuntactivepowerfiltersisintroduced,whichhasnouseformeasurementofharmonicandreactivecurrentsofnonlinearloads.Thispaperanalyzesanddemonstratestheprinciple.SimulationresultsbyMATLABaregiventoshowthattheequivalenceprinciplewithoutmeasurementshasmanymeritssuchassimplercircuitconfigurationandalgorithm,moreexactcompensationeffectivenessandrapiddynamicresponse.
Keywords:
powerelectronictechnique;shuntactivepowerfilters;equivalenceprinciple;currentcontrol
目录
并联型有源滤波器电流控制新方法 II
摘要 II
Abstract III
目录 IV
1绪论 1
1.1谐波抑制的意义 1
1.2谐波抑制的措施 3
1.3电能质量 5
1.4本文主要研究内容 7
2常用滤波器的性能比较分析 8
2.1有源滤波器 9
2.1.1有源电力滤波器的发展现状 10
2.1.2有源滤波器的工作原理 10
2.1.3衡量APF补偿性能的指标 11
2.1.4有源滤波器的主电路结构 12
2.1.5有源滤波器的分类比较 12
2.2无源滤波器 18
3谐波电流检测方法研究 20
3.1概述 20
3.2谐波检测方法的发展趋势 20
4控制策略的研究 26
4.1正弦脉宽调制技术 26
4.2滞环控制 31
4.3空间矢量PWM控制 32
4.4外层控制 32
5.1概述 34
5.2谐波检测环节仿真实现 34
5.2.1三相/两相变换SIMULINK下实现 35
5.2.2低通滤波器的仿真实现 35
5.2.2低通滤波器的仿真实现 35
5.2.3两相/三相变换SIMULINK下实现 36
5.2.4谐波提取部分仿真实现 36
5.3谐波补偿环节仿真实现 37
5.3.1主电路等效电路图 37
5.3.2主电路仿真实现 38
5.3.3谐波补偿实现 38
5.3.4负载侧电压和电流 40
结论 42
1绪论
电能己成为现代人类生活中不可缺少的重要元素之一,无论在工业生产还是日常生活中,用户对电力的可靠性及质量要求都在不断提高。
随着社会的发展和科技的进步,尤其是电力电子装置的广泛应用,一方面电力系统中的谐波污染随着非线性负载的数量和容量增加而日趋严重,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也日益提高,愈发严重的谐波污染与越来越高的电能质量要求形成了一对尖锐的矛盾。
尤其是IT产业的迅猛发展使得人类更加依赖数字化设备所提供的信息与服务,而数字化的设备对供电的质量要求更高。
同时,现代电力系统中,电力电子设备的应用日益广泛,这些负荷的非线性、冲击性和不平衡的用电特性对供电质量造成了严重污染。
近年出现的用户电力技术(CustomPower)概念就表明了信息时代的电力用户己经明确提出了对电能质量的要求,因而对改善电能质量的研究己是刻不容缓。
1.1谐波抑制的意义
自从采用交流电作为电能输送的一种方式起,人们就已知道电力系统中的谐波问题。
但是,近年来随着非线性设备的大量使用,使得这一问题更加突出。
通常作为谐波源,非线性设备可分为以下几类:
1、传统非线性设备,包括变压器、旋转电机以及电弧炉等。
