单相并联有源滤波器谐波抑制的仿真研究

论文总字数：17078字

目 录

1 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 电力系统中的谐波与抑制 1

1.3 有源电力滤波器基础 4

1.3.1 有源电力滤波器的分类 4

1.3.2 串联型、并联型有源电力滤波器 4

1.3.3 Matlab/Simulink简介 7

1.4 本文主要工作 8

2 单相并联型APF的谐波检测 9

2.1 非线性负载的谐波分析 9

2.1.1 整流电路带阻感负载的谐波分析 9

2.1.2 整流电路带阻容负载的谐波分析 11

2.2 基于FFT的谐波检测方法 13

2.3 本章小结 15

3 单相并联型APF的控制方法 16

3.1 滞环电流控制 16

3.2 平均电流控制 18

3.3 直流侧电压的控制 20

3.4 本章小结 20

4 单相并联型APF建模与仿真 21

4.1 谐波检测仿真与分析 21

4.2 APF仿真与分析 22

4.3 本章小结 25

5 结论 26

参考文献 27

致谢 28

电力系统谐波抑制的仿真研究

蒋光宇

，China

Abstract：With the development of the power system and the opening of the electricity Market, the power quality problem is receiving increasing attention．The pollution of the harmonies to the grid is increasingly severe, owing to the widespread adoption of the non-linear loads. So, the harmonic and its suppression technology is becoming a hot topic of social concern．

In this paper, the active power filter is used as the research object, and the related principle of the single-phase shunt active power filter is studied. Firstly, the background and purpose of this study are introduced, the harmonic and its harmfulness and control measures in power system and the basic knowledge of active power filter are introduced, and the Matlab/Simulink is introduced briefly. Then, the harmonic output characteristics of nonlinear load are analyzed, and the harmonic detection method of single-phase shunt active power filter is studied. The control method of single phase shunt active power filter is studied, including two current control methods and DC side voltage control method. Finally, the simulation model of single-phase shunt active power filter is built in Simulink, and the harmonic detection method and current control are combined to achieve the effect of eliminating harmonics in the load current.

Key words：power system harmonic; MATLAB; active power filter; APF; Hysteresis

Current Control manner

1 绪论

1.1 研究背景

电力被当作目前人类社会中最重要的能源形式，是影响国家经济和人民生活一项重要指标。随着科学技术的发展和工业制造行业规模的扩大，各地区的用电已大大增加。随之而来的是，电力电子器件和变压器等非线性负载的使用大大提高，他们越来越多的使用使电力系统的稳定运行受到了很大的影响。另外，各种新型器件对电力质量要求也与日俱增，所以保证电能的重量是现代电力系统必须重视的问题。

整个电力系统大体分为发电、变电、输电、配电、用电五个环节，这里我们主要考虑的是配电和用电过程，它们受多种多样因素的滋扰，也最难衡量把握。目前我国的配电网建设和管理并不完善，由于多种因素配电网经历电能损耗后导致线路电压降低、功率损耗大、无功补偿设备不足、用电效率偏低等诸多问题^[1]。

在现今的各个领域中，例如军事航天设备的生产，工业设施的制备，智能化家用电器的制造，所需要的生产制造仪器大多都是非线性的，这些设备在工作时，会因为自己所产生的电流谐波而对其同一负载网络上的其他设备产生干扰。这一现象尤其凸显在这些设备的开始与停止过程中，这带来了巨大的电网系统隐患。近些年来，随着非线性负载在工业生产领域占据着主导的地位，而这些负载所带来的上述问题，严重影响着电力系统的稳定性。

21世纪初，无论是国内还是国外，现代化大都市频频发生较为严重的供电电网崩溃事故，在电网崩溃时，人们的正常的生产活动受到了巨大的影响，现代化大都市也缺失了现代化色彩，整体也会经济停滞不前。频频产生的这些事故，不断的让我们认知到现有的电力系统扩展和输送方式难以较大程度提高电能质量。

综合以上我们能够知道，虽然电力系统发展到今天已经成为了一个相当庞大的系统，但仍有诸多问题影响着他的运行与发展，其中首当其冲的就是电能质量问题。因此，电能质量的改善就成为了发展电力系统的大前提。

