三相非线性不对称电路的谐波补偿研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 7.27MB 73 页 15积分
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摘 要
随着电力电子技术的飞速发展，电网中的非线性设备数量日益增多，这些非
线性电气设备产生的谐波电流在电网的阻抗上产生谐波电压并与电网的基波叠
加，从而引起电压畸变，给电力系统带来了较严重的电能质量问题。有源电力滤
波器（Active Power Filter）是实现电能质量调整和控制的重要手段。
在日常生活中，主要的负载都属于单相负载，并且用电情况经常变化，接到
三相电路中构成的三相负载不可能完全对称，所以必须有中线存在，考虑到三相
四线制系统的普遍性，本文选取三相非线性不对称负载作为研究对象。
本文首先分析了基于瞬时无功功率理论的指令电流运算方法，阐述了瞬时无
功功率理论的原理，该方法是最常用的谐波检测方法，这一经典方法是谐波检测
的基础。结合正负序分量分解的理论，又提出了一种新的谐波电流检测方法——
电网电压定向的坐标旋转谐波电流检测方法。这是一种全新的三相四线制非线性
不对称负载电路的谐波检测方法，利用同步旋转变换的原理只对电流进行变换，
不需要电压变换，既有结构简单的优势，还有概念清晰的特点。
考虑到滞环比较器可以跟踪谐波那么也可以跟踪纯正的正弦波，于是又提出
了基于参考电流的谐波补偿方法。该方法通过检测电网电压、电流和直流侧电容
电压来获取参考电流，使网侧电流跟踪参考电流来产生脉宽调制信号控制开关器
件的导通和关断，从而产生补偿电流达到对谐波抑制的效果，不需要PI调节器和
坐标变换，结构及运算方法更为简单。
在理论研究的基础上，通过MATLAB/Simulink平台进行了系统的搭建，仿真
结果验证了理论的正确性。
最后，对有源电力滤波器的主电路及外围电路进行了深入的研究，详细讨论
了主电路开关器件、输入电感和直流侧电容的选型，进行了有源电力滤波器硬件
的设计及参数的选择，制作了一台基于DSP（TMS320F2812）控制的并联有源电
力滤波器实验样机，并进行了相关的实验研究。通过研究和实验证明，在三相四
线制非线性不对称负载下，本文提出的补偿策略、主电路设计和谐波检测等方法
是正确有效的。
关键词：三相四线制 有源电力滤波器 谐波电流检测方法 电网电压
定向 参考电流
ABSTRACT
With the rapid development of power electronics technology, the non-linear drives
are widely used in applications. These non-linear loads generate current harmonics in
the power system. and add to the sinusoidal fundamental harmonic current, thus we
would have non-sinusoidal currents, that are unbalanced ( i.e. the current amplitudes are
not equal). It has become a serious issue for the power quality in the power system. To
improve the power quality of overall system the active power filters has been introduced.
In many commercial and industrial installations, the loads are non-linear single
phase loads and the power consumption is different in different times. The line currents
are unbalanced and neutral currents flow. The power distributed through a three-phase
four-wire system is used widely in industrial, commercial and consumer environment.
The three-phase four-wire system is discussed in detail in this paper.
At first, harmonics detecting method based on instantaneous reactive power theory
is analyzed in this paper. The instantaneous reactive power theory is discussed in details.
This method is used most widely in the detecting approach of harmonic currents for
APF. The instantaneous reactive power theory promote the fast development of APF, it
offers a theoretical basis for the harmonic detection of power system. According to the
positive and negative sequence component decomposition theory, a new detecting
approach of harmonic and reactive current is proposed. This detection method is based
on grid voltage orientation in the coordinate rotation. The theory is adopted in
detecting reactive and harmonic current for three-phase four wire systems under the
condition of unbalanced and nonlinear load. It needs current coordinate transformation
by the principle of synchronous rotating coordinate transformation, there’s no voltage
convert. The structure is simple and the concept is clear.
For the hysteresis comparator can track the harmonic current, and also can be used
for tracking the sinusoidal current, the new harmonic compensation method based on
the unit current is proposed. This method is detecting the voltage and current of supply
power and the DC bus voltage to compute the unit current, then the supply current are
tracking the unit current. The APF is controlled by this PWM (Pulse Width Modulation)
to eliminate harmonics. There is no PI controller or coordinate transformation in the
control system, the structure and computation are much easier.