2、现代电力电子非线性设备,包括荧光灯、在工业界和现代办公设备中广泛使用的电子控制装置和开关、电源、晶闸管控制设备等。
电力变压器是一种谐波源,由于经济原因,变压器使用的磁性材料通常在接近非线性或就在非线性区域运行。
在这种情况下,即使所加的电压是正弦的,变压器的励磁电流也是非正弦的,因而包含谐波。
同样,即使励磁电流是正弦的,电压也不可能完全是正弦的。
对于旋转电机来说,其线圈被嵌入线槽中,由于这些线槽不可能完全按正弦分布,从而使得产生的磁动势是畸变的,因此旋转电机也被认为是谐波源。
在荧光灯中,每隔半个周波电压被建立起来直到荧光灯被点亮,点亮状态下荧光灯呈负电阻特性,其电流由感性的非线性镇流器来限制,因此电流是畸变的。
静止无功补偿装置如TSC、TCR由于应用晶闸管来控制电容或是电感的导通时间,因此,它也会产生非正弦的斩波电流。
三相变流器产生谐波则是由于直流电流在交流三相之间不断换相引起的。
在大多数情况下,电网中的谐波成分可能不会对电网和电气设备构成严重的威胁,但在一定条件下,谐波成分会严重影响电气装置及联到该装置上的设备的正常运行,甚至会影响电力系统本身的安全稳定运行。
如:
广西苹果铝厂1996年6月因谐波超标,导致电容器爆炸,损坏高压开关和主变压器,造成大面积停电;湖南涟钢1998年7月,因5次谐波超标,导致豹南山220KV变电站停电16小时;由于电气化铁路产生的负序电流和谐波电流的影响,郑州电网继电保护误动,致使京广线中断数小时。
目前电力系统谐波已成为影响电能质量的公害,其危害主要表现在以下几个方面:
1、电力电容器引起的谐波放大。
2、增加旋转电机的损耗。
3、增加输电线的损耗,缩短输电线寿命。
4、增加变压器的损耗。
5、造成继电保护、自动装置工作紊乱。
。
6、引起电力测量的误差。
7、干扰通讯系统。
8、电弧熄灭。
发达国家的经验表明,随着科学技术的发展,非线性负荷用电设备的种类、数量和用电量将会迅猛增加。
很明显,随着我国改革开发和经济建设的发展,我国电网已开始遭遇并将迅速面临发达国家当前的谐波局面,即随着高新技术的发展,谐波污染源的使用数量猛增,电网电压畸变率也将上升。
另一方面,各类家用电器层出不穷,精密仪器设备发展迅猛,信息时代已经到来,越来越多的电气用户对取用的电能形态和功率流动的控制与处理提出了新的要求。
综上所述,对电能质量已经不能仅用频率和电压这两个指标来评价了,谐波已成为电能质量另一个重要指标。
为了避免谐波的危害,不少国家和国际组织制订了限制用电设备谐波的标准,如被广泛接受的IEEE519标准和IEC555-2标准。
可见,无论是从保障电力系统的安全、稳定、经济运行的角度,还是从用户用电设备的安全、正常工作的角度,有效地治理谐波,将其限制在允许范围之内,还电网一个洁净的电气环境,营造“绿色电网”,已经迫在眉睫。
我国谐波治理的水平还比较低,对电力科技工作者来说,谐波治理问题的研究具有十分重大的理论和现实意义。
1.2谐波抑制的措施
谐波治理的措施主要有三种:
一是受端治理,即从受到谐波影响的设备或系统出发,提高它们抗谐波干扰能力;二是主动治理,即从谐波源本身出发,使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波;三是被动治理,即外加滤波器,阻碍谐波源产生的谐波注入电网,或者阻碍电力系统的谐波流入负载端。
受端治理的措施主要有以下几种:
1、选择合理的供电方式。
2、避免电容器对谐波的放大。
3、提高设备抗谐波干扰能力。
4、改善谐波保护性能。
主动治理谐波的措施主要有以下几种:
1、增加变流装置的相数或脉冲数。
改造变流装置或利用相互间有一定移相角的换流变压器,可有效减小谐波含量,其中包括多脉整流和准多脉整流技术,但是装置更加复杂。