1.2 电力系统中的谐波与抑制

从理论上来说，电力系统中的电压和电流都是随时间变化的纯正弦波形，然而现实中的情况和理论相去甚远。我国电力系统使用的频率为50Hz，即电力系统中电压和电流的基波频率均为50Hz。谐波指的是一系列不同频率的正弦波，它们的频率是基波频率的整数倍，即100Hz、150Hz、200Hz……n*50Hz。

按照傅里叶分解原理的解释，我们能够知道，一切周期性变化的波形都是由一个基波和一系列谐波叠加而成。图1.1所示为谐波叠加成周期性变化波形的示意图，图中所示分别为、、和。

图1.1 谐波波形示意图

在电能在我们的生活中发挥着越来越重要的作用的同时，电力系统正遭受越来越严重的电能质量问题的困扰。谐波是电力系统电能质量问题中较为突出的一种，谐波的来源包括发电设备和用电设备。从发电设备来说，发电机发出的电压中具有一定的谐波，原因是发电机的转子磁场不可能是纯正的正弦波，这也就造成了发电机输出电压中叠加了一定的谐波。当具有谐波的电压作用在负载上时，即便负载是线性的，负载上产生的电流仍旧会有谐波分量。

相比于发电设备产生的谐波电压，用电设备产生的谐波电流是更为严峻的问题。电力系统中存在着数量庞大的非线性负载，这些非线性负载主要包括：

1. 电力电子装置；
2. 电弧性非线性设备；
3. 传统非线性设备；
4. 电气化铁道；
5. 家用电器和办公设备。

非线性负载在工作过程中，会向电力系统注入大量的谐波电流，典型的如三相整流型负载，其在工作过程中产生的谐波电流次数为次。对于三相负载平衡的电力系统，因为对称，偶次谐波电流就不可能存在了，所以说在电力系统中有待治理的谐波电流主要为奇次谐波电流。

当运行中的电力系统中存在有谐波电流时，将会对电力系统的各方面产生危害和不良影响，这些危害和不良影响主要包括^[2]：

1. 谐波电流会污染电力系统的电能质量，进一步会导致输电线中电压的畸变；
2. 谐波电流使电力系统中的元件产生额外的谐波耗损（元件在设计时的额定频率是基波频率），降低了电能利用效率，同时可能缩短输电线路的寿命；
3. 谐波电流使一些其他的用电设备消耗的功率增大，同时降低了电力系统的功率因数；
4. 谐波电流会产生一定的电磁干扰，进而扰乱电力系统自动装置和继电保护装置的正常工作，造成误动作；
5. 谐波电流产生的电磁干扰还可能影响到电力系统以外的装置，比如影响到通信系统的工作可靠性。

谐波治理的措施大致可以分为两类，即主动治理和被动治理。主动治理是谐波治理中最为有效的措施，其原理是通过改变谐波源的结构或工作模式，从而直接降低或消除用电设备向电力系统中注入的谐波电流。主动治理措施虽然有效，但这种治理措施往往受限于谐波源的结构以及治理措施的成本、效率和可靠性，所以主动治理的治理能力实际上是很有限的。被动治理的治理效果可能受到很多方面因素的影响，但不得不说它仍旧是电力系统中谐波治理中最主要方式。

被动谐波治理措施主要包含以下两种方式：

1. 采用无源滤波器（Passive Filter, PF）。无源滤波器指的是由电容器、电抗器和电阻所构成的谐振回路，可以根据不同的需求设计成不同的拓扑结构。从电路分析以及线性系统的知识中，我们可以分析得到无源滤波器的传递函数，从传递函数来看，无源滤波器可以吸收谐波源产生的电流中某一频率或者说高于某一频率的谐波电流，从而阻值了谐波电流注入电力系统；
2. 采用有源电力滤波器（Active Power Filter, APF）。这种方式是通过检测所需补偿的电流中的基波电流，经过计算得出相应的谐波电流，通过控制电力电子电路的产生电流并注入电网中，这电流和补偿电流中的谐波电流频率、幅值相同，相位相反。具体原理会在下文中介绍。

无源滤波器的结构简单、成本低廉，这些优势使得它在早期广泛应用于电力系统中，但我们知道它存在着非常明显的缺陷：无源滤波器的结构决定了它只能滤除固定次数的谐波，当谐波的次数经常发生变化时，无源滤波器的效果就会变得较差，甚至可能出现共振的现象，危害到电力系统稳定运行。

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