Based on the theory, the simulation is done on MATLAB/Simulink and the
simulation results are given to verify the analysis and demonstrate the control
performance.
At last, study the main circuit and the peripheral circuit of the APF. The selection
of the main circuit parameters suck as IGBT、input inductance and DC capacitor are
discussed in details and design and analysis of main circuit of APF. The shunt active
power filter which is implemented using a TMS320F2812 DSP is made and the result of
experiment is shown that the new harmonic compensation methods for three-phase four-
wire system under the condition of unbalanced and nonlinear load are effectiveness.
Key Word: Three Phase Four Wire System, Active Power Filter,
Harmonic Detection, Grid Voltage Orientation, Unit Current
目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .......................................................... 1
§1.1 电网谐波的含义 .............................................. 1
§1.2 谐波的产生及危害 ............................................ 1
§1.3 谐波的主要指标计算 .......................................... 5
§1.4 谐波的治理措施 .............................................. 6
§1.5 本文的主要工作 .............................................. 8
第二章 有源电力滤波器的基本原理和结构 ............................... 10
§2.1 有源电力滤波器的结构 ....................................... 10
§2.1.1 按变流器类型分类 ...................................... 10
§2.1.2 按接入电网的方式分类 .................................. 11
§2.1.3 按控制电源相数分类 .................................... 13
§2.2 有源电力滤波器的基本原理 ................................... 15
§2.3 有源电力滤波器的现状和发展方向 ............................. 16
§2.3.1 谐波电流检测方法 ...................................... 16
§2.3.2 有源电力滤波器的发展方向 .............................. 17
§2.4 小结 ....................................................... 18
第三章 有源电力滤波器的控制方法 ..................................... 19
§3.1 三相四线制APF的指令电流运算方法 ............................ 19
§3.2 电网电压定向的坐标旋转谐波电流检测方法 ..................... 22
§3.2.1 两相坐标的正、负序分解 ................................ 22
§3.2.2 电压定向的
dq
正序旋转坐标变换原理 ..................... 24
§3.2.3 无功与谐波检测系统 .................................... 26
§3.3 参考电流控制方法 ........................................... 26
§3.3.1 拓扑结构和控制原理 .................................... 26
§3.3.2 计算参考电流 .......................................... 28
§3.4 三相四线制APF的补偿电流发生电路 ............................ 29
§3.4.1 瞬时值比较方式 ........................................ 30
§3.4.2 三角波比较方式 ........................................ 31
§3.4.3 无差拍控制方式 ........................................ 31
§3.5 小结 ....................................................... 32
第四章 三相四线制有源滤波器主电路参数计算 ........................... 33
§4.1 开关器件的选择 ............................................. 34
