吴建民1114050137

吴建民1114050137 课程设计报告 题 目: 有源电力滤波器的仿真分析 学生姓名: 吴 建 民 学生学号: 1114050137 系 别: 电气信息工程 专 业: 电气工程及其自动化 届 别: 2015届 指导教师: 徐小军 电气信息工程学院制 2014年5月 有源电力滤波器的仿真分析 学生:吴建民 指导教师:徐小军 电气信息工程学院 电气工程及其自动化专业 1课程设计的任务与要求 1.1课程设计的任务 1. 有源电力滤波器控制系统电路设计。 2. 有源电力滤波器系统的Matlab仿真及其分析 3(电源为220V交流50Hz的电压源。 4(非线性负载:三相可控整流桥，直流侧选择RLC负载，额定电压为220V，额定频率为50Hz。 1.2 课程设计的要求 1(对系统设计方案的先进性、实用性和可行性进行论证，说明系统工作原理。 2. 画出单元电路图，说明工作原理，给出系统参数计算过程。 3. 对项目设计结果进行分析。 4. 画出整体电路原理图，图纸、元器件符号及文字符号符合国家标准。 5(课程设计说明 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 应严格按统一格式打印，资料齐全，坚决杜绝抄袭，雷同现象。 2.有源电力滤波器 2.1什么是有源电力滤波器 有源电力滤波器(APF)是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，之所以称为有源，顾名思义装置需要提供电源，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(传统的只能固定补偿)，实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功;三相电路瞬时无功功率理论是APF发展的主要基础理论;APF有并联型和串联型两种，前者用的多;并联有源滤波器主要是治理电流谐波，串联有源滤波器主要是治理电压谐波等引起的问题。有源滤波器同无源滤波器比较，治理效果好，主要可以同时滤除多次及高次谐波，不会引起谐振，但是价位相对高～目前的有源滤波器均以低压为主，高压有源滤波器技术已经成熟， 但是实际应用安全系数很低，国际普遍做法是以变压器升压，来保证可靠性，国家相关部门也要求以变压器升压的形式和有源滤波器结合，治理高压谐波～ 2.2 APF基本工作原理 APF由2大部分组成:谐波和无功电流检测电路及补偿电流发生电路(由补偿电流控制电路、驱动隔离电路和主电路3个部分构成)，APF工作原理示意图如图1所示。前者的作用是检测出负载电流中的谐波和无功电流等分量:后者的作用是根据检测出来的谐波和无功电流等产生相应的补偿电流。其中，补偿电流控制电路是补偿电流发生电路的核心环节，负责根据补偿电流指令信号。由控制算法计算得到主电路每相桥臂各功率开关器件的触发脉冲;隔离与驱动电路负责驱动主电路IGBT开关;主电路用来产生补偿电流。与APF并联的高通滤波器HPF(Hi出Pass Filter)能滤除APF所产生的补偿电流中开关频率附近的谐波。 *i APF的基本工作原理是:谐波无功电流检测电路将负载电流i中的谐波电流cc i和无功电流也分离出来。然后把它们反相并产生出补偿电流，的调制波信号，iLqL **iii,，亦即指令信号i补偿电流控制电路根据的值输出触发脉冲，通过驱动ccLhLp **i隔离电路驱动主电路的功率开关，使其创建出补偿电流i，i要跟踪，故ii,,ccccc, *iiiiii=ii(i)，,，,,，,因此 sLcccLLhLqLp (1) ii即电源电流中只含有基波有功分量，从而达到消除谐波和补偿无功功率的目Lps 的,根据此原理，对于三相APF，还能对电流的不对称度和负序电流等进行补偿。另一个角度讲，有源电力滤波器应该包含两个部分:一个是指令电流运算电流，用来检测出补偿对象电流中的谐波和无功电流等分量;另一个是补偿电流发生电路，即根据检测电路所得出的补偿电流指令信号，产生实际的补偿电流。由图1所示，补偿电流发生电路包含三个部分:电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路。