2、改变谐波源的配置或工作方式。
具有谐波互补性的装置应集中,否则应适当分散或交替使用,适当限制会大量产生谐波的工作方式。
3、多重化技术。
将多个变流器联合起来使用,用多重化技术将多个方波叠加,以消除频率较低的谐波,得到接近正弦波的阶梯波,但装置复杂,成本较高。
4、谐波叠加注入。
利用三次倍数的谐波和外部的三次倍数的谐波源,把谐波电流加到产生的矩形波形上,可用于降低给定的运行点处的某些谐波。
缺点是必须保证使三次倍数的谐波源与系统的同步,且谐波发生器的功率消耗常常高达整流器直流功率的10%。
5、采用PWM技术。
采用脉宽调制PWM(PulseWidthModulation)技术,使得变流器产生的谐波频率较高、幅值较小,波形接近正弦波,但只适用于自关断器件构成的变流器。
6、设计或采用高功率因数变流器。
比如采用矩阵式变频器、四象限变流器等,可以使变流器产生的谐波非常少,且功率因数可控制为1。
被动治理谐波的措施主要有以下几种:
1、采用无源滤波器PF(PassiveFilter)。
在谐波源附近或公用电网节点装设单调谐及高通滤波器,可以吸收谐波电流,同时还可以进行无功功率补偿,运行维护也简单。
2、采用有源滤波器APF(ActivePowerFilter)。
在谐波源附近和公用电网节点装设并联型或串联型APF,可以有效地起到补偿或隔离谐波的作用,并联型还可以进行无功功率补偿,但装置造价较高。
3、采用混合型有源滤波器HAPF(HybridActivePowerFilter)。
HAPF兼具PF成本低廉和APF性能优越的优点,属于APF的分支和发展。
HAPF的种类很多,大致可分为与PF的混合和与其它变流器的混合两类。
在被动治理谐波的措施中,无源滤波器本质上是频域处理方法,也就是将非正弦周期电流分解成傅立叶级数,对某些谐波进行吸收以达到治理的目的。
有源滤波器则是在时域中对非正弦周期电流进行分解后,再进行适当的电流补偿,从而改善系统的电流波形。
目前在治理谐波的措施中,广泛采用无源滤波器PF。
它利用电感、电容元件的谐振特性,在阻抗分流回路中形成低阻抗支路,从而减小流向电网的谐波电流但由于结构原理上的原因,在应用中存在着一些难以克服的缺点:
1、有效材料消耗多、体积大;
2、抑制较低次谐波的单调谐滤波器只对调谐点的谐波效果明显,而对偏离调谐点的谐波无明显效果,而实际工程设计时考虑设计投资又不可能靠增加滤波器的办法解决;
3、当系统中谐波电流增大时,无源滤波器可能过载,甚至损坏设备;
4、滤波效果随系统运行情况而变化,当系统阻抗和频率波动时,滤波效果变差;
5、滤波器的谐振频率会因电容、电感参数的偏差或变化而改变,电网频率会有一定的波动,这将导致滤波器的失谐;
6、当系统阻抗和频率变化时,可能与系统发生并联谐振,使装置无法运行,甚至使整个滤波系统无法正常运行;
7、可能与电力系统发生串联谐振,造成电压波形畸变而产生附加的谐波电流流进无源滤波器,影响滤波效果;
国内外的设计研究人员均注意到无源滤波器设计和运行中存在的问题,研究出若干解决办法,通过优化设计在一定程度上提高了无源滤波器的使用效果,但无源滤波器由于原理上带来的缺点是无法彻底克服的。
因此,有必要采用其它滤波方式来抑制谐波。
有源滤波器就是一种能够弥补无源滤波器不足的一种新型谐波抑制设备。
与传统的PF一样,有源电力滤波器APF也是给谐波电流或谐波电压提供一个在谐振频率处等效导纳为无穷大的并联网络或等效阻抗为无穷大的串联网络,但是一台APF理论上可以拥有无穷多个谐振频率。
在今天的电力电子器件的制造水平下,单独采用有源电力滤波器实现高压大功率的谐波补偿较为困难,而且成本也非常昂贵,因而采用混合型有源电力滤波器HAPF将无源滤波器PF和有源电力滤波器APF结合起来,取两者之长,避免它们的短处,是当前中、高电压大功率有源电力滤波器推广应用的必然途径。