§4.2 缓冲电路的设计 ............................................. 34
§4.3 直流侧电容的选择 ........................................... 36
§4.4 交流侧进线电感 ............................................. 37
§4.5 电流电压传感器的选取 ....................................... 38
§4.6 驱动电路 ................................................... 40
§4.7 系统硬件结构 ............................................... 41
§4.8 小结 ....................................................... 42
第五章 三相四线制有源滤波系统的Matlab仿真 ........................... 43
§5.1 基于
qp
i i
法谐波检测方法的仿真 .............................. 43
§5.1.1 仿真模型的建立 ........................................ 43
§5.1.2 仿真结果分析 .......................................... 43
§5.2 电网电压定向的坐标旋转谐波电流检测方法的仿真 ............... 46
§5.2.1 仿真模型的建立 ........................................ 46
§5.2.2 仿真结果分析 .......................................... 46
§5.3 参考电流的谐波补偿方法的仿真 ............................... 49
§5.3.1 仿真模型的建立 ........................................ 49
§5.3.2 仿真结果分析 .......................................... 49
§5.4 小结 ....................................................... 53
第六章 系统软件设计与实现 ........................................... 54
§6.1 电平转换板 ................................................. 55
§6.2 信号调理电路 ............................................... 56
§6.3 控制系统软件设计 ........................................... 57
§6.3.1 A/D中断服务程序 ....................................... 58
§6.3.2 主程序调试 ............................................ 59
§6.4 实验结果 ................................................... 60
§6.5 小结 ....................................................... 61
第七章 总结与展望 ................................................... 62
§7.1 总结 ....................................................... 62
§7.2 展望 ....................................................... 63
参考文献 ............................................................ 64
附录 攻读硕士学位期间的科研成果 ..................................... 68
致谢 ................................................................ 69
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 电网谐波的含义
任何一个波形畸变的周期性非正弦波电压、电流信号，对其进行傅里叶级数
分解，除了得到与基波频率相同的分量，还可以得到一系列大于电网基波频率的
分量，这部分分量称为谐波[1]。电网谐波产生的根源主要在于大量非线性负载的
使用，突出特点是负载电流与电压波形不同频，可以通过数学方法把畸变波形分
解为基频分量和谐波分量。
电力系统电压、电流波形畸变并不是一个新的问题，早在上世纪二十年代，
在德国就有人提出静态整流器产生的波形畸变问题[2][3]。在电力电子装置大量使
用前，最主要的谐波源是电力变压的励磁电流、发电机。近年来，随着电力电子
技术的飞速发展，使得各种大功率开关器件在电力行业，工业，家庭等地方得到
了广泛应用，给电能的变换应用带来了方便。但同时也给电力系统带来了严重的
无功损耗和谐波污染。电网中的谐波主要由各种电力电子装置(含家用电器、计
算机等的电源)、变压器、发电机、电弧炉和荧光灯等产生。电力电子装置功率
因数低，使电力系统功率因数变低、供电系统的效率降低，给电网带来额外无功
负担。采用大功率开关器件的各种电力电子装置均工作于非线性状态，产生大量
的谐波电流，谐波电流与电网内阻抗配合，会使电网电压波形发生畸变，严重影
响连接在同一节点上的其它电气设备，形成所谓的电力公害。消除电力设备谐波
污染，提高功率因数，改善电能质量，己成为人们广泛关注的问题。因此世界各
国都对谐波投入了大量人力，物力，财力来治理它，并制定了限制电力系统谐波
的各种规定和标准。
§1.2 谐波的产生及危害
在电网中，谐波是指周期电气量中频率大于基波频率整数倍的正弦波分量。
由于谐波频率高于基波频率，有人也把谐波称为高次谐波。随着越来越多的非线
