毕业设计（论文）-电力系统谐波抑制装置的研究.doc

毕业设计（论文）-电力系统谐波抑制装置的研究.doc 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 目名称: 电力系统谐波抑制装置的研究 题目类型: 毕业设计 学生姓名: 院 (系): 电子信息学院 专业班级: 电气10603班 指导教师: 辅导教师: 时 间: 2010.3.15 至 2010.6.10 目 录 毕业设计任务 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf .................................................................................................................. ? 开题报告 .............................................................................................................................. ? 指导教师评审意见 .............................................................................................................. ? 评阅教师评语 ...................................................................................................................... ? 答辩会议记录 ...................................................................................................................... ? 中文摘要 .............................................................................................................................. ? 外文摘要 .............................................................................................................................. ? 第一章 绪论 ......................................................................................................................... 1 1.1 研究背景、目的和意义 ......................................................................................... 1 1.2 研究主要问题 ......................................................................................................... 2 1.3 国内外发展状况 ..................................................................................................... 2 第二章 有源电力滤波器 ..................................................................................................... 4 2.1 有源电力滤波器的基本原理 ................................................................................. 4 2.2 有源滤波器的系统构成和主电路形式 ................................................................. 6 2.2.1 有源电力滤波器的系统构成 ....................................................................... 6 2.2.2 有源电力滤波器的主电路形式 ................................................................... 8 第三章 控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 和电路设计 ........................................................................................... 11 3.1 方案 ....................................................................................................................... 11 3.1.1 引言 ............................................................................................................. 11 3.1.2 主电路方案 ................................................................................................. 12 3.1.3 控制方案 ..................................................................................................... 12 3.2 电路设计 ............................................................................................................... 13 3.2.1 主回路设计 ................................................................................................. 13 3.2.2 驱动电路 ..................................................................................................... 18 3.2.3 控制电路原理. ............................................................................................ 19 3.2.4 控制电路设计 ............................................................................................. 21 3.2.5 印制电路板的布线技术 ............................................................................. 22 第四章 仿真 ....................................................................................................................... 23 4.1 电路图的绘制及其仿真 ....................................................................................... 23 4.2 仿真及结果显示 ................................................................................................... 24 第五章 总结 ......................................................................................................................... 