1.3电能质量
一个理想的电力系统应以恒定频率(50Hz)和正弦波形,按规定的电压水平(标称电压)对用户供电。
在三相交流电力系统中,各相的电压应处于幅值相等,相位相差120o的对称状态。
由于系统各元件(发电机、变压器、线路等)参数并不是理想线性或对称的,而且负荷性质各异并可能随机变化,加之调控手段的不完善以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因,这种理想状态在实际当中并不存在,而由此产生了电网运行、电气设备使用中的各种各样的问题,也就产生了电能质量(PowerQuality)的概念。
电能质量中包括电压质量和电流质量。
电压质量(VoltageQuality)指实际电压与理想电压间的偏差,包含幅值、波形、相位等,它反映供电企业向用户供给的电力是否合格。
电流质量(CurrentQuality)指对用户取用的电流提出恒定频率、正弦波形的要求,并使电流波形与供电电压同相位,以保证系统以高功率因数运行,这个定义不能概括因电压原因造成的质量问题。
为了提高劳动生产率和自动化水平,基于计算机、微处理器的测量、分析、管理、生产及控制设备大显投入使用,信息的传送及互联网的应用日益普及。
这些用户对电能质量非常敏感,一个计算中心失去电压2s就可能破坏几十个小时的数据处理结果或者损失几十万元美元的产值。
当今自动化设备和连续精加工生产,例如柔性制造系统(FMS)或计算机综合制造系统(CIMS),它们对配电系统中的干扰非常敏感,甚至几分之一秒的不正常就可能在工厂内部造成混乱,这些用户对不合格电力的容许度可严格到1~2个周波。
可见,一方面用户对电力系统造成的干扰不容忽视,另一方面,用户对电能质量的要求也越来越高,而且这种矛盾随着科技的进步越来越明显。
电能质量不完全取决于电力生产企业,有的质量指标,例如谐波、电压波动和闪变,三相电压不平衡度,往往由用户的干扰决定;还有一部分是由难以预测的事故和外力破坏(如雷击)引起的。
该特点说明:
全面保障电能质量既是电力企业的责任,也是用户应尽的义务。
改善电能质量对于电网和电气设备的安全、经济运行,保障产品质量以及人民生活和生产的正常运转均有重要意义,人们早期对电能质量问题的认识比较简单。
主要局限在保持电网频率和电压水平(即静态或平均偏差不过大)。
自20世纪80年代以来,随着新型电力负荷迅速发展以及它们对电能质量的要求不断提高,电能质量才逐渐成为电力企业和用户共同关心的问题。
目前电能质量中某些问题己成为电工领域的前沿性课题,吸引了许多高等院校、科研院所和一大批电力科技工作者投入其中从事工作。
目前,改善电能质量的手段有技术相当成熟的无源滤波器、静止无功补偿装置(SVC)等,还有基于的电力电子技术的灵活交流输电系统(FACTS-FlexibleACTransmissionSystem)和作为FACTS技术延伸的DFACTS技术(又称CustomPower技术)。
其中,目前主要的FACTS装置有:
静态无功补偿器(STATCOM)、晶闸管控制的串联投切电容器(TSSC)、可控串联补偿电容器(TCSC)、统一潮流控制器(UPFC)等。
目前主要的DFACTS装置有:
有源滤波器(APF)、动态电压恢复器(DVR)、配电系统用静止无功补偿器(D-STATCOM)、固态切换开关(SSTS)等。
而电能质量的四个方面(电压波动和闪变、谐波和电压三相不平衡、电压降低和供电中断)都可归结为波形的畸变。
APF可以有效地补偿第二种和第三种畸变,而第一种和第四种畸变可以通过DVR本身的储能单元向系统注入正常电压与故障电压之差来补偿。
