三相有源电力滤波器直流侧电压的控制方法

中 南 大 学

本科生毕业论文（设计）

题 目 三相有源电力滤波器的直流电压控制方法 学生姓名 秦忠祥 指导教师 于晶荣 学 院 信息科学与工程学院 专业班级 自动化0706 完成时间 2011年6月

目 录

摘 要 ................................................................................................................................... I ABSTRACT ......................................................................................................................... II 第一章 绪 论 .................................................................................................................. 1

1.1课题研究的背景和意义 ......................................................................................... 1 1.2谐波和谐波抑制原理 ............................................................................................. 2

1.2.1谐波的起因及其危害 ................................................................................... 2 1.2.2谐波的抑制方法 ........................................................................................... 3 1.3 APF的发展现状和研究趋势 ................................................................................. 4 第二章 三相APF的结构和原理 ..................................................................................... 6

2.1 APF的基本原理 ..................................................................................................... 6 2.2 APF的分类 ............................................................................................................. 7 2.3 三相三线制并联型APF的数学模型 ................................................................... 8 2.4 三相并联型APF关键技术概述 ......................................................................... 10

2.4.1谐波电流的检测 ......................................................................................... 10 2.4.2谐波电流跟踪补偿控制 .............................................................................. 11 2.4.3 PWM控制.................................................................................................... 11 2.4.4直流侧电压控制 ......................................................................................... 12

第三章 三相并联型APF直流电压的控制方法 ........................................................... 13

3.1 APF直流侧电压稳定控制的意义 ....................................................................... 13 3.2 直流侧电压和电源侧电流的关系 ...................................................................... 13 3.3 直流侧电压的控制原理 ...................................................................................... 15

3.3.1 PI控制原理................................................................................................. 15 3.3.2直流侧电压的PI控制原理........................................................................ 15 3.4 直流侧电压控制的仿真与控制器参数的设计 .................................................. 17

3.4.1 直流侧电压PI控制仿真模型的建立....................................................... 17 3.4.2 PI控制器参数的设计................................................................................. 19 3.5 直流侧电压PI控制方法评价............................................................................. 26

3.5.1 直流电压控制的准确性分析 .................................................................... 27 3.5.2 直流电压控制的动态性能分析 ................................................................ 28

第四章 三相并联型APF系统设计 ................................................................................. 29

4.1 APF系统电路设计 ............................................................................................... 30

4.1.1 主电路设计 ................................................................................................ 30 4.1.2 控制电路设计 ............................................................................................ 38 4.2 系统仿真分析 ...................................................................................................... 39

4.2.1 仿真模型的建立 ........................................................................................ 40 4.2.2 仿真结果 .................................................................................................... 41

第五章 总结与展望 .......................................................................................................... 44

5.1结论 ....................................................................................................................... 44 5.2展望 ....................................................................................................................... 44 结束语 ................................................................................................................................ 46 参考文献 ............................................................................................................................ 47

摘 要

随着电力电子技术的迅速发展，家用电器和电力电子器件等非线性负载得到了广泛应用，这些装置产生的谐波对电网的影响和危害日益严重。由谐波引起的各种故障和事故不断发生，对国民经济、生产和生活造成了不必要的损失。谐波抑制与无功补偿等技术，已成为世界各国的研究热点，引起人们的广泛关注。

APF(Active Power Filter,有源电力滤波器)是一种重要的谐波及无功动态补偿装置，其控制策略包括交流电流控制和直流电压控制。其中直流侧电压的稳定控制是保证电流控制性能的关键。

本文以三相三线制并联电压型APF作为研究对象，系统地介绍了谐波的抑制原理，阐述了APF的拓扑结构、基本原理和控制系统工作原理，重点从能量补偿的角度出发，分析了APF直流电压和电流控制的关系，提出了一种简易的直流侧电压控制方法。该方法基于PI（Proportion Integration，比例积分）控制，从交流电网中吸收合适的有功功率补充APF的功耗，使直流电压稳定在给定值附近。论文讨论了PI控制器参数的整定，并结合仿真对PI控制方法进行了评价，分析了系统的准确性能和动态性能。

最后，本文论述了三相三线制并联型APF的设计过程，并用Matlab软件进行了仿真分析，验证了APF设计及直流电压控制方法的正确性和可行性。

关键词：APF 直流侧电压控制 谐波抑制 无功补偿

I

ABSTRACT

With the rapid development of power electronics, non-linear loads, such as household appliances and power electronic devices are widely used, produceing harmonics on the power grid increasingly serious impact and danger. Variety of failures and accidents caused by the harmonics have occurred on the national economy, production and caused the unnecessary loss of life. Harmonic suppression and reactive power compensation and other technologies have become the research hotspot in the world, causing widespread concern.