26 参考文献 .............................................................................................................................. 27 致谢 ...................................................................................................................................... 28 长江大学毕业论文(设计)任务书 学院,系,电信学院 专业 电气工程及其自动化 班级 电气10603班 学生姓名 指导教师/职称 1. 毕业论文(设计)题目: 电力系统谐波抑制装置的研究 2. 毕业论文(设计)起止时间: 2010 年3 月15 日，2010 年6月10 日 3(毕业论文(设计)所需资料及原始数据,指导教师选定部分, ,1,一种高性能的正弦脉宽调制器. 电气传动～1999～4:60，63 ,2,GTO器件构成PWM电流型逆变器控制电路设计. 研究简报～1994, 4:45，50 4(毕业论文(设计)应完成的主要内容 ,1,通过上网及图书馆等途径～查阅传统电力有源滤波装置的结构及工作原理～针对其存在弊端～提出自己的设计 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。 ,2,第一～主电路的设计,第二～控制回路的设计。 1 电压型PWM整流逆变主电路 采用单个PWM变流器的电力有源滤波器的主电路,根据其直流侧储能元件的不同～可分为电压型和电流型. I 2 电流跟踪控制电路 由于并联型电力有源滤波器产生的补偿电流应实时跟踪其令电流信号的变化,要求补偿电流发生器有很好的实时性,因此电流控制采用跟踪型PWM控制方式.目前跟踪型PWM控制的方法主要有两种,即瞬时值比较方式和三角波比较方式. 5(毕业论文(设计)的目标及具体要求 输入信号:频率、幅值可变～频率到1KHz的多次谐波电压模拟信号; 输出信号: 波形同上的电流信号～不失真～电流～功率要力求大～大电感负载. 6、完成毕业论文(设计)所需的条件及上机时数要求 开发仪器及软件: PC机一台、proteus或pspice仿真软件。 上机时数>120学时 任务书批准日期 2010 年 3 月 10 日 教研室(系)主任(签字) 任务书下达日期 2010 年 3 月 15 日 指导教师(签字) 完成任务日期 2010 年 6 月 10 日 学生,签名, II 长江大学 毕业设计(论文)开题报告 题 目 名 称 电力系统谐波抑制装置的研究 题 目 类 别 毕业设计 学 院(系) 电子信息学院 专 业 班 级 电气10603 班 学 生 姓 名 指 导 教 师 辅 导 教 师 开题报告日期 2010 年 03 月 27日 III 电力系统谐波抑制装置的研究 学 生: 电子信息学院 指导教师: 电子信息学院 1 题目来源 实验室建设 2 研究目的和意义 随着国民经济的发展和现代化技术的进步，各种非线性负载(谐波源)和电力电子装置普遍应用于电网中，严重的无功冲击使电网功率因数降低，其产生的高次谐波使电网供电电压波形发生畸变，造成供电质量下降，电力系统的能量损耗增加，供用电设备寿命缩短等不良影响。因此，解决好电网的无功功率补偿和谐波滤波问题，对于提高电能质量、安全运行、降低损耗、节能、充分利用电气设备的出力等具有重要的意义。 目前，采用动态无功补偿及谐波抑制方法可以改善电网上的波形特性和功率因数，减少非线性负载对电力系统的影响，创建一个“绿色环保”电力系统。因此，关注无功补偿、谐波问题，研制相关装置这一课题已引起了学术界和工业界的极大兴趣，具有很高的实用价值和社会意义。 3 阅读的主要参考文献及资料名称 [1] 王兆安，杨君，刘进军(谐波抑制和无功功率补偿[M](北京:机械工业出版社， 2006:12, 49 [2] 姜齐荣，赵东元，陈建业(有源电力滤波器[M](北京:科学出版社，2005:40,59 [3] 胡 铭，陈 珩(有源滤波技术及其应用[J](电力系统自动化，2000:66,70 [4] 倪璐璐(基于有源电力滤波器的谐波抑制技术研究[D](中国石油大学，2007 [5] 叶 刚(新型无功功率补偿装置及混合滤波器研究[D](华中科技大学，2006 [6] 梁晓剑(电力系统谐波及其抑制技术的研究[D](广西大学，2007 [7] 李伟彬(有源电力滤波器在无功补偿与谐波抑制中的研究[D](武汉理工大学，2009 [8] 汪秀丽(电力系统的谐波问题[J](水利电力科技，2006，32(2) [9] Mishra M K,Joshi A,Ghosh A. Unified shunt compensator algorithm based on generalized instantaneous reactive power theory[J].IEE Proceedings Generation, Transmission and 第1页(共5页) Distribution,2001,148 (6): 8214 [10] Peng Fangzheng,Hirofumi Akagi.A New Approach to Harmonic Compensation in Power System— A Combined Systemof Shunt Passive and Series Active Filter.IEEE Transaction on Industry Applications, 1990,26(6):984,989( [11] 李燕青，陈志业，李鹏(电力系统谐波抑制技术[J](华北电力大学学报，2001，28(4):19, 22 [12] 魏 伟(谐波抑制技术研究综述[J](电气技术，2009，6:19,23 [13] 李伟彬，宋仲康(有源滤波器在无功补偿与谐波抑制中的作用[J](仪 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 技术，2009，2:41, 45 [14] 许长武，张明江(电力有源滤波器及PWM 控制技术[J](黑龙江科技信息，2009，3:61 [15] 张文勇，李进，孔祥凤(基于电力有源滤波器的谐波抑制[J](电力学报，2009，24(2):133, 136 4 国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向 目前，利用有源电力滤波器进行谐波抑制与无功补偿是一种趋势。有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置。其补偿原理是向电网中注入与谐波电流相位相反、幅值相同的补偿电流来抵消电网中的谐波，从而达到抑制谐波的目的。采用有源电力滤波器可以获得比传统方式更好的补偿性能，可以克服无源滤波器的各项缺点，并且具有以下优点: (1)它在对频率和大小都在变化的谐波以及无功电流进行补偿时，对补偿对象的变化有很快的响应，可实现动态补偿。 (2)可同时对谐波和无功电流进行补偿，补偿程度连续可调。 (3)补偿无功功率时理论上不需要储能元件，补偿谐波电流时所需的储能元件也不大。 (4)受电网阻抗的影响很小，不易和电网阻抗发生谐振。 (5)既可以对一个谐波和无功源单独补偿，也可以对多个谐波和无功源集中补偿。 可见，采用有源电力滤波器可以获得比以往的方法更优越的补偿特性，并且随着电力电子技术的发展，电力电子器件成本的逐步下降，有源电力滤波器的成本也会下降，应用前景比较乐观。基于有源电力滤波器的上述优点，采用有源电力滤波器是对谐波进行抑制的一个发展趋势，因而受到广泛的重视，对于保证电力系统运行的安全性、可靠性和经济性具有重要意义。 第2页(共5页) 有源电力滤波器的发展最早可以追溯到60年代，但直到70年代才真正提出了有源电力滤波器的原理，到了80年代，随着电力电子技术以及PWM控制技术的发展，对有源电力滤波器的研究逐渐活跃起来，特别是在赤木泰文等人提出了“三相电路瞬时无功理论”后，有源电力滤波器的研究也取得了新的突破，逐渐在工业得到广泛应用。国外的研究主要以日本为代表，已步入大量实用的阶段。随着容量的逐步提高，其应用范围也从补偿用户端谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展。我国在有源电力滤波器方面的研究起步较晚，直到20世纪80年代末才有文章发表。20世纪九十年代以来，一些高等院校和研究机构开始进行有关有源电力滤波器的研究。由于各方面条件的限制，在我国有源电力滤波器刚刚得以进入实际工业现场，还有待提高实际应用水平。 目前，关于有源电力滤波器的研究主要集中在以下几个方面: (1)无功功率理论和谐波处理理论的进一步研究 传统的功率定义大都是建立在平均值基础上的。在单相正弦电路或三相对称正弦电路中，利用传统概念定义的有功功率、无功功率、视在功率和功率因数等概念都很清楚。但当电压或电流中含有谐波，或三相电路不平衡时，功率现象比较复杂，传统功率概念无法正确对其进行解释和描述。建立包含畸变和不平衡现象的完善功率理论，是电路理论中一个重要的基础性课题。 (2)进一步降低补偿装置容量 由于有源电力滤波器的价格要远远高于同容量的无源滤波器，为降低补偿装置的投资，主要办法就是降低有源电力滤波器的容量。