1、并聯式三相三線有源電力濾波器之仿真研究1.緒論目前，電能己經成為社會上使用最廣泛的能源之一，隨著電力電子器件的廣泛應用，用戶向電網注入的諧波污染也日趨嚴重，對電能質量的要求也越來越高。本章介紹了諧波的成因，列舉了諧波危害的各種表現，通過比較現有的諧波抑制方法，凸顯了有源電力濾波器的優點，說明本文進行有源電力濾波器的仿真工作是有意義的。1.1諧波研究的背景1.2諧波抑制方法及相互比較目前諧波抑制的方法主要有主動治理和被動治理兩種。主動治理的主要措施有增加變流裝置相數或脈沖數;使用多重化技術;諧波疊加注入;互補性諧波裝置集中使用;使用PWM技術以及使用高功率因數的變流器等。被動治理的主要措施為加入

2、無源濾波器(PPF)、有源濾波器(APF)或兩者混合使用。主動治理的幾項措施，要么使得裝置變得龐大復雜，要么受到特殊的應用領域限制;而被動治理中的無源電力濾波器因其結構簡單、技術成熟、運行和維護成本低，還能補償無功功率得到廣泛使用。不過在實際應用中，無源濾波器只能抑制按設計參數規定的諧波成分，對電網阻抗和頻率的變化十分敏感，隨著設備使用時元件參數發生漂移，濾波性能不穩定。在某些情況下，甚至有可能與電源阻抗發生并聯諧振，嚴重時會損害無源濾波器。而隨著電力電子技術的發展，對諧波抑制問題的深入研究，有源濾波技術逐漸從無到有發展起來。最早可以追溯1969年Bird和Marsh發表的論文，文中描述了通過

3、向交流電網注入三次諧波電流來減少電源電流中的諧波成分，可看作是APF基本思想的萌芽。1971年由H.Sasaki和TMachida論文中首次完整的描述了APF基本原理。正式的有源電力濾波器方案是1976年由美國西屋公司的L.G鄧ig提出的。在他的方案中，APF的核心由大功率晶體管使用四象限PWM逆變器構成的，其基本原理就是通過逆變產生與諧波電流等值反向的電流注入電網，達到凈化電網的目的。1983年日本長崗科技大學Hioru1Akgai、AkiN-baa等人提出了三相瞬時無功功率理論(又稱為pq理論)，解決了諧波的瞬時檢測問題，諧波提取方法開始有頻域轉為時域，APF開始得到廣泛的研究和發展。八十

4、年代末期，并聯型APF和并聯LC濾波器組合成的混合型APF、串聯混合型APF等多種拓撲結構的有源電力濾波器相繼出現，其目的在于降低APF成本、擴展APF功能、豐富和完善諧波提取方法等。九十年代中期至21世紀初，諸如自適應、神經網絡、遺傳算法等參考信號的新型提取方法和控制方法得到了極大地發展。近年來，研究有源電力濾波技術成為熱點，日美等國已經有許多大容量有源電力濾波器相繼投入工業應用，在諧波抑制和無功補償方面取得比較好的效果?？傮w來說，有源電力濾波器的拓撲結構、控制策略和硬件裝置有了穩定的發展。從拓撲結構上看，各種并聯、串聯、串并聯混合型APF以及APF一PPF混合型相繼出現。從控制策略上看，研

5、究比較廣泛的有滯環電流控制法、三角載波控制法、矢量控制技術、數字誤差拍控制、單周脈寬調制等，而自適應控制、滑?？刂啤⒅貜涂刂啤⑸窠浘W絡控制等現代智能控制方法也在近年來逐漸流行起來。從硬件裝置上看，早期開關管主要選擇大功率雙極型晶體管(BJT)和功率MOS場效應晶體管，隨后是可關斷晶閘管(GTO)。近年來，隨著絕緣柵雙極晶體管(IGBT)技術的成熟，其成為APF開關器件的理想選擇。同時控制器也隨著微處理器、微控制器和數字信號處理器的使用，保證了APF的實時補償性能和快速響應。2并聯型三相三線制有源電力濾波器的理論基礎本章首先介紹了并聯型三相三線制有源電力濾波器的系統結構和主要工作原理，隨后建立了

