基于matlab电力系统谐波抑制的仿真研究

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电力系统谐波抑制的仿真研究目录1绪论……………………………………………………………………………1.1课题背景及目的…………………………………………………………1.2国内外研究现状和进展…………………………………………………1.2.1国外研究现状……………………………………………………1.2.1国内研究现状……………………………………………………1.3本文的主要内容……………………………………………………………2有源电力滤波器及其谐波源研究………………………………………………2.1谐波的基本概念…………………………………………………………2.1.1谐波的定义………………………………………………………2.1.2谐波的数学表达…………………………………………………2.1.3电力系统谐波标准…………………………………………………2.2谐波的产生………………………………………………………………2.3谐波的危害和影响………………………………………………………2.4谐波的基本防治方法……………………………………………………2.5无源电力滤波器简述……………………………………………………2.6有源电力滤波器介绍……………………………………………………2.6.1有源滤波器的基本原理.………………………………………2.6.2有源电力滤波器的分类.………………………………2.7并联型有源电力滤波器的补偿特性……………………………………2.7.1谐波源…………………………………………………………2.7.2有源电力滤波器补偿特性的基本要求……………………………2.7.3影响有源电力滤波器补偿特性的因素……………………………2.7.4并联型有源电力滤波器补偿特性………………………………2.8谐波源的数学模型的研究………………………………………………2.8.1单相桥式整流电路非线性负荷…………………………………2.8.2三相桥式整流电路非线性负荷.…………………………………3基于瞬时无功功率的谐波检测方法……………………………………………3.1谐波检测的几种方法比较……………………………………………3.2三相电路瞬时无功功率理论……………………………………………3.2.1瞬时有功功率和瞬时无功功率………………………………………3.2.2瞬时有功电流和瞬时无功电流………………………………………3.3基于瞬时无功功率理论的谐波检测算法.……………………3.4基于瞬时无功功率理论的谐波检测法.……………………4并联有源电力滤波器的控制策略……………………………………………4.1并联型有源电力滤波器系统构成及其工作原理…………………………4.2并联有源电力滤波器的控制研究.………………………………4.2.1并联有源电力滤波器直流侧电压控制……………………4.2.2有源电力滤波器电流跟踪控制技术……………………………4.2.2.1PWM控制原理…………………………………………4.2.2.2滞环比较控制方式…………………………………………4.2.2.3三角波比较方式…………………………4.3有源电力滤波器的主电路设计………………………………………… 4.3.1直流侧电容量的选择.…………………………………………4.3.2直流侧电压的选择………………………………………5有源电力滤波器仿真分析…………………………………………5.1仿真电路及主要参数.…………………………………………5.2仿真结果及分析.………………………………………………6总结.……………………………………………………………… 1绪论1.1课题背景及目的随着国民经济的发展和人们生活水平的提高，电力电子产品广泛地应用于工业控制领域，用户对电能质量的要求也越来越高，谐波问题一直被作为最突出的问题之一而受到广泛的关注。改善电能质量，既需要供电部门提高供电质量，同时在用户侧就地改善电能质量也是很有必要的，相关标准明确指出：用户的非线性负荷、冲击性负荷、波动负荷、非对称负荷对供电质量产生影响或对安全运行构成干扰和妨碍时，用户必须采取措施加以消除。电能质量问题的提出由来已久，衡量电能质量的指标也是随着电力系统的发展而备受关注。在电力系统的发展早期，电力负荷的组成比较简单，主要由同步电动机、异步电动机和各种照明设备等线性负荷组成。