目前的主要思路是将有源电力滤波器和无源滤波器混合使用，用无源滤波器滤除谐波源中主要的谐波电流，用有源电力滤波器来提高总体的补偿效果，这就是混合型有源电力滤波器。还有学者提出其他方法，如注入回路方式等，其主要目的也是降低有源电力滤波器的容量，但尚未进入实用阶段。 (3) 控制系统的简化 有源电力滤波器为了能及时产生补偿电流以抵消谐波源负载的谐波电流，要求其控制电路必须实时检测、计算补偿对象的谐波电流。各种检测计算电路，用传统的模拟电路实现时，其线路较为繁琐、结构较为复杂、电路调试困难。随着高速数字信号处理器(DSP)的出现，采用数字化方法来控制有源电力滤波器己成为有源电力滤波 第3页(共5页) 器的发展趋势之一。采用数字化控制的有源电力滤波器具有运算速度快、编程方便、稳定性及可重复性好、精度高、集成方便等优点。 (4)补偿装置的多功能化 有源电力滤波器本身除能补偿谐波外，通过在控制电路上加以改造还有补偿基波无功、电压闪变以及电压的不平衡等功能。有关这部分的研究也引起许多学者的关心并取得了许多研究成果。 5 主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路 5.1 主要研究内容 (1)理解并掌握传统电力有源滤波器的组成和工作原理; (2)了解串联型有源滤波器与并联型有源滤波器的区别与联系，并进行正确的选型; (3)了解电流型PWM整流逆变主电路与电压型PWM整流逆变主电路的区别与联系，并进行正确的选型; (4)理解并掌握电流跟踪控制的两种控制方法的原理，区别和联系; (5)利用pspice仿真软件进行仿真实践; (6)完成毕业设计所要求的与课题相关的外文翻译。 5.2 需重点研究的关键问题及解决思路 本课题方案的设计主要是两个部分电路的设计:第一，主电路的设计;第二，控制回路的设计。这也是本课题研究中需重点研究的关键问题。 (1)电压型PWM整流逆变主电路 采用单个PWM变流器的电力有源滤波器的主电路，根据其直流侧储能元件的不同，可分为电压型和电流型。本方案中采取电压型。 (2)电流跟踪控制电路 由于并联型电力有源滤波器产生的补偿电流应实时跟踪其令电流信号的变化，要求补偿电流发生器有很好的实时性，因此电流控制采用跟踪型PWM控制方式。目前跟踪型PWM控制的方法主要有两种:即瞬时值比较方式和三角波比较方式。本方案中采取瞬时值比较方式。 第4页(共5页) 6 完成毕业设计所必须具备的工作条件(如工具书、计算机辅助设计、某类市场调研、实验设备和实验环境条件等)及解决的办法 所需工作条件 解决办法 PC机一台 学院机房 pspice仿真软件 指导老师提供 7 工作的主要阶段、进度与时间安排 2009年12月30日—2010年01月30日:资料查询; 2010年03月01日—2010年04月01日:方案设计; 2010年04月02日—2010年05月01日:仿真测试; 2010年05月02日—2010年06月01日:局部调整; 2010年06月02日—2010年06月10日:论文撰写。 8 指导教师审查意见 第5页(共5页) 长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见 学生姓名 专业班级 毕业论文 (设计)题目 指导教师 职 称 评审日期 评审参考内容:毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。 评审意见: 指导教师签名: 评定成绩(百分制):_______分 (注:此页不够，请转反面) IV 长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语 学生姓名 专业班级 毕业论文 (设计)题目 评阅教师 职 称 评阅日期 评阅参考内容:毕业论文(设计)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文(设计)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。 评语: 评阅教师签名: 评定成绩(百分制):_______分 (注:此页不够，请转反面) V 长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定 学生姓名 专业班级 毕业论文 (设计)题目 答辩时间 年 月 日 , 时 答辩地点 一、答辩小组组成 答辩小组组长: 成 员: 二、答辩记录摘要 答辩小组提问(分条摘要列举) 学生回答情况评判 三、答辩小组对学生答辩成绩的评定(百分制):_______分 毕业论文(设计)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师等级(五级制):_______ 评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文(设计)评分的相关规定) 答辩小组组长(签名) : 秘书(签名): 年 月 日 院(系)答辩委员会主任(签名): 院(系)(盖章) VI 摘要 电力系统谐波抑制装置的研究 学 生: 电子信息学院 指导教师: 电子信息学院 [摘要] 随着电子技术的迅猛发展和电力电子装置的广泛应用，人们对电能的使用及电能质量提出了更高的要求。有源电力滤波器被公认为是综合治理“电网谐波污染”最有效的手段，利用有源电力滤波器进行电力系统谐波抑制和无功补偿是今后的一个发展趋势。本文对有源电力滤波器的谐波电流跟踪控制环节和主电路的参数设计进行了研究和探索。 首先，笔者认真研究了有源电力滤波器(APF)的基本原理、系统构成和主电路形式，以及各种类型(并联型、串联型)有源电力滤波器的基本结构和优缺点。针对本方案采用的并联型有源电力滤波器进行了仔细分析和研究。 其次，本文对有源电力滤波器的主电路形式作了简要介绍和比较分析。确定了用电压型PWM整流逆变主电路。在此基础上，作者对主电路中用到的器件进行了选型和参数设计。 再次，重点介绍了电力电子功率驱动放大电路，研究了有源电力滤波器电流控制方法，确定采用滞环比较控制方式作为本文所研究有源电力滤波器的控制策略。 最后，依据前面所研究的谐波检测方法和控制部分构建了并联型有源电力滤波器，并进行了Pspice仿真实验，仿真结果验证了该滤波装置的良好补偿性能。 文章末尾对全文的研究工作做了总结，并提出了展望。 [关键词] 有源电力滤波器，谐波抑制，无功补偿，检测与控制 VII Abstract The research on Harmonic Suppression Device of Power System Student: Chen Hui, Electronic Information Engineering Counselor: Ye Gang , School of Electronic Information [Abstract] With the rapid development of electronic technology and extensive application of power electronic devices, People have a higher requirement on the use of electricity and power quality. Active power filter is recognized as the most effective method to govern "harmonic pollution in power systems". It is a development tendency in future to use active power filter to restrain power system harmonics and reactive power compensation. In this paper, the author researched and explored the active power filter harmonic current tracking control links and the parameters of the main circuit design. Firstly, the author studied carefully on active power filter (APF), such as the basic principles, system structure and main circuit form, as well as the basic structure, advantages and disadvantages about various types (parallel, series-type) of APF. For this design, the author will analyze and discuss carefully about the parallel active power filter. Secondly, according to a brief introduction and a comparative analysis to the main circuit