其中，电流跟踪控制电路是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流的关系产生相应的PWM控制信号;驱动电路是根据所得的控制信号直接驱动相应器件的开通和关断;主电路目前采用PWM变流器，在图中是一个变压型变流器，它的直流电容提供逆变用的直流电压。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中与变 流器开关频率有关的谐波。 图1 有源滤波器基本工作原理 2.3 有源电力滤波器的发展过程 1971年日本的Machida首先提出了有源滤波器的原始模型，同年，H.Sasaki等就首次完整地描述了有源滤波器的基本原理，但由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流，其损耗大，成本高，因而仅在实验室研究，未能在工业中使用。1976年，美工刀Strycula提出了用PWM逆变器结构构成有源滤波器，确立了当今滤波器的基本结构，同年，L.Gyugyi等人提出了用大功率晶体管PWM逆变器构成的有源滤波器。并正式确立了有源滤波器的概念，提出了有源滤波器主电路的基本拓扑结构和控制方法。1982年，第一台采用GTO作为开关元件的电流源PWM逆变器构成的有源滤波器(800Kva)在日本研制成功并投入使用。1983年，日本长冈科技大学的Akagi等人基于pq分解理论，提出了三相电路瞬时无功功率理论，未解决三相电力系统畸变变流的瞬时检测提供了理论依据。表明实现有源滤波器补偿功能的条件已经具备，使有源电力补偿技术实用化研究得到了极大发展，与此同时，大功率晶体管(GTR)、大功率可关断晶闸管(GTO)、静电感应晶闸管(SITH)、静电感应晶体管(SIH)、功率场效应管(MOSFET)、场控晶闸管(MCT)及绝缘栅型双极性晶体管(IGBT)等新型快速大容量功率开关器件相继问世;PWM调制技术、微机控制技术，以及数字信号处理技术都取得了长足的进步。这些都极大地促进了有源电力滤波器技术的发展，使有源电力滤波器真正进入了工业实 用阶段，1986年日本的Komasugi和Imura研制出一套用于三相整流器补偿的电流补偿器，可补偿19次以下的高次谐波。1991年，南非的Enslin和Wyk研制出综合补偿系统。进过20多年的研究和探索，APF技术得到了长足的发展，越来越多的APF投入了运行，不论实现功能还是运行功率上都有明显的改善。 3.有源电力滤波器仿真分析与系统方案制定 3.1方案分析 1.APF谐波和无功电流检测方法 准确、实时地检测出电网中瞬态变化的畸变电流是APF进行精确补偿的关键。谐波电流检测方法主要有以下几种:模拟带通滤波器(或陷波器)检测法、基于频域分析的快速傅里叶变换FFT(Fast FourierTransfo瑚ation)检测法、基于现代控制理论的检测法、瞬时波形比较法、自适应检测法和基于瞬时无功功率理论的检 ii,测法。基于瞬时无功功率理论的检测法现已包括p-q法、法和d-q法。P-qpq ii,法应用最早，适用于三相对称且无畸变的公用电网;法不仅适用于三相不pq 对称公用电网，而且对电网电压畸变也有效;基于同步旋转Park变换的d-q法，简化了对称无畸变情况下的电流增量检测，同时也适用于不对称、有畸变情况下的电流增量检测。基于瞬时无功功率理论的检测法具有较好的实时性,在三相电路中得到了广泛的应用。 而d-q坐标变换检测法是在d-q-0坐标变换的理论基础上简化而来，Park变换(也称d-q-0变换)的实质就是将静止的abc坐标系变成按顺时针方向旋转的d-q-0坐标系，其旋转角速度为abc三相电流中的基波角频率。经d-q-0变换后，abc坐标系下的三相对称正序基波电流、电压分量转换为在d-q-0坐标系下的直流分量，而其余需要进行补偿的谐波在d-q-0坐标系则呈现交流分量，就为谐波检测和补偿分量分离提供了方便。在并联有源电力滤波器APF中，我们希望只留下基波正序分量，而基波正序分量在d-q-0坐标系下对应的是直流分量。