电网谐波分析及有源电力滤波器的设计与研究

论文摘要

在电力电子技术大力发展过程中,非线性负载得到大规模的应用,这些负载向电网注入了大量的谐波,导致电网中电压和电流畸变,严重影响了电能质量和用电安全,抑制谐波已成为现代电力生产中迫切需要解决的关键技术。有源电力滤波器（APF）既可以抑制电网中的谐波,还能补偿电网中的无功功率,并具有动态补偿的优良性能。对于实现高次谐波有效补偿,需要开关器件工作在较高频率,随着开关频率的上升,电力电子器件的开关损耗也随之增加,有源电力滤波器中功率损耗随之增加。本文对APF的种类和拓扑结构进行比较,提出了适用于三相三线制系统中的2H桥型级联式并联APF。详细分析了所采用五电平三角载波移相PWM控制技术,并通过仿真实验证明可以在较低的器件开关频率下实现较高开关频率的效果,减少开关损耗,提高有源电力滤波器的补偿容量。基于瞬时无功功率理论的p-q谐波检测法和ip-iq谐波检测法,虽然可以检测负载电流中的正序有功、无功和谐波分量,但它们不适用于电源电压畸变及不对称情况下。ip-iq谐波检测法只能将A相电压进行锁相得到参考正余弦信号,而忽略了其它两相电压相位信息,因此当三相电压不完全对称时,采用ip-iq谐波检测法时将会带来误差。因此,本文在ip-iq谐波检测法基础上提出了一种适用于级联式有源电力滤波器的谐波检测方法,此方法可以三相电压不完全对称情况下,检测出电网中任一次谐波电流。同时,本文给出了数学模型,并进行数学推导证明该谐波检测方法的可行性。为了实现高效的谐波补偿效果,本文设计了基于TMS320F28335型DSP的级联式并联有源电力滤波器硬件电路。由于三相电压、电流的检测需要很高的精度和很好的实时性。论文设计中采用外扩AD采样芯片,有效的解决了DSP内部采样模块精度不够的问题,同时具有很好实时性。针对DSP的PWM输出接口不够的问题,采用DSP+FPGA构成脉冲发生电路,由DSP负责采样及计算,FPGA负责PWM信号产生,结果证明这种方法可以较大程度的提高算法效率。通过采用MATLAB对2H桥级联式并联有源电力滤波器进行仿真分析,本文采取的改进的ip-iq谐波检测方法可以准确的检测到三相谐波电流,仿真取得了良好的谐波补偿效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文的研究背景
• 1.2 谐波的危害及防治
• 1.3 有源电力滤波器的分类及发展趋势
• 1.3.1 有源电力滤波器的分类
• 1.3.2 有源电力滤波器的构成
• 1.3.3 有源电力滤波器的发展趋势
• 1.4 论文的主要工作
• p-i_q谐波电流检测方法'>第2章 一种改进的i_p-i_q谐波电流检测方法
• 2.1 谐波电流检测现状
• 2.1.1 低通滤波器提取基波分量法
• 2.1.2 基于傅里叶时域分析的有功分离法
• 2.1.3 小波变换检测谐波法
• 2.1.4 基于瞬时无功功率理论的谐波检测法
• 2.2 基于瞬时无功功率理论的谐波检测法
• 2.2.1 传统无功功率理论
• 2.2.2 瞬时无功功率理论基础
• 2.2.3 p-q谐波检测方法
• p-i_q谐波检测方法'>2.2.4 i_p-i_q谐波检测方法
• p-i_q谐波检测方法'>2.3 改进的i_p-i_q谐波检测方法
• 2.3.1 检测原理
• p-i_q谐波电流检测方法原理证明'>2.3.2 改进的i_p-i_q谐波电流检测方法原理证明
• 2.4 本章小结
• 第3章 2H桥级联式有源电力滤波器设计与五电平控制
• 3.1 级联式有源电力滤波器的系统设计方案
• 3.2 五电平级联式有源电力滤波器的主电路结构
• 3.2.1 IGBT 2H桥基本结构
• 3.2.2 IGBT 2H桥五电平级联式有源电力滤波器
• 3.3 有源电力滤波器的控制策略
• 3.3.1 传统PWM控制方式
• 3.3.2 三角载波移相PWM控制
• 3.4 三角载波移相PWM控制方法的输出电压
• 3.4.1 SPWM-2H桥的工作方式与输出电压表示式
• 3.4.2 五电平三角载波移相PWM控制法的输出电压
• 3.5 三角载波移相PWM控制方法仿真
• 3.5.1 三角载波移相PWM控制法的仿真模型
• 3.5.2 三角载波移相PWM控制法的仿真波形分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 有源电力滤波器整体设方案
• 4.1 有源电力滤波器硬件电路的总体结构
• 4.2 TMS320F28335最小系统电路
• 4.2.1 时钟电路
• 4.2.2 JTAG仿真接口
• 4.2.3 电源部分及复位电路
• 4.3 外部采样电路
• 4.3.1 三相电流测量电路
• 4.3.2 三相电压及直流电容侧电压测量电路
• 4.3.3 三相电压、电流外部采样电路
• 4.4 串口通信接口电路
• 4.5 PWM电路
• 4.6 IGBT驱动电路
• 4.7 软件设计
• 4.8 本章小结
• 第5章 2H桥级联式并联有源电力滤波器的仿真
• 5.1 有源电力滤波器主电路设计
• 5.1.1 直流侧电容参数设计
• 5.1.2 交流侧的并网电感的设计
• 5.1.3 主电路容量
• 5.2 级联式有源电流滤波器MTMAB仿真模型
• 5.2.1 三相电源和负载仿真模型
• 5.2.2 2H桥级联逆变器仿真模型
• 5.2.3 谐波检测仿真模型
• 5.2.4 控制脉冲电路仿真模型
• 5.2.5 级联式有源电力滤波器整体仿真模型
• 5.3 级联式有源电流滤波器MTMAB仿真波形分析
• 5.3.1 三相电压平衡和三相电压不平衡时谐波电流仿真波形分析
• 5.3.2 三相电压平衡和三相电压不平衡时补偿前后仿真波形分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 后继工作及展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间所做工作