forms of the active power filter. The author decided to use voltage PWM rectifier inverter as the main circuit. In this foundation, the author made a selection of device and a parameter design of the devices in the main circuit. Once more, the article laid great emphasis on the power electronics power driver amplifier circuit, at the same time, discussed the current control method of active power filter. It determined to use the hysteresis control method as the control strategy of active power filter we studied in this paper. Finally, according to the earlier studies of harmonic detection and control section, the author constructed a parallel active power filter, and made a simulation experiment with Pspice, the simulation results showed the filtering device had a very good function. It summarized the research at the end of the article and also made the prospect. [Keywords] active power filter, harmonic suppression, reactive power compensation, detection and control VIII 绪论 1 绪论 1.1 研究背景、目的和意义 电力电子装置的应用日益广泛，使得它成为最大的谐波源。在各种电力电子装置中，整流装置的比例相当大。常见的整流电路都是采用晶闸管相控整流或二极管整流，其中以三相桥式和单项桥式整流电路为最多。带阻感负载的整流电路产生的谐波污染和功率因数滞后已被人们熟知。直流侧采用大电容滤波的二极管整流电路也日益成为严重的谐波污染源。虽然其输入电流的基波分量功率因数接近1，但其中的谐波分量却很大，给电网造成严重污染，也使其总的功率因数很低。除此之外，数量庞大的电视机、计算机和各种家用电器及办公设备中大都含有开关电源，它们的普及也加大了谐波污染问题的严重性。无功功率的增大对电力系统产生严重影响，它使电网视在功率增加，使发电机、变压器和输电线的容量增大，使电力系统中的控制设备、测量仪表的尺寸规格都加大。无功功率的增加使电力系统总电流增大，电力设备和线路的损耗也随之增加。电力系统中无功功率的盈亏，还影响到电网电压的高低。冲击性的无 [7]功功率会使电网电压产生剧烈的波动，严重影响供电质量。 采用电力滤波装置就近吸收谐波源所产生的谐波电流，是抑制谐波污染的有效措施。通常采用电力电容器、电抗器、电阻器适当组合而成的无源装置进行滤波。由于无源滤波装置具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，因此它是目前广泛采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但由于无源滤波器是通过在系统中为谐波提供并联低阻通路，以起到滤波作用，其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定的，因而存在以下缺点:谐波特性受系统参数的影响较大;只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用;滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调;谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可能造成滤波器过负荷。由于无源滤波器具有以上缺点，随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向转向有源滤波。 有源滤波装置(APF)是灵活交流输电系统(FACTS)的重要基础部件，而FACTS技术是对传统的交流输电系统进行根本变革的新的输电概念，是一种将对未来电力系统的发展产生巨大变革性影响的新技术，其实质是将电力电子、计算机、通信和自动控制技术相结合，应用电力电子技术的最新发展成就以及现代控制技术实现对交流输电系统参数乃至网络结构的灵活快速控制，以期实现输送功率的合理分配，降低功率损 第1页(共28页) 电力系统谐波抑制装置的研究 耗和发电成本，大幅度提高系统稳定性、可靠性，也是当前技术先进国家电力系统研究的热点和前沿，被专家预测为“现代电力系统具有变革性的前沿课题之一”，是实现电力系统安全、经济、综合控制的重要手段。 有源滤波装置是装有电力电子型或其他静止型控制器以加强可控性和功率传输能力的交流输电设备，可以对交流电的无功(电压)、电抗和相角进行控制。有源电力滤波(APF)装置在技术上具有响应速度快和可靠性高的优点，在经济上具有占地小和其大功率电力电子器件的价格随着使用广泛而降低的优点。从改进运行的安全、稳定、经济、灵活性出发，对FACTS技术以及高电压大功率电力电子技术有广泛的需求。相应产业应有非常好的发展前景。 1.2 研究主要问题 本设计主要解决如下问题: (1)理解并掌握传统电力有源滤波器的组成和工作原理; (2)了解串联型有源滤波器与并联型有源滤波器的区别与联系，进行正确选型; (3)了解电流型PWM整流逆变主电路与电压型PWM整流逆变主电路的区别与联系，并进行正确的选型; (4)理解并掌握电流跟踪控制的两种控制方法的原理，区别和联系; (5)利用pspice仿真软件进行仿真实践，并对仿真结果进行分析。 1.3 国内外发展状况 有源电力滤波器的发展最早可以追溯到20世纪60年代末。1969年B.M.Bird和J.F.Marsh在其发表的论文中，描述了通过向交流电网注入三次谐波电流来减少电源电流中的谐波成分，从而改善电源电流波形的新方法。虽然文中没有有源电力滤波器一词，但其描述的方法是有源电力滤波器的基本思想的萌芽。 1971年，H.Sasaki和T.Machida在论文中首次完整地描述了有源电力滤波器的基本原理。但是由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流，损耗大，成本高，因而仅在实验室中研究，没能在工业中实用。 1976年，L.Gyugyi等人提出了采用PWM控制变流器构成的有源电力滤波器，确立了有源电力滤波器的概念，主电路的基本拓扑结构和控制方法。从原理上看，PWM变流器是一种理想的补偿电流发生器，但由于当时电力电子技术的发展水平有 第 2 页( 共28 页) 绪论 限，全控型器件功率小、频率低，因而有源电力滤波器还只限于实验研究。 进入20世纪80年代后，随着电力电子技术、PWM控制技术的发展和新型电力电器件的出现，对有源电力滤波器的研究逐渐活跃起来，是电力电子技术领域的研究热点之一。这一时期的一个重大突破是，1983年赤木泰文(H.Akagi)等人提出了“三相电路瞬时无功功率理论”，以该理论为基础的谐波和无功检测方法在有源电力滤波器中获得了成功的应用，极大地促进了有源电力滤波器的发展。目前，三相电路瞬时无功功率理论被认为是有源电力滤波器的主要理论基础之一。 国外对有源电力滤波装置的开发研究工作始于90年代初期，目前已进入实用化阶段。当前在国外如美国、法国、德国、日本等发达国家认为这类产品服务是今后改善电力系统供电质量的发展方向，目前已出现具有快速响应、稳定性高的有源滤波装置。 我国在有源电力滤波器方面的研究较晚，直到1989年才见到这方面的研究文章，1993年才见到实验性的工业应用报道，但其中所采用的谐波和无功电流检测方法较为陈旧，补偿效果不理想。近几年进行这方面的研究的单位在逐年增加，主要集中在一些高等院校和少数研究机构。从发表得到的文章看，以理论研究和实验为主，这些研究在理论上有一定特色，有的已达到或者接近国际先进水平。但是工业使用的装置所采用的控制方式比较陈旧，补偿效果也不好。此外，由于诸多方面条件的限制，其中主要是对谐波和无功问题未能给予足够的重视。随着我国电能质量管理工作的深入开展，利用有源电力滤波器进行谐波治理将会有具有巨大的市场应用潜力，有源滤波 [1]技术将得到广泛的应用。 第3页(共28页) 电力系统谐波抑制装置的研究 2 有源电力滤波器 2.1 有源电力滤波器的基本原理 有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点。 图1所示为最基本的有源电力滤波器系统构成的原理图。