因此通过Park变换先将三相电流变换到d-q-0系下，然后滤除其中的正弦分量，分离出相应的直流分量，再将该直流分量进行Park反变换就可以还原得到三相基波的正序分量了。最后，将所得基频正序电流从检测到的总电流中减去，便得到了需要补偿的包含谐波、基波负序在内的总的畸变电流，其检测回路算法框图如图2所示: 图2 d-q变换谐波检测算法框图 2.APF补偿电流控制方法 补偿电流的控制方法是实现APF功能的核心环节，它通过产生开关器件的驱动脉冲控制APF的行为。从而实现对谐波和无功电流的动态补偿。目前，常用到的控制方法是三角波比较控制、滞环比较控制和SPWM控制。对于电压型APF，控制电路除了要使APF输出端的补偿电流跟踪指令电流的变化外，还需使主电路直流侧电压保持稳定。在APF实际运行时，很难把直流侧电容电压维持在某一给定值。实际上，保持直流侧电容电压稳定，只需对主电路进行适当的控制即可实现，这就是比例积分(PI)调节控制法。目前，常用的PI调节控制法，是将检测到的电容电压实际值与给定的参考电压值相减之差通过PI调节器得到调节信号，并将其作为实际的补偿电流指令值叠加到原检测电路中的电流指令信号上。该指令值是保证直流电压恒定的电流指令值，用来对APF的损耗进行补偿。由于APF的损耗是作为瞬时实功率分量考虑的，因此，PI调节后得到的电流指令值。叠加到瞬时有功电流经d-q变换后的直流分量上，经运算后，原检测电路输出的电流指令信号中包含一定的基波有功电流分量，使APF直流侧与交流侧交换能量，从而将直流侧电容电压调至给定的参考值。 图3 比例积分调节器原理图 3.方案论述 APF系统是一个复杂的非线性、强耦合控制系统，对它进行精确的理论分析是比较困难的，而且新的控制算法应用于这样一个实际系统往往需要花费大量的时间和精力。仿真可以验证控制系统结构的正确性，加深对控制规律的认识和理解。仿真中，系统的一些重要电路参数和控制参数的值对实验装置的参数设计具有一定的参考价值。因此，在实际装置设计制作之前有必要对整个系统控制算法的有效性进行仿真研究。 有源电力滤波器(Active Power Filter)有并联型、串联型以及混合型等形式，并联型主要适用于谐波电流型负载，而串联型主要适用于谐波电压型负载。并联型有源电力滤波器的主结构与D-STATCOM基本相同，只是由于功能不同，所以控制策略有所不同。它通过实时监测负载的谐波电流，控制VSC向电网注入与负载谐波电流大小相等但方向相反的电流，则可以实现滤除谐波的功能。 4.有源电力滤波器的仿真分析系统方案设计 4.1仿真软件介绍 MATLAB是一种科学计算软件。MATLAB是一种以矩阵为基础的交互式程序计算语言。早期MATLAB主要用于解决科学和工程的复杂数学计算问题。由于它使用方便、输入便捷、运算高效、适应科技人员的思维方式，并且有绘图功能，有用户自行扩展的空间，因此特别受到用户的欢迎，成为科技界广为使用的软件。 1993年出现了SIMULINK，这是基于框图的仿真平台，SIMULINK挂接在MATLAB环境上，以MATLAB强大的计算功能为基础，以直观的模块框图进行仿真和计算。SIMULINK提供了各种仿真工具，尤其是它不断扩展的、内容丰富的模块库，为系统的仿真提供了极大的便利。在SIMULINK平台上，仿真模型的可读性很强，这就避免了在MATLAB窗口使用MATLAB命令和函数仿真时，需要熟悉记忆大量M函数的麻烦。 从SIMULINK4.1版开始，有了电力系统模块库(Power System Blockset)，利用该模块库的模块，可以方便的进行RLC电路、电力电子电路、电机控制系统和电力系统的仿真。本设计中就是要利用Power System Blockset和基本的SIMULINK库对电流跟踪逆变器系统进行模型搭建和仿真，从而得到一定结论。 