20世纪80年代以来，随着电力电子技术的发展，非线性电力电子器件和装置在现代工业中得到广泛应用，不少用户对电能的利用都要经过电力电子装置的转换和控制，这些装置给人们生产和生活带来方便和效率的同时，使电力系统的非线性负荷明显增加。谐波研究的意义，是因为谐波的危害十分严重，谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁，还会引起供电电压畸变，增加用电设备消耗的功率，降低系统的功率因数，增加输电线路的损耗，缩短输电线寿命，增加变压器损耗，对电容器有很大影响，造成继电保护、自动装置工作紊乱，增加感应电动机的损耗，使电动机过热，造成换流装置不能正常工作，引起电力计量误差，干扰通信系统，对其它设备造成影响。谐波研究的意义，还在于其对电力电子技术自身发展的影响。但是，现在电力电子装置产生的谐波污染已经成为阻碍电力电子救赎发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效的研究。谐波研究的意义，还可以上升到治理污染环境、维护绿色环境来考虑。对电力电子来说，无谐波就是“绿色"的主要标志之一。因此消除谐波污染，已成为电力系统，尤其是电力电子技术中的一个重大课题。谐波研究及其抑制技术已日益成为人们关注的问题。1.2国内外研究现状和进展1．2．1国外研究现状国外对电力谐波问题的研究大约在五六十年代开始，当时主要是针对高压直流输电技术中变流器引起的电力系统谐波问题进行研究。到了七八十年代，随着电力电子技术的发展及其广泛应用，谐波问题变得日益严重，从而引起各国的高度重视。最近几十年，电力谐波的研究，已经渗透到了许多其它学术领域，并且形成了自己特有的理论体系、分析研究方法、控制与治理技术、监测方法与技术、限制标准与管理制度等。到目前为止，对谐波这一领域的研究仍然非常活跃。电力系统的谐波及抑制研究问题近几十年来在世界范围内得到了十分广泛的关注，国际电工委员会(IEC)、国际大电网会议(CIGRE)、国际供电会议(CⅡ也D)及美国电气和电子工程师学会(IEEE)等国际性学术组织，都相继成立了专门的电力系统谐波工作组，并己制定除了限制电力系统谐波的相关标准。从1984年开始，每两年召开一次的电力系统国际谐波会议(ICHPS)为这个领域的国际交流提供了直接的渠道，正推动着谐波研究工作深入开展。 1．2．2国内研究现状我国在有源电力滤波器的应用研究方面，继日本、美国、德国等之后，得到学术界和企业界的充分重视，并投入了大量的人力和物力，但和电子工业发达的国家相比有一定的差距。我国从80年代开始大量采用硅整流设备，尤其是铁路电气化的迅速发展，推动了硅整流技术的发展和应用。电气化铁道具有牵引重量大、速度高、节约能源、对环境污染小等优点，电力牵引己成为我国铁路动力改造的主要方向。目前，非线性负荷的大量增加，使我国不少电网的谐波成分以大大超过了有关标准，并出现了一些危及电网安全、经济运行的问题。于此同时，我国许多科研和生产单位，一些高等院校相继开展了谐波研究工作，在多次学术会议上交流了这一方面的成果。但是，我国在有源电力滤波器方面的研究仍处于起步阶段，到1989年才有这方面的文章。研究APF主要集中在并联型、混合型，也开始研究串联型。研究最成熟的是并联型，而且主要以理论眼界和实验研究为主。理论上涉及到了功率理论的定义、谐波电流的监测方法、有源电力滤波器的稳态和动态特性研究等。1991年北方交通大学王良博士研制出3KVA的无功及谐波的动态补偿装置；同年，华北电力科学院和冶金自动化研究院联合研制了用于380V三相系统的33KVA双极面结型(BJT)叫电压型滤波器；采用多重化技术刚，西安交通大学研制出120KVA并联型有源滤波器的实验样机。此外，清华大学、华北电力大学、重庆大学等高等院校也对APF展开了深入的理论研究。我国虽在理论上取得一定的进展，由于多方面的条件的限制，我国的有源滤波技术还处于实验阶段，工业应用上只有少数几台样机投入运行，如华北电力实验研究所、冶金部自动化研究院和北京供电公司联合开发研究的有源高次谐波抑制装置于1992年在北京木材厂中心变电站投入工业运行，该装置采用了三个单相全控桥逆变器(功率开关为GTR)，用于低压电网单个谐波源的谐波补偿，且只能补偿几个特定次数的谐波(5、7、11、13次)，调制载波的频率(3．