图中，表示交流电源，es负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路(由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成)。其中，指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量，因此有时也称之为谐波和无功电流检测电路。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。主电路目前均采用PWM变流器。 作为主电路的PWM变流器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作，因此有的文献中将其称为逆变器。但它并不是仅仅作为逆变器工作的，如在电网向有源电力滤波器直流侧储能元件充电时，它就作为整流器工作。也就是说，它既工作于逆变状态，也工作于整流状态，且两种工作方式无法严格区分。 图1 并联型有源电力滤波器原理图 图1所示有源电力滤波器的基本工作原理是，检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望 第 4 页( 共28 页) 有源电力滤波器 的电源电流。 例如，当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象负 ,载电流和谐波分量,将其反极性后作为补偿电流的指令信号，由补偿电流发生iiiLLhc 电路产生的补偿电流即与负载电流中的谐波分量大小相等、方向相反，因而两者iicLh 相互抵消，使得电源电流中只含基波，不含谐波。这样就达到了抑制电源电流中谐is 波的目的。上述原理可用如下的一组公式描述: iii,，sLc iii,， LLfLh ii,, cLh iiii,，,sLcLf 式中―――负载电流的基波分量。 iLf 如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，补偿负载的无功功率，则只要在补偿电流的指令信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分既可。这样，补偿电流与负载电流中的谐波及无功成分抵消，电源电流等于负载电流中的基波有功分量。 根据同样的原理，有源电力滤波器还可以对不对称三相电路的负序电流等进行补偿。 有源电力滤波器的特点主要有如下几点: (1)实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应; (2)可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率的大小可连续调节; (3)补偿无功功率时不需储能元件，补偿谐波时所需储能元件容量也不大; (4)即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用; (5)受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振; (6)能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响; (7)既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿。 第5页(共28页) 电力系统谐波抑制装置的研究 2.2 有源滤波器的系统构成和主电路形式 最早的有源电力滤波器为单独使用的并联型有源电力滤波器。经多年的发展，为尽量发挥有源电力滤波器的特长、提高其性能，并尽量减小其容量，提出了串联混合型有源电力滤波器、并联混合型有源电力滤波器等。为适应不同的补偿对象，提出了串联型有源电力滤波器等。具体分类如图2所示。 图2 有源电力滤波器的系统构成分类 根据有源电力滤波器接入电网的方式，将其分为并联型、串联型和混合型。每种还包括单独使用方式及与无源滤波器混合使用等方式。而主电路形式可以分为电压型和电流型。有源电力滤波器的每一种类型结构各有其特点，因而其工作原理——特性等也就各有其特点。下面就分别对各种类型有源电力滤波器的系统构成和主要特点进行论述。 2.2.1 有源电力滤波器的系统构成 2.2.1.1 并联型有源电力滤波器 单独使用的并联型有源电力滤波器构成的原理图如图3所示 第 6 页( 共28 页) 有源电力滤波器 图3 单独使用并联型电力有源滤波器 图3中，负载为产生谐波的谐波源，变流器和与其相连的电感、直流侧储能元件(图中为电容)共同组成有源电力滤波器的主电路。与有源电力滤波器并联的小容量一阶高通滤波器(或采用二阶高通滤波器)，用于滤除有源电力滤波器所产生的补偿电流 [9]中开关频率附近的谐波。 由于有源电力滤波器的主电路与负载并联接入电网，故称为并联型。又由于其补偿电流基本上由有源电力滤波器提供，为与其它方式相区别，称之为单独使用的方式。这是有源电力滤波器中最基本的形式，也是目前应用最多的一种。 这种方式可以用于:只补偿谐波;只补偿无功功率，补偿的多少可以根据需要连续调节;补偿三相不对称电流;补偿供电点电压波动;以上任一项的组合。 在这种方式中，只要采用适当的控制方法就可以达到多种补偿目的，它可以实现的功能最为丰富灵活。 但是，由于交流电源的基波电压(或经变压器)施加到变流器上，且补偿电流基本由变压器提供，故要求变流器具有较大的容量，这是这种方式的主要缺点。 2.2.1.2 串联型有源电力滤波器。 单独使用的串联型有源电力滤波器构成的原理图如图4所示。这种方式的特点是 [2]有源电力滤波器作为电压源串联在电源和谐波源之间。 第7页(共28页) 电力系统谐波抑制装置的研究 图4 单独使用的串联型有源电力滤波器 在多数情况下，并联型有源电力滤波器主要用于补偿可以看作电流源的谐波源，典型的如直流侧为阻感负载的整流电路。此时，有源电力滤波器向电网注入补偿电流，抵消谐波源产生的谐波，使电源电流成为正弦波。在这种情况下，并联型有源电力滤波器本身表现出电流源的特性。 串联型有源电力滤波器与并联型有源电力滤波器不同，主要用于补偿可以看作是电压源的谐波源。这种谐波源的一个典型的例子就是电容滤波整流电路。串联型有源电力滤波器输出补偿电压，抵消由负载产生的谐波电压，使供电点电压波形成为正弦波。串联型与并联型可看作是对偶的关系。 比较两种类型的滤波器，会发现并联型有源滤波器承受的电压为电网电压，电流为谐波电流或基波无功与谐波电流之和;串联型有源滤波器电流为基波电流，电压比负载要小得多，因此其容量比负载的视在功率要小。它可以只补偿谐波电流，也可以同时补偿谐波电流和基波无功电流。 2.2.2 有源电力滤波器的主电路形式 2.2.2.1 单个PWM变流器的主电路形式 采用单个PWM变流器的有源电力滤波器的主电路，按其直流侧储能元件的不 [5][10]同，可分为电压型和电流型两种。图5和图6分别示出了可应用于三相三线制系统的电压型和电流型两种主电路，图中V1、V3、V5、和V4、V6 、V2为各组开关器件的代号。图中所画的电力电子开关器件为IGBT，实用中可在GTO晶闸管、BJT、IGBT、电力MOSFET等器件中选择。就其结构而言，两种电路与变频器、SVG等的主电路基本相同，只是因应用场合不同、要求不同、控制方法也不同。 第 8 页( 共28 页) 有源电力滤波器 图5 三相电压型PWM逆变器 图6 三相电流型PWM逆变器 图7 单相电压型PWM变流器 图8 单相电流型PWM变流器 图7和图8分别示出了应用于单相系统的电压型和电流型两种主电路形式。图9是用于三相四线制系统的电压型 PWM变流器。 下面简要概括电压型和电流型两 种主电路的一些基本特点。 (1)电压型PWM变流器的直流 侧接有大电容，在正常工作时，其电 压基本保持不变，可看作电压源;电 流型PWM变流器的直流侧接有大电 感，在正常工作时，其电流基本保持 不变，可看作电流源; 图9 用于三相四线制系统的电压型PWM变流器 (2)对于电压型PWM变流器，为保持直流侧电压不变，需要对直流侧电压进行控制;对于电流型PWM变流器，为保持直流侧电流不变，需要对直流侧电流进行控制; (3)电压型PWM变流器的交流侧输出电压为PWM波，电流型PWM变流器 第9页(共28页) 电力系统谐波抑制装置的研究 的交流侧输出电流为PWM波。 与电压型PWM逆变器相比，电流型PWM逆变器的一个优点是，不会由于主电路开关器件的直通而发生短路故障。但是，电流型PWM逆变器直流侧大电感上始终有电流流过，该电流将在大电感的内阻上产生较大的损耗，因此目前较少使用。不过，随着对超导贮能磁体的研究的进展，一旦超导贮能磁体实用化，必可取代大电感器，促使电流型PWM逆变器的应用增多。 除电压型和电流型外，有的学者提出采用直流侧混合型贮能方式，直流侧采用一个电感和一个电容作为贮能元件，并用一个单相桥对其控制，贮能作用主要由电容承担，但却实现了电流型PWM逆变器的功能。这种方式可克服目前采用电感作为贮能元件的电流型PWM逆变器的缺点。 2.2.2.2 多重化的主电路形式 采用多重化主电路，最基本的一点是容易实现大容量，此外，还可以提高有源电力滤波器的等效开关频率，从而改善补偿电流的跟随性能。从另一方面看，由于等效开关频率提高，可以降低单个器件的工作频率，而这既可以降低对器件工作频率的要求，又可减小器件的开关损耗。 