APF (Active Power Filter) is an important harmonic and dynamic reactive power compensation device. The control strategy includes AC current control and DC voltage control. And controlling the DC side voltage, ensuring its stability, is guaranteed the key. for active power filter has good performance on compensation, to achieve both harmonic compensation waves and reactive power .

This paper gets three-phase four-wire shunt active power filter voltage as the research object, introduces the principle of harmonic suppression systemly, describes the topology of APF, the basic principle and how the control system works. It focus on the relationship of DC voltage and current controling of the APF ,from the energy point of view , and proposes a simple DC voltage control method. The method is based on PI (Proportion Integration) control, getting appropriate power from AC power to add power converter, making the DC voltage value in a given vicinity. This article discusses the tuning parameters of PI controller, combined with simulation of the PI control method of evaluation, analysis of the accuracy of the system performance and dynamic performance.

Finally, the paper discusses the three-phase four-wire shunt APF design process and carries out with Matlab software simulation to verify its correctness and feasibility.

KEY WORDS: APF，controlling the DC side voltage，harmonic suppression，

eactive power compensation

II

三相有源电力滤波器的直流电压控制方法 第一章 绪论

第一章 绪 论

1.1课题研究的背景和意义

随着电力电子技术的迅速发展，家用电器和电力电子器件等非线性负载得到了广泛应用，产生的谐波对电网的影响和危害日益严重。由谐波引起的各种故障和事故不断发生，对国民经济、生产和生活造成了不必要的损失。谐波抑制与无功补偿等技术，已成为世界各国的研究热点，引起人们的广泛关注。

理想的公用电网所提供的电压应该是频率固定并且电压幅值在规定的范围内的正弦波。但是实际电网中由于非线性负载的大量使用，不仅使得负载电流非正弦，同时使得负载端电压畸变从而使得电网中产生谐波电压。谐波对电力系统电磁环境的污染将危害系统本身及广大的电力用户，主要表现在下列这些方面：

（1）消耗无功，增加附加损耗，增加设备的升温。由于趋肤效应的存在，尽管谐波电流占总电流的比例很小，也会增加设备的附加损耗，这些损耗不仅增加电力系统的损耗，还使设备温升增加，加速设备老化。

（2）引起设备过载，恶化绝缘条件，缩短设备寿命。

（3）降低负载工作性能。如谐波电流和电机旋转磁场的相互作用产生的脉动转矩会使电机发生机械振动，这种振动会损坏电机设备，甚至危及人身安全。

（4）对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰及造成误动作。因为保护和控制设备通常是为所加电压和电流为工频和正弦波形而设计的，所以谐波的存在会影响它们的工作特性，严重时会引起误动作。

（5）影响测量仪器的精度，造成电能计量误差。电力测量仪表一般是按照工频正弦波而设计的，当有谐波时将产生误差。

（6）对邻近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量，严重时将导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。

由此可见，谐波研究和治理是摆在我国电力工作者面前的一个重要任务。目前，电力系统的谐波问题在世界范围内己经引起了十分广泛的关注，谐波的管理、分析和治理被摆到十分重要的位置。谐波问题涉及面广，它包括谐波分析、谐波检测、谐波抑制等。有效的控制谐波，己成为保证电网安全经济运行、高质量供电必不可少的措施之一。

由于现代工业、商业及居民用户的用电设备对电网供电质量的要求越来越高，因此，对谐波抑制和谐波补偿装置研究是一个热点。电能质量将直接影响到国民经济的总体效益。对于我国来说，实时、准确，有效地对谐波污染进行治理已成为国

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