性负载、冲击性负载的使用，电网中谐波污染日益严重。在交流电网中，谐波来
自多个方面，其中功率较大、作用时间较长并可能导致公害的谐波源主要有以下
几个方面：
（1）半导体非线性元件。半导体非线性元件在电力系统中广泛存在，是电
力系统的主要谐波源。随着整流技术的发展和不断完善，硅整流器、晶闸管等在
各行各业中得到广泛应用，例如：直流输电用的整流逆变装置，电池充电器、电
三相非线性不对称电路的谐波补偿研究
2
视机电源等器件遍布电力系统的各个电压等级，它们产生的谐波电流严重污染了
电力系统。
（2）阻感负载。主要有以下几种含阻感负载的谐波源：
电弧炉：由于电弧的电阻值不恒定，在交流电弧的半个周期中电弧电阻也在
变动，造成电弧电流的非正弦畸变；电弧炉谐波电流集中在2~7次，其中2、3次
谐波含量最高，其平均值可达基波分量的5%~10%，最大可以达到15%~30%；
4~7次平均值为2%~6%，最大可能达到6%~15%。
变压器：变压器是具有铁芯的绕组电路，铁芯饱和时励磁电流就是非线性
的，饱和程度越深，电流波形畸变越严重。
另外，荧光灯、高压汞灯、高压钠灯以及金属卤化物灯等属于气体放电类电
光源，也是高度非线性的负载，它们会给电网带来大量的奇次谐波电流。
从这些谐波来源很容易可以看出，谐波的产生都与整流电路有关。目前，常
用的整流电路主要是相控整流电路或二极管整流电路，其中以带阻感负载的三相
桥式和单相桥式整流电路最多。直流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是严重
的谐波源负载。逆变器、直流斩波器和间接DC-DC变换器的直流电源主要来自整
流电路，因此其谐波和无功功率问题也很严重。1992年日本的一项谐波调查报告
指出，电力系统的谐波源中，来自整流器的接近90%。
谐波对电网和其它系统的危害主要表现在以下几个方面[4~15]：
1、谐波对电网的影响
谐波的存在使得公用电网中无功功率增加，导致电流增大和视在功率增加，
使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗，将在能量循环中产生无谓的损耗，降
低了发电、输电及用电设备的效率。
谐波电流与基波电流相比虽然所占比例并不大，但谐波的特点是频率高，导
线的集肤效应（集肤效应也可以称为趋肤效应，是指当交变电流流过导线时，主
电流和涡流之和在导线表面加强，趋向导线中心越弱，电流趋向于导体表面。趋
肤深度的公式为
7.6
f
 
，当频率较高时，趋肤深度越小，导线的有效截面积越
小，交流阻抗越大）使得谐波电阻比基波电阻增加许多，因此，谐波引起的附加
线路损耗也增大。
谐波电流在电网中流动，在线路上产生的无功功率损耗是电网线路损耗的一
部分。谐波对电网的危害除造成线路损耗外，更重要的是使电网波形受到污染，
电能质量下降，对各种用电设备的正常运行造成危害。
（1）对发电机的影响
谐波对旋转电机的危害主要表现为产生附加损耗和转矩。频率增加，旋转电
第一章 绪论
3
机的铁心和绕组中产生的附加损耗也会增加，并且谐波还会导致电机转矩、转速
脉动以及机械振动，倘若机械谐振频率与电气励磁频率重合，会发生共振，产生
很高的机械应力，导致机械损坏。对于大型汽轮发电机来说，若发生多次谐波振
荡，谐波电流超过额定电流25%时，可能会使转子局部过热而损坏。
（2）对变压器的影响
变压器在高次谐波作用下，集肤效应和邻近效应（当高频电流在两导体中彼
此反向流动或在一个往复导体中流动时，电流会集中于导体邻近侧流动的一种特
殊的物理现象）更明显，增加变压器的损耗。谐波还使变压器的温升相对较高，
产生热损耗，尤其涡流损耗较大。
（3）对输电线路的影响
首先，对于中线来说，中线电流远小于各相电流，因而设计时中线较细，然
而当大量谐波通过中线时，中线电流增大，导致中性线过载、过热，绝缘损坏，
发生短路，严重时甚至引起火灾。其次，输出线路电阻随着频率升高而增加，在
集肤效应的影响下，谐波电流使输电线路的附加损耗增加。当频率在300HZ以上
时，集肤效应将更为明显，导致导线截面内流通的电流减小，而导线外表面的电
流密度增加，使导线温度升高。并且输电线路存在分布的线路电感和对地电容，
与产生谐波的设备会发生串并联谐振，使谐波放大，进而引起保护装置出现误运
作、损坏设备等问题。对电缆来讲，对地电容比架空线路高大约10~20倍，而感
抗仅为架空线路的1/2~1/3，因此更容易引起谐振。
（4）对电力电容器的影响
电容器的容抗为
1
C
XC
，与其它设备不同，容抗随频率升高而降低。因
此，在高次谐波电压的作用下，电容器的谐波电流的波形畸变大得多，这将导致
电容器组温升提高，加速了电容器的老化，使电容器的损耗系数增大、附加损耗
增加，容易引发故障、缩短电容器寿命。另一方面，电容器常用来补偿无功功
率，或者用无源滤波器（由电力电容器和电抗器组成，又称LC滤波器）消除谐
波，电容器的电容与电网的感抗容易产生串并联谐振，使谐波电流放大，电容器
因过热，过电压等而不能正常运行。此外，它的阻抗和频率成反比，更容易吸收
谐波电流而引起电流过载。
（5）谐波对电力系统中继电保护和自动装置的影响
电力系统中继电保护和自动装置，特别是一些按负序(基波)量整定的保护装
置，整定值小，灵敏度高。如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰，容易引起误
动作，影响继电保护和自动装置的工作和可靠性。
2、谐波对用电设备的影响
（1）对电动机等设备的影响
摘要：

摘要随着电力电子技术的飞速发展，电网中的非线性设备数量日益增多，这些非线性电气设备产生的谐波电流在电网的阻抗上产生谐波电压并与电网的基波叠加，从而引起电压畸变，给电力系统带来了较严重的电能质量问题。有源电力滤波器（ActivePowerFilter）是实现电能质量调整和控制的重要手段。在日常生活中，主要的负载都属于单相负载，并且用电情况经常变化，接到三相电路中构成的三相负载不可能完全对称，所以必须有中线存在，考虑到三相四线制系统的普遍性，本文选取三相非线性不对称负载作为研究对象。本文首先分析了基于瞬时无功功率理论的指令电流运算方法，阐述了瞬时无功功率理论的原理，该方法是最常用的谐波检测方法，这...

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