以下就对有源电力滤波器中采用的几种多重化主电路形式作简要介绍。 图10 串联电抗器多重化方式 图11 采用平衡电抗器的多重化方式 (1)串联电抗器多重化方式 这种方式的原理如图10所示。这种方式中，直接将各个有源电力滤波器通过其交流侧的电感并联起来，它是最容易实现的一种接线方式。 (2)采用平衡电抗器的多重化方式 这种方式的原理如图11所示。这种方式中，在各个有源电力滤波器之间加入平衡电抗器，抑制有源电力滤波器之间的环流，因而这种方式适用于开关频率低的情况。 (3)使用变压器的串联多重化方式 这种方式的原理如图12所示。这种方式中，通过变压器二次侧绕组将有源电力滤波器的输出串联起来。变压器必须采用二次侧为 第 10 页( 共28 页) 控制方案和电路设计 多绕组的特殊形式。由于有源电力滤波器 输出的PWM波直接经过变压器叠加，使 得变压器会有较大的铁损耗。 有源电力滤波器的核心是谐波电流 检测电路，准确、实时的检测出谐波电流， 是其有效抑制用户侧电流畸变的关键。本 文中的谐波电流检测电路完全由模拟器 件组成，并且结构简单，易于实现。 图12 采用变压器的多重化方式 3 控制方案和电路设计 3.1 方案 3.1.1 引言 本电力电子功率驱动装置，要求输入信号:频率、幅值可变，频率到1kHz的多次谐波电压模拟信号。输出信号:波形同上的电流信号，不失真，电流、功率要力求大，大电感负载。本文研究的就是要实现这一装置。 实际上，我们所研究的装置就是用于有源电力滤波器中的一个环节。滤波器中无源滤波部分，主要由3次、5次LC调谐电路(必要时可加高通)构成，为谐波提供通路起主要的滤波作用。基波检测部分，为了在变压器的副方产生一个与i大小成比例、1方向相反的基波电流，必须从电网电流中检测出基波电流。功率放大部分，它由滞环控制、PWM驱动和逆变器组成，将检测的原方基波电流i作为给定信号，采用滞环1 电流控制产生ii使其跟踪。串联变压器部分，原方串联在电网和谐波源之间，副方21 接有源电力滤波器的输出，即功率放大部分的输出，这时变压器的原方AX端对于基波呈现低阻抗，基波电流可从变压器的原方流过，而对谐波呈现励磁阻抗，从而迫使谐波电流流入无源滤波器，同时也阻止了电网的谐波电压窜入无源滤波器。 本文利用功率放大部分，它由滞环控制、PWM驱动和逆变器组成，将检测的原 iii方基波电流作为给定信号，采用滞环电流控制产生使其跟踪。 121 采用单个PWM变流器的有源电力滤波器的主电路，根据其直流侧储能元件的不同,可分为电压型和电流型。在这里，我们所采用的是电压型。 第11页(共28页) 电力系统谐波抑制装置的研究 3.1.2 主电路方案 本方案如图13采用不可控整流回路，将交流电变成直流，然后利用PWM波形信号，去控制主电路中逆变电路各个器件通断，来实现我们所需的输出信号。其优点就是利用整流逆变技术，有着成熟的理论。缺点就是元器件太多，控制复杂，成本较高。但本装置具有很好的性能和稳定性，所以在此我便采用这种主电路方案。 整流电逆变电电源负载路路 驱动电 路 PWM信号 图13 主电路方案 3.1.3 控制方案 由于有源滤波器的输出电流包含高次谐波和暂态电流，要求其实际输出电流对指令电流有很高的跟踪能力，当有源滤波器的主回路及控制对象均已确定的情况下，其输出电流的控制方法将对有源滤波器性能和效率有着重要影响。由于有源滤波器的容量相对较大，对其所用电力电子器件的安全性和效率要求较高，因此有源滤波器的电流控制器在提高电流跟踪精度的同时，还应尽量保持逆变器的开关频率恒定、提高装置的安全性并降低直流侧电压以减小整个装置的容量和损耗。目前应用于有源滤波器的电流控制方法一般有两类，即滞环电流控制方法和三角波电流控制方法。前者精度较高且响应快，但开关频率可能波动很大，而后者开关频率恒定，装置安全性较高，但响应较慢，精度较低。 反馈电 流 IGBT驱滞环比驱动电PWM信号动较路检测电 流 图14 控制方案方框图 实际上此控制装置是瞬时比较方式，其作用是根据补偿电流发生电路中主电路各个器件通断的PWM信号，控制的结果应保证补偿电流跟踪其指令信号的变化。由于要求产生的补偿电流应实时跟随其指令电流信号的变化，要求补偿电流发生器有很好 [3]的实时性，因此电流控制采用跟踪型PWM控制方式。 第 12 页( 共28 页) 控制方案和电路设计 在采用滞环比较器的瞬时值比较方式中，滞环的宽度通常是固定的，由此导致主电路中电力半导体器件的开关频率是变化的，尤其是当反馈电流变化的范围较大时，一方面，在反馈电流值小的时候，固定的环宽可能使补偿电流的相对跟随误差过大;另一方面，在其值大的时候，固定的环宽又可能使器件的开关频率过高，甚至超出器件允许的最高工作频率而导致器件损坏。 这种控制方式的特点如下:硬件电路十分简单;属于实时控制方式;不需要载波，输出电压中不含特定频率的谐波分量;属于闭环控制方式，这是跟踪型PWM控制方式;若滞环的宽度固定，则电流跟随误差范围是固定的，但是电力半导体器件的开关频率是变化的。 3.2 电路设计 3.2.1 主回路设计 如图15所示主回路采用不可控整流回路，将交流电变成直流，然后利用PWM波形信号，去控制主电路中逆变电路各个器件通断，来实现我们所需的输出。 VV13 220vAC V4V2 图15 主回路电路图 3.2.1.1 单相桥式不控整流 图16为单相桥式不控整流电路。在交流电源的正半周时，D1、D4导通，在负载，在交流电源的负半周D2、D3导通。 第13页(共28页) 电力系统谐波抑制装置的研究 D1D3 22OV ACU2 D2D4 图16 单相桥式不控整流 全波整流的直流输出电压比半波整流的直流输出电压高了一倍，同时不再含有基波和3、5次交流奇波谐波电压。直流脉动大大降低，滤波器也可以小些。因此不需要调控输出直流电压的领域中得到广泛应用。 不控整流输出电压都是不恒定的直流电压，除直流平均值外还含有谐波电压。为此必须在整流电路中的输出端与负载之间接入LC滤波器。由于整流输出谐波电压的频率不高，因此要有较好滤波效果必须是LC很大，滤波电感L的重量、体积相对于电容要大得多，因此通常取较小的L和较大的C组成LC滤波器，甚至完全不用电感、只用电容滤波。 整流器的输出电压即为，在一个电源周期内它是由两段曲线接拼而成。其uu0c ,RC中一段是电源电压的一部分，另一段是RC放电曲线。当增大时(C增大或R增大都可以)，负载阻抗角增大，输出电压的平均值将增大，电压的波动将减小。U,d 在极限情况下，若RC(电容C或把R支路开路使R)，,arctg,,,,,,,,,,2，,RC,，则输出电压将是一条幅值等于U的水平直线。也即这时有最大,,22 [3]的输出电压平均值: (3-1) UU,2dmax2 在另一种极限情况下，若RC,0(R不能等于零，可取C支路开路)，则电路成了电阻性负载的整流电路，这时有最小的输出电压平均值: 2, (3-2) UUdmin2, 结论是，电容滤波的不控整流电路其输出电压平均值不是一个定数，它将随着RC的变化而变化。若电阻R减小(负载电流增大)、或当电容容量C减小，则输出 U电压降低、电压波动加大。输出电压平均值的最大值是输出电压瞬时值的峰值，0输出电压平均值的最小值是该电阻负载情况下的输出电压平均值。输出电压平均值的最大值与最小值在不同电路形式下的值如下表1所示: 第 14 页( 共28 页) 控制方案和电路设计 表1 输出电压平均值在不同电路形式下的最大值与最小值 电 压 单相桥式不控整流 三相半波不控整流 三相桥式不控整流 U2U2U6Udmax222 223636 U UUUdmin222,,,2 从上面的分析，若R一定，C增大时，输出电压的平均值增加，的平均值也iR将增大，而这时V的导通角将减小，必然的结果是的幅值要增加。因此，为了要i2 减小电压波动而增大电容C的结果，是使输入电流的有效值大大增加，且使的脉ii22 [3]动增加，这一结果要求必须增加整流二极管的电流容量。 ,t在前面的分析中，是假定在,0时合闸，合闸时的电源电压,0，电容的初u2始电压也等于零，这时电路并不存在什么问题。但若合闸的时刻是在的正半周uuc2的某个时刻，这时>0而,0。从电路原理上可知，若电源是理想的电势源，不uu2c 存在漏抗、内阻的话，这时合闸电流将趋向无穷大。这是因为电容上电压不能突变，合闸时相当于处于电路短路状态，对理想的电势源其短路电流为无穷大。当然，实际电路为非理想化元件，但在>0时的合闸电流仍将达到一个很大的数值，它将会损u2 坏整流二极管。 在三相桥式整流电路中，无论何时合闸，总有一相处在较高的正电压位置，这就必须在合闸的过程中要加有限流措施，或在电路中串入限流电阻，合闸完成后再切除;或串入一个小电感，以限制其过大的合闸电流。 同样理由，由晶闸管组成的可控整流器，若直接接有滤波电容的话，每一次晶闸 ,,0管在时的触发导通都相当于一次合闸过程，都有可能使元件损坏。故直接接有 [1]滤波电容的整流电路，一般只在不控整流电路中使用。 在单相桥式整流电路中，滤波电容C地工程计算方法为: ,arcsin1(,,)，,U2C, [ln(1)],,,UR, ,[arcsin1]I(,,)，,Udmax2, (3-3) (U1ln(1)2,,,,,)UU,2 I上式中:最大负载电流U2U,;输出电压幅值;输出电压脉动不超过允dmaxom2 第15页(共28页) 电力系统谐波抑制装置的研究 ,U许值,其定义为 (3-4) ,,UUU,u,,uomaxominomomin 而选取整流元件的额定电压 (3-5) U,(,3)2UNmax 式中，是整流元件实际承受到的最大峰值电压，系数为2,3，是考虑操作Umax 过电压、运行过电压等因素的安全裕度，可靠性要求高的装置应取较大的数值。 