因此,有源电力滤波器在电能质量的改善中起到重要的作用。
另外,电能质量综合治理可以综合上述各项功能。
目前也得到了广泛的重视,典型装置为统一电能质量调节器(UPQC),UPQC是并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器的组合,既能吸收负荷侧的谐波,又能快速补偿供电电压中的电压跌落、波动和闪变、各相电压的不平衡以及故障时的短时电压中断,具有对电能质量综合调控的功能。
1.4本文主要研究内容
由于无源滤波器的固有缺陷,使其在有些系统中无法正常工作,而有源滤波器能够克服这些缺点。
随着工业的发展,谐波污染会变得越来越严重,同时对电能质量的要求也会越来越高。
从长远来看,有源滤波器终将成为电力系统谐波抑制和无功补偿的主要装置。
随着研究的进展,有源滤波器的谐波检测及控制部分的电路可以集成化,这样不同的负载只需选择不同的交流侧耦合电感、直流侧电容及逆变器功率器件即可,可以做到通用性,且体积小,易于实现,价格便宜。
“绿色电源”(即无谐波污染的电源)口号的提出,要求每个用电用户不能对供电系统电源产生谐波污染,而有源滤波器能够解决这个问题,它可以就地进行补偿,使谐波不会影响到整个电力网。
本文研究的主要内容如下:
1、研究并联型有源电力滤波器的工作原理、控制策略,介绍常见的几种并联有源电力滤波器拓扑结构。
2、分析谐波电流的检测方法,利用SIMULINK构建仿真模型并验证。
3、采用双闭环控制策略实现有源电力滤波器的谐波抑制作用。
2常用滤波器的性能比较分析
电力系统中产生谐波的设备日益增多,对电力系统谐波的治理受到越来越高的重视。
如何减少谐波成为治理谐波的关键一步,其主要措施有以下几点:
1、增加换流装置的相数或脉动数:
改造换流装置或利用相互间有一定移相角的换流变压器。
可有效地减少谐波量;换流装置容量应相等,此方法使装置复杂化;
2、加装交流滤波装置:
在谐波源附近装若干单调谐及高通滤波支路,以吸收谐波电流。
可有效地减少谐波量;同时应考虑功率因数补偿和电压调整效应;装置运行维护简单,但需专门设计;
3、改变谐波源的配置或工作方式:
具有谐波互补性的装置应集中,否则应适当分散或交替使用,适当限制谐波量大的工作方式。
可以减少谐波的影响;对装置的配置和工作方式有一定的要求;
4、加装静止无功补偿装置(或称动态无功补偿装置):
采用TCR或SR型静止补偿装置时其容性部分设计成滤波器,可有效地减少谐波源的谐波量,有抑制电压波动、闪变、三相不平衡和补偿功率因数的功能,具有综合的技术经济效益,但一次投资较大,需专门设计;
5、增加系统承受谐波能力:
将谐波源改由较大容量的供电点或由一级电压的电网供电。
可以减少谐波的影响;此方法应在规划和设计阶段考虑;
6、避免电容器对谐波的放大:
改变电容器的串联电抗器,或将电容器组的某些支路改为滤波器,或限定电容器组的投入容量。
可以有效地减少电容器对谐波的放大并保证电容器组的安全运行;需专门设计;
7、提高设备抗谐波干扰能力,改善谐波保护性能:
改进设备性能,对谐波敏感设备采用灵敏的谐波保护装置,适用于谐波(特别是暂态过程中谐波)较敏感的设备;需专门研究;
8、采用有源滤波器等新型抑制谐波的措施:
此方法正在研制和逐步推广应用。
目前还只用于低压小容量谐波源的补偿上,造价较高。
在谐波抑制技术方面,有了许多成果,由交流电抗器和电容器组成的无源滤波器国内外均己大量应用到工程实际中,而有源滤波器的初步应用,经实践表明了这一新型的谐波抑制装置有着更为广阔的发展及应用前景
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