3KHZ)不高；河南电力局与清华大学联合开发的20MVA静止无功发生器(包含有源谐波器)在郑州孟若变电站进行300KVA中间工业样机试运行，该样机主电路由18脉冲电压型逆变器、直流储能电容器、9台曲折绕组变压器及系统的连接变压器组成，18脉冲逆变器分为3相6脉冲电压型逆变器(功率开关为GTO)，系统结构较复杂。总的来讲，目前我国有源电力滤波技术的工业应用，仍处于试验和攻坚阶段，特别是在既治理谐波又补偿无功功率的HAPF系统方面，还有许多基础理论与技术有待于深入研究。1.3本文的主要内容本文主要针对电网谐波的抑制问题，对谐波和电力滤波器做了大量的研究和仿真工作。主要包括以下几个部分。(1)首先对课题的背景和国内外谐波问题及其现状进行了描述。(2)介绍了谐波的基本概念抑制电网谐波的主要方式，由无源滤波装置到有源电力滤波装置的发展过程及其今后APF的发展趋势。介绍了电力谐波的基本概念以及非线性负荷谐波源的产生和影响，并对几种典型的非线性谐波源进行了分析。随后对非线性负荷谐波源建立了数学模型，并用数学公式推导得出了结论。(3)研究了谐波的检测方法和有源电力滤波器的控制方法，构建了有源电力滤波器，进行了MATLAB仿真实验，仿真结果验证了该滤波装置的良好补偿性能。（4）总结与展望。 2有源电力滤波器及其谐波源模型研究2.1谐波的基本概念2.1.1谐波的定义电力系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，而这部分分量就称为电网谐波。谐波通常是指一个周期电气量的正弦波的分量，其频率为基波频率的整数倍。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/fl）称为谐波次数。如我国电力系统的额定工作频率为50Hz，故其2次谐波为100Hz，其3次谐波为150Hz，其4次谐波为200Hz……电网中有时也存在非整数倍次数的分量，称为非谐波或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，污染电网，影响电能质量。2.1.2谐波的数学表达供用电系统中，通常认为电网稳态交流电压和交流电流呈正弦波形。在进行谐波分析时，正弦电压通常由下数学式表示：(2-1)式(2．1)中：U为电压有效值，为初相角，为角频率。正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电源和电压分别为比例、积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非正弦电路上时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。当然，非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。理论上任何周期性波形都可以分解成傅立叶级数形式，称为谐波分析或频域分析。谐波分析是计算周期性畸变波形的基波和谐波的幅值和相角的基本方法。对于周期为T=2/的非正弦电压U，一般满足狄力赫利条件，可以分解为如下形式的傅立叶级数：（2-2）式中（2-2）：a0=(2-3)an=n=1,2,3……(2-4)bn=n=1,2,3……(2-5)在傅立叶级数中频率的分量称为谐波，均以非正弦电压为例，频率为1/T的分量称为基波，大于谐波次数为基波频率和基波频率的整数比。以上公式及定义均以非正弦电压为例，对于非正弦电流的情况也完全适用，把式中改成即可。 2.1.3电力系统谐波标准由于电网中的谐波电压和电流会对电网本身和用电设备造成根大的危害，所以必须限制谐波电流流入电网和控制谐波电压在允许的范围内，以保证供电质量。世界许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定限制谐波的规定。各级电网的谐波水平一般用谐波电压含有率或谐波畸变率来反映。国际大电网会议(CIGRE)和国际电工委员会(IEC)都成立了专门工作组拟定电力系统和电工产品的谐波标准，很多国家对谐波也制定了相应的国家标准，一些国家的电压总谐波畸变率的大致范围为：低压电N(O时，即a相的实际补偿电流小于指令电流时，主电路a相上桥臂导通，下桥臂关断;反之，当△Ica<0时，即a相实际补偿电流大于指令电流时，主电路a相上桥臂关断，下桥臂导通。这样使实际补偿电流与指令电流之间的误差减小，达到补偿电流跟踪指令电流的目的。有源滤波器共有8种开关模式，任取其中一种非零开关模式进行分析。设Sabc=110，对应△Ica>0、△Icb>o和△Icc