3.2.1.2 电压型逆变电路 电压型逆变电路因其直流侧电源为电压源，所以，直流电压无脉动，直流回路呈低阻抗。由于直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，且与负载阻抗角无关。交流侧输出电流波形则取决于负载的性质。为感性(滞后)的负载电流提供流通路径，逆变器的各桥臂必须并联无功反馈二极管。 在工程上，电压源由整流器与并联在直流测的大电容构成。直流测电容器起到缓冲无功能量的作用，也称为支撑电容，因为它可以保持直流电压的恒定，使直流环节如同电压源，并且直流侧阻抗远小于逆变器的输出阻抗。同时，直流测电容将整流环节与逆变环节的交流量隔离开来。整流侧与逆变侧产生的谐波电流都经直流电容短路，不会流向对方。为使直流侧表现电压源特性，直流电容应足够大。 对于逆变装置来说，其性能指标除波形性能指标外，还应包括下列内容:逆变效率;单位重量(或单位体积)输出功率;可靠性指标;逆变器输入电流分量的数值和脉动频率;电磁干扰EMI及电磁兼容性EMC。 大部分中小容量的有源滤波器中，主回路用的器件基本为IGBT，只有当容量达到MW级的大容量才使用GTO。 电压型PWM逆变器的直流侧接有大电容，在正常工作时，其电压基本保持不变，可看作电压源;对于电压型PWM逆变器，为保持直流测电压不变，需要对直流侧电压进行控制;电压型PWM逆变器的交流侧输出电压为PWM波。其需要解决的问题包括: U(1)对补偿电流的跟随性能起决定作用的几个参数:L、等的设计 C (2)开关器件的选择及其额定参数的确定; (3)主电路容量的计算; (4)按所选器件的要求设计驱动电路，并设计整个装置的各种保护电路。 主电路中开关器件的选择。目前使用于的开关器件主要有BJT(即GTR)、IGBT、 第 16 页( 共28 页) 控制方案和电路设计 GTO晶闸管等。器件的选择，首先应当满足工作频率和器件容量的要求，当单个器件的容量难以满足要求时，可考虑采用器件串并联和主电路多重化等方法。在满足工作频率和容量要求的情况下，还应考虑器件的价格。 器件种类确定后，确定其额定值才能开始。其中，额定电压由直流电压侧决UC定，并适当考虑裕量。额定电流由反馈电流决定。 ic 选取整流元件的额定电压 (3-6) U23U,(,)Nmax 式中，为整流元件实际承受到最大峰值电压。所以我们选取的整流二极管的UUmaxN [3],120V(选取,,40V)。 U2Umax2 而在整流二极管的额定电流即为通态平均电流，是正弦半波电流的平均值，此IT 时流过元件的电流有效值I,1.57。因为整流元件的电流额定主要是受发热的限ITav() 制，即主要由电流的有效值来决定，因此整流元件的额定电流的选择应以实际流过元件的电流的有效值再乘以安全系数来决定。为了便于计算，用下式计算: (3-7) I1.5~2)I,(Tavd() 即,2×3.5,7A IT 所以整流二极管的参数选取 15A/800V。 ,U5,,,对于整流电路中滤波电容，利用式(3,3)，计算的出C,10mF。(式中， ,,,,100314A，,40V，)。 I2.5,2Udmax2 其实C的大小有另外的方法可以计算。单相全桥整流电路的脉动频率为50×4, ,t5,ms200H，也就是说整流电路的向C补充的能量的间断周期为0.005s，即，而Z ,U,1.5V。 C 利用我们在电路里面所学的 ducIC, (3-8) dt 计算出电容C,8.3mF。当然在整流电路中的脉动上升不一定为5ms，所以与上面的算法多少有些出入，但考虑到一定的裕量，取到10mF可以满足我们电路的需要。 主电路中开关器件的选择应根据有源电力滤波器本身流过的电流和要求的开关频率来决定。有源滤波器中的电流是一非正弦波，所以有其特殊性的地方。在选择IGBT电流参数时，应根据流过管子的最大电流来确定。对于主电路上负载通过电流 2的有效值为1.78A左右，则其峰值为×1.78=2.52A，考虑一定的裕量，10A即可选 第17页(共28页) 电力系统谐波抑制装置的研究 取IGBT。 而主电路中开关器件的参数，额定电压由直流侧电压决定，并考虑一定的裕Ud 量，额定电流由补偿电流决定: ,37V，,2.52A iUiddd 从经济上的角度选取型号为CT60AM,20，60A/1000V，即可。 3.2.2 驱动电路 IGBT是电压驱动元件，都有一个容性输入阻抗，因此，IGBT的驱动电路有如下基本要求: (1)用内阻小的驱动源对栅极输入电容充电和放电，以保证栅极电压有足UGE够陡的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。 (2)栅极电压的大小必须综合考虑，正的增大，IGBT通态压降和开通UUGEGE 损耗下降，但负载短路时增大，对其保护和安全不利，一般选取正,12,15V。 IUCGE (3)关断过程中，为尽快使栅极输入电容放完电，并将IGBT置于反偏的最大安全工作区，应施加以负偏压，但它受IGBT的GE间最大反向耐压限制，一般UGE 取,2,,10V。 (4)IGBT多应用于高电压场合，因此驱动电路与控制电路在电位上应严格隔离，并保证能传递几十kHz的脉冲信号。 用EXB841系列驱动IGBT中的驱动输出端与IGBT栅极间串联电阻主要用于RG抑止IGBT集电极产生大的电压尖脉冲和降低开关噪声。不同的额定电压、额定电流的IGBT对应的R推荐值也不一样。在这里由于我们采用的是CT60AM,20，G ,60A/1000V，因此这里的R推荐选取250。 GERA43-10 R16 152IGBT10mAC1Rg EXB8413 C21驱动信号 149 5420V TLP5210V 4.7k1/2W图17 EXB系列驱动器的典型应用线路示图 第 18 页( 共28 页) 控制方案和电路设计 图17为EXB系列驱动器的典型应用线路示图使用EXB系列驱动电路应注意如下问题: (1)输入电路(光电耦合器边原边)接线应远离输出电路，以保证有适当地绝缘强度和高的噪声阻抗。 (2)IGBT的栅、射极回路的接线要小于50cm，且应使用双绞线。 (3)应用电路中的电容器、用于吸收电源线阻抗引起的供电电压变化，而CC12 不是作为电源滤波用的。 (4)必要时可增大，抑止IGBT的集电极产生大的电压尖脉冲。 RG 3.2.3 控制电路原理 瞬时值比较方式，图18所示的以一相的控制为例，采用滞环比较器的瞬时值比较方式的原理图。 *i，滞环比c 较器,ic 图18 采用滞环比较器的瞬时值比较方式原理图 *ii在该方式中，把补偿电流的指令信号与实际的补偿电流信号进行比较，两者cc的偏差作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断地,ic PWM信号，该PWM信号经驱动电路来控制开关的通断，从而控制补偿电流i的变c化。 如图19，下面以a相为例进一步讨论。当V器件导通时，i将减小;而当V器件1c4导通时，i|i|H,,将增大。用H表示滞环比较器的环宽，当时，滞环比较器的输出cc |i|H,,保持不变;而当时，滞环比较器的输出将翻转，假设后面的驱动电路和主电c i,i路无延时，则补偿电流的变化方向随之改变。这样，就在,H到H之间变化，cc ***[3]iiii即就在,H和，H之间的范围内，呈锯齿波状地跟随变化。 cccc 图19 电流变化轨迹图 第19页(共28页) 电力系统谐波抑制装置的研究 电流滞环PWM的工作过程为:当i-i*?h时，控制器输出0，i开始减小;当i-i*?-h时，控制器输出1，i开始增加。当又增至i-i*?h时，控制器输出0，„„，如此往复，i始终在i*?h内变化，并且在每个开关周期内i要经历从i*+h下降到i*-h和从i*-h上升到i*+h这2个阶段，记某个时刻t开始的一个开关周期Ts(t)的下降时 iii,，LLfLh间为，上升时间为，设逆变器的输入电压为，设Ld和变压器的副tU2diiii,，,sLcLf 方ax端漏电感之和为L，电感Ld与ax端漏电感上的电阻为R1，则有: di2ht,1dtt,L (3-9) 1UR,id1 di2h+t2dtt,L (3-10) 2UR,id1 ,,t+设电流给定为i*=Isin()，其中θ为初相角，忽略电感的电阻的影响，化简上R1式，可得: 2hL (3-11) ,t1,,,，cos(，)UItd 2hL (3-12) ,t2,,,,cos(，)UItd 这样就可计算出Ts(t): 4hLUd (3-13) ,，,TttS1222222,,,,，)ULIcos(td 则开关频率为: 22222UILt,(),,,cos，d (3-14) fttt(),,，s124hLUd U在本文的研究中，一般有IωL，忽略式中分子的后一项,可得: d Udft(), (3-15) s4hL U因此，在上述的滞环控制中，当选定了，h，L后,其开关频率基本保持不变，d U从而使控制更加容易实现，而且有利于高频滤波电容的选择。 d 这种控制方式中，滞环的宽度H对补偿电流的跟随性能有较大的影响。