6、電力濾波器的數學模型，得出d、q軸之間的藕合關系，最后設計了基于d一q坐標變換的諧波電流檢測方案，并配套設計了滑窗迭代低通濾波器。2.1并聯型三相三線制有源電力濾波器的系統結構和工作原理圖2.1中三相電壓源星形連接，O為交流側電壓源中性點分別表示交流側三相相電壓和電源電流。使用帶阻感性負載的三相不控整流器作為諧波源，表示三相非線性負載電流。APF部分的核心是由IGBT模塊構成的boost型PwM變流器二表示三相橋式逆變電路上下橋臂中點對交流側中性點電壓。電容器Cdc是變流器的直流儲能元件，P、N分別為直流側電容正負極分別表示直流側電容上的電壓和電流，R*代表由于電容自然放電和APF系統損耗所形

7、成的負載效應，12為對應的電流。當APF工作時，補償電流通過交流側濾波電感L注入電網。R代表線路電阻。3 有源電力濾波器的控制器設計. 21-29 3.1 電流環PI控制器的設計. 21-24 3.2 電壓環PI控制器的設計. 24-25 3.3 空間矢量脈寬調制 .25-28 3.4 本章小結 .28-294 三相三線制并聯有源電力濾波器. 29-40 4.1 MATLAB/SIMULINK概述. 29 4.2 仿真模型的建立 .29-39 4.3 本章小結 .39-405 有源電力濾波器的仿真.40-51 5.1 仿真模塊各環節的功能驗證. 40-44 5.2 改變系統參數對諧波補償效果.

8、 44-50 5.3 整體仿真波形. 505.4 本章小結 .50-51結論本文主要針對并聯型三相三線制有源電力濾波器進行理論研究和仿真分析。介紹了并聯型三相三線制有源電力濾波器的系統結構和工作原理，在此基礎上建立了有源電力濾波器的數學模型，并運用d一q坐標變換得出d、q軸的禍合關系;通過對比現有的諧波檢測方法后，著重分析了基于同步旋轉坐標變換的d一q法諧波檢測方法，設計了諧波檢測中使用的低通濾波器;使用狀態反饋交叉解藕的方法將d、q軸解藕，設計計算了電流環和電壓環的PI控制器，并簡要介紹了空間矢量脈寬調制算法;通過在MATLAB下，使用SIMUL州K建立有源電力濾波器的仿真模型，驗證了各個模

9、塊的功能，得出了近似正弦的網側電源電流波形，說明文中涉及的理論和參數選擇是正確的，可以達到較好的諧波以及效果，對進一步的硬件實驗起到了有益的指導。分析仿真結果可以看出，網側電源電流的總諧波含量從最高的30.75%下降到了18.69%，還不能完全達到期望的效果，還有進一步降低的空間;而且每周期還有因為計算延時、指令電流延時和實際補償電流跟蹤能力不夠所產生的6個尖峰脈沖，這些尖脈沖直接導致網側電源電流諧波率降不下來。今后的工作將體現在改進控制算法，調整電路參數，將電流總諧波率切實降低這幾個環節上。參考文獻1 Kahneman D. and Tversky A., Prospect Theory：A

10、ngeographygeology/ analysis of Decision Market underRiskJ, Econometrica,1979/03：263-291.2 Tversky A., Judgement under Uncertainty：Heuristics andBiasesM, New York：Cambridge University Press,1982.3 De Bondt, Werner F.M.,Richard H.Thaler, “Does the Stock Market overreact?”J,Journalof Finance,1985/40：79

11、3-805.4 Shiller,R.J., Market Volatility and Inverstor BehaviorJ,American EconomicReview,1990/80(2)：58-62.5 Odean Terrance, Volume,Volatility,Price and Profit When all Traders Are AboveAverageJ,The Journal of Finance,1998/06：1887-1934.6 Shefrin Hersh, Meir Statman, Behavioral Capital Asset Pricing Th

12、eoryJ, Journal ofFinancial and Quantitative Analysis, 1994/03：129-157.7 Shefrin Hersh, Meir Statman, Behavioral Portfolio TheoryJ,Journal of Financial andQuantitative Analysis,2000/06：127-151.8 Markowitz H.M., Portfolio SelectionJ, Journal of Finance,1952/07(1)：77-91.9 Markowitz H.M., The Utility of W