4.2系统模块的搭建 vt (pu)Vabc[Vs]1Iref[Iref]AAAVabcfreq (pu)IabcA[Is]1aIabcA[Iload]ABaAaBB+bBa+BbvStep-CbBbBCCcCcVdc1CcLsshuntCc-active harmonic filterC Load aA bB MeasurementscC AAa3000++v-ssBbB++Vdc2--Read the Model Propertiesfor initialization detailsCc-CThree-Phase Active Harmonic Filter?Continuous Load1Double click here for info 图4 有源电力滤波器的仿真程序 Iref Iref_Isource Iref_Isource Is-K-abs_error Iref_Isource IsourceIsource__IloadIload Isource_IloadIload Vs Vs abc 图5 Measurements内部结构模型图 如上图所示的示例程序:俩个二极管整流器构成电网的非线性负载，它们分别通过,,,,,Y和变压器与电网相连。前10个周期只有第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2000A，其后变为3000A。从第10个周期开始，断路器闭合，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。 4.3仿真图像 图6 负载电流(紫色)与电网电流(黄色)波形 图7 有源滤波器输出电流波形(黄色) 图8 给定电流图 4.4仿真结构分析 运行该程序，可得负载电流、电网电流和有源滤波输出电流分别如图6和图7所示。负载电流波形如前所述，前10个周期由于只有一台二极管整流器，因此波形更差，第5个周期时负载电流增大。后10个周期由于是俩台二极管并联运行，因此波形有所改善。从图5电网电流(紫色)可以看到，经过滤波器的补偿，电网电流有了明显的改善，基本接近正弦波。图7即为二者之差，也就是有源滤波器的输出电流。 5.实验总结 这次我的课程设计题目是有源电力滤波器仿真分析，由于是有源滤波器课程的重点，老师也反复强调的知识点，所以这个知识点我掌握的比较透彻，这次课程设计的基本原理自然也基本上理解了。 在弄懂了设计原理后，首先要用MATLAB进行仿真，用Simulink搭建模块，进行仿真实验，根据要求设计相关参数，模块搭建好后，通过运行得到了不同的波形。 本次设计对我的实践能力有了进一步的提高，让我对以后的工作学习有了更大的信心。通过这次课程设计使我懂得只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合，从理论中得到结论，并用实践来检验结论，这样才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。同时，在设计中也发现了自己很多的不足之处，对以前所学的知识理解不够透彻，掌握不够牢固，通过本次课程设计，把以前的所学的知识重新温习，又一次巩固了所学的知识 除了对理论知识有了更深的理解，同时也培养了自己以前几点能力。第一，提高自己撰写课程设计报告的水平，提高了自己的书面表达能力。具备了文献搜索能力。第二，提高了运用所学的各门知识解决问题的能力，在本次课程设计中，涉及到《电力电子技术》、《电路》、《基于Matlab的仿真与应用》等，学会了如何整合自己所学的知识去探究问题，解决问题。 本次课程设计虽然完成了，但还有很多不足的地方，希望老师多多指正。感谢老师的严格要求和耐心指导，让我们学会如何自觉的学习。只有通过自己亲身学习和实践，才能真正的掌握知识。以后我要努力学习，多动脑筋，不停留在书本上一点点的知识。最后，再次感谢徐小军老师在百忙之中耐心的指导。 6.参考文献 [1] 林飞.杜欣等.电力电子应用技术的MATLAB仿真 2009 [2] 齐荣.赵东元等.有源电力滤波器:结构?原理?控制 2005 [3] 李自成.刘国海.基于傅里叶级数的单相有源电力滤波器谐波电流检测方法2012 [4] 卓放.王兆安.有源电力滤波器的发展与应用 2000 [6] 张兴.电力电子技术，北京:科学出版社， 2010 [7] 吴大正.信号与线性系统分析, 北京:高等教育出版社，2005 指导教师评语 指导教师签字: 成绩,60%, 年 月 日 答辩小组评语 答辩小组签字: 成绩,40%, 年 月 日 教研室综合意见 教研室主任签字,盖章,: 综合成绩 年 月 日