当H较大的时候，开关通断地频率即电力半导体器件的开关频率较低，故对电力半导体器件的要求不高，但是跟随误差较大，补偿电流中高次谐波较大。反之，当H较大时， 第 20 页( 共28 页) 控制方案和电路设计 虽然跟随误差小，但是开关频率较高。在采用滞环比较器的瞬时值比较方式中，滞环的宽度通常是固定的，由此导致主电路中电力半导体器件的开关频率是变化的。尤其是当变化的范围较大时，一方面，在值小的时候，固定的环宽可能使补偿电流的iicc 相对跟随误差过大;另一方面，在值大的时候，固定的环宽又可能使器件的开关频ic [5]率过高，甚至可能超出器件允许的最高工作频率而导致器件损坏。 3.2.4 控制电路设计 如图20所示，所采用的芯片为LM311，它是一种常用的线性比较器，广泛应用于比较及整形电路中，但其在应用中却经常出现一些意想不到的问题，即输出的脉冲信号并不像理论分析那样理想，而是在输出的脉冲前后沿附近出现高频振荡。这种含有高频振荡的波形是不能直接使用的，它会给后续电路带来误动作，因此，这种情况必须引起注意，设法避免或消除高频振荡。这是由于比较器的高增益和宽带造成的， [4]干扰的存在也是造成这种振荡的直接原因之一。 振荡的产生与结构的安排有很大关系。输出信号最好远离输入端管脚，也应远离两平衡端管脚，因为反馈信号感应或触及任何管脚几乎都可能引起振荡。若比较器在输入端使用电阻时，其位置和阻值是值得考虑的。电阻应安放在管座的附近，一般阻值应小于10K(甚至更小)。 输入信号的幅度的大小，与产生振荡有直接关系，实验表明:信号幅度越小，频 [4]率越低，产生振荡的可能性就越大。下面将对以上的结论做简单的分析。 若有一个过零比较器，其输入信号为,,,Vtsin信号t =0点的斜率为: i00 d,iKV,,| (3-16) ,t,000dt ,t,,,,,VKtVt,,VV,在时间内电压的变化量为:，由此可见与，成正i00i00 ,t比，即输入信号的幅度越大，信号的频率越高，则在时间内，V的幅度变化量就 d,i越长，当足够大时，输入信号就会迅速越过比较门限，从而达到消除振荡的目的。dt ,15V由于比较器的输入电压范围一般都比较宽(如:LM311的电压输入范围为)，因此，只要输入信号的幅度大于0.75V，本设计能在10Hz,60KHz的范围内可靠工作，继续加大电压幅度，工作的范围可向低频端延伸。 第21页(共28页) 电力系统谐波抑制装置的研究 2.2K 81K25615V7LM311347K115V1K4 反馈电流 检测 电流 图20 电流跟踪控制电路 在比较电路中，当输入信号大到比较电平时，比较器应立即翻转，但若被测信号叠加一定的干扰时，可能使比较器在比较电平附近产生振荡。克服比较器振荡的有效方法是采用滞后技术，即在其同相端加入少量的正反馈，滞后比较器的比较电平不再是单一的电平，而是具有原比较电平附近的两个电平，就如图20中47K的电阻的作用一样。 3.2.5 印制电路板的布线技术 除了元器件的选择和电路设计之外，良好的印制电路板(PCB)布线在电磁兼容中也是一个非常重要的因素。既然PCB是系统的固有成份，在PCB布线中增强电测兼容性不会给产品的最终完成带来附加费用。 PCB布线没有严格的规定，也没有能覆盖所有PCB布线的专门的规则。大多数PCB布线受限于板子的大小和铜板的层数。一些布线技术可以应用于一种电路，却不能用于另外一种。然而还是有一些普遍的规则。 PCB布线的普遍方针: (1)增大走线的间距以减少电容耦合的串扰; (2)平行的布电源线和地线以使PCB电容达到最佳; )将敏感的高频线布在远离高噪声电源线的地方; (3 (4)加宽电源线和地线以减少电源线和地线的阻抗。 接地技术既应用于多层PCB，也应用于单层PCB。接地技术的目标是最小化接地电阻，以此减少从电路返回到电源之间的接地回路的电势。在单层PCB中，接地线的宽度应尽可能的宽，且至少应为1.5mm。由于在单层PCB上无法实现星形布线，因此跳线和地线宽度的改变应当保持为最低的，否则将引起线路阻抗与电感的变化。在双层PCB的接地线中，对于数字电路优先使用地格栅/点阵布线，这种布线方式可以减少接地阻抗，接地回路和信号环路。像在单层PCB中，地线和电源线的宽度最 第 22 页( 共28 页) 仿真 少为1.5mm。另外的一种布局是将接地层放在一边，信号和电源线放于一边。在这种布置方式中将进一步减少接地回路和阻抗，去耦电容可以放置在距离IC供电线和接地层之间尽可能近的地方。 过孔一般被使用在多层印制电路板中。当是高速信号，过孔产生1到4nH的电感和0.3和0.8pF的电容道路径。因此，当铺设告诉信号通道时，过孔应该被保持到绝对的最小。对于告诉的并行线(例如地址和数据线)，如果层的改变是不可避免，应该确保每根信号线的过孔数一样。 与过孔相似，直角的路径转动应该被避免，因为它在内部的边缘能产生集中的电厂。该场能产生耦合道相邻路径的噪声，因此，在转动路径时全部的直角路径应该采用45度的。 4 仿真 4.1 电路图的绘制及其仿真 在电路设计中，模拟电路与数字电路的设计有很大区别，数字电路可以很方便地抽象到逻辑门、寄存器、运算器等不同层次的逻辑单元，可以用数据流图、有限状态模型等形式进行高层次描述，并将这些逻辑单元和高层次行为描述用于不同层次的电路设计。因此，数字电路结构简单、规则，易于抽象这些特点促进了数字电路设计自动化。相反，模拟电路要复杂得多，模拟电路种类繁多，性能通常与连续变化的变量有关，其结构也千差万别，模拟电路的特点使其性能和结构的抽象提取和表达都较为困难，因此，对仿真工具的精度、可靠性、收敛性以及速度等都有较高要求。Pspice [6][7]是我们比较熟悉的软件，所以我采用Pspice仿真。 第23页(共28页) 电力系统谐波抑制装置的研究 4.2 仿真及结果显示 仿真参数设置好后，就可以仿真当前电路了，计算机开始按照所设定的参数对电路进行仿真计算。 图21中就显示了仿真电路中所给定的输入电压波形。这个信号是频率、幅值可变，频率到1kHz的多次谐波电压信号。 图21 输入电流波形 第 24 页( 共28 页) 仿真 图22所显示的是仿真电路中主回路所所输出的电流信号的波形，实际上我们是通过有个采样电阻，得到电压信号，然后通过控制回路与输入电流信号进行比较。 图22 输出电流信号波形 当然我们为了能更清楚的看到电流波形的跟踪情况，必然就要将这两个信号进行比较，这样我们才能从仿真中得出这次毕业设计方案的成功与否。由于篇幅有限，只能将两个信号的比较的波形给出其周期的一部分，如图23所示 图23 比较跟踪 第25页(共28页) 电力系统谐波抑制装置的研究 5 总结 随着人们对电力系统谐波问题的重视，出现了越来越多的谐波和无功功率补偿的方法，其中，有源电力滤波器就是一个十分重要的研究方向，越来越受到人们的重视。本文根据电力系统的实际情况和需要，重点介绍了电力电子功率驱动放大电路。主要对谐波电流的跟踪和放大和主电路的参数设计等方面做了一些工作，现总结如下: 设计了有源滤波器中的补偿电流产生电路，包括电流跟踪控制电路和主电路，使得补偿电流可以准确地跟踪线路谐波的变化并补偿之，选择新一代的电力电子器件作为主电路的工作器件，使得整个电路的工作效率和控制的可靠性有了提高，并且在驱动电路的设计上也做了认真探索。 当然仍存在几个有待解决的问题。 器件容量的增大和开关频率的提高。为了实现电流的快速控制、提高补偿的效果，开关频率是关键，要求器件以告诉频率工作。此外，应用多重化技术也能提高器件的等效开关频率。从经济的角度考虑，应使用高容量、大功率的器件，但这与使用高频率产生矛盾，因为大容量收到频率的限制。 降低装置的价格并使其多功能化。装置的造价较高，如何提高装置的性能价格比，这也是所面临的问题。 降低损耗，提高系统可靠性。这方面的主要工作包括:采用合理的开关频率，选择适当地吸收回路，以提高装置的使用效率;采用过流，过压保护技术，故障诊断技术以使系统可靠工作等等。 总的来说，本课题的研究取得了一些成果，但要应用到实际中还有大量的工作需要进行。现在毕业设计就快结束了，我的设计也快完成了。虽然有些粗糙，但这之中还是包含了我许多的心得和体会。本次毕业设计锻炼了自己查阅资料、自学、分析问题、解决问题的能力，使我了解了基本的科研方法。虽然设计有一些问题，但都有可能得到很好的解决。 由于作者学识浅薄，文中一定有诸多不当与未尽之处，敬请各位老师、同学批评指正。 第 26 页( 共28 页) 参考文献 参考文献 [1] 贾正春，马志源(电力电子学(北京:中国电力出版社，2002年1月 [2] 李达义，陈乔夫，贾正春(一种新型的串联型有源电力滤波器(电力系统自动化，2000，25(9): 27,29 [3] 王兆安，杨君，刘进军(谐波抑制和无功功率补偿(北京:机械工业出版社(2002(2 [4] 杨玉强(LM311在使用中应注意的几个问题(锦州师范学院报(自然科学版)，1999，9(3): 9,10 [5] 王兆安，黄俊(电力电子变流技术(机械工业出版社(第3版) [6] 谢自美(电子线路设计实验测试(华中科技大学出版社(第二版) [7] 吴竞昌，孙树勤，宋文南等.电力系统谐波.北京:水利电力出版社，1988:8~14 [8] 夏道止，沈赞埙(高压直流输电系统的谐波分析及滤波(北京:水利电力出版社，1988:27~39 [9] 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