1、本科毕业论文（20 届）基于 DSP的有源电力滤波器设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 2第一章 引言“谐波”一词起源于声学。有关于谐波的数学分析在 18 世纪和 19 世纪已经奠定了良好的基础。傅立叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统谐波问题早在 20 世纪 20 年代和 30 年代就引起了人们的注意，到了 20世纪 50 年代和 60 年代，由于高压直流输电技术（HVDC）的发展，当时的研究人员发表了大量有关变流器引起电力系统谐波问题的论文。70 年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中
2、的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分的关注。国际上召开了多次有关谐波问题学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。但我国对谐波问题的研究起步较晚。谐波研究的意义，首先是因为谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用效率降低，使电力设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通讯设备和电子设备会产生严重干扰。谐波研究的意义，还
3、在于其对电力电子技术自身发展的影响。电力电子技术是未来科学技术发展的主要技术支柱。然而，电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍，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，更可以上升的从治理环境污染、维护绿色环境的角度来认识。对电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色”的主要标志之一。在电力电子领域，要求实施”绿色电力电子”的呼声也日益高涨。目前，对电力系统谐波污染的治理也成为电工科学技术界所必须解决的问题。有关谐波问题的研究可以划分为以下四个方面：（1） 与谐波有关的功率定义和功率理论的研究；（2） 谐波分析以及谐波影响和危害的分析；
4、（3） 谐波抑制和补偿；（4） 与谐波有关的测量问题和限制谐波标准的研究。当电压和电流中含有谐波时，如何定义各种功率是一个至今尚未得到圆满解决的问3题。如何使定义科学严谨，又能满足各种工程和管理的需要，还有很多问题需要研究。1983 年日本学者赤木泰文首先提出瞬时无功功率理论。瞬时无功功率理论将传统三相电路功率理论中的正弦信号有效值、初相角、有功功率和无功功率突破时间平均值概念而引申为瞬时量，不仅适用于正弦波，也适用于非正弦波和任何过渡过程的情况。瞬时无功功率理论包容了传统的无功功率理论，比传统理论有更大的适用范围。谐波分析包括谐波源分析和电力系统谐波分析。在电力电子装置普及以前，变压器是主要
5、的谐波源。目前电压器谐波已退居很次要的地位，各种电力电子装置成为最主要的谐波源。在电力电子装置的谐波分析中对电容滤波整流电路等的研究还不充分。电力系统中谐波的实际测量结果是谐波问题研究的主要依据，也常常是研究分析问题的出发点。由于电子技术，特别是数字电子技术的进步，已有许多仪器能对谐波进行连续的测量，提供必须的信息。但如何合理的选择采样时间、测量间隔及测量位置，如何处理波形瞬态畸变和闪变等问题还需要深入研究。制定限制谐波的标准是解决电力系统谐波危害的影响的重要措施。世纪上许多国家都已制定了限制谐波的国家标准或规定。我国也先后于 1984 年和 1993 年分别制定了。为此，在全球范围内掀起了环
6、境保护的热潮。电力系统也是一种“环境” ，也面临着污染，公用电网中的谐波电流和谐波电压就是的电网环境最严重的一种污染。电力电子装置是公用电网中最主要的谐波源，随着电力电子装置的应用日益广泛，电网中的谐波污染也日益严重，影响供电质量。电力系统的谐波问题是涉及电力电子技术、电力系统、电气自动化技术、理论电工领域的重大课题。由于电力电子装置的应用日益广泛，使得电力系统中的谐波问题引起人们越来越多的关注。同时，也由于电力电子技术的飞速进步，在谐波抑制方面也取得了一些突破性的进展。本文讨论了基于瞬时无功功率理论的 、 和改进型 、piqpi谐波电流检测方法，通过有源电力滤波器系统来抑制谐波电流，重点介绍
7、了基于qiDSP 的有源电力滤波器的设计方案，并利用 TMS320F240 芯片实现有源电力滤波器的数字化控制。4第二章 谐波基本理论与抑制方法2.1 谐波的基本概念在供电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流成正弦波形。正弦电压可表示为: （2-1）)sin(2)(awtUtu式中 U 电压有效值；初相角； 角频率，=2=2/T; 频率；周期。正弦电压施加在线性无源原件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为比例、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线性电路上时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变成非正弦波。当然，非正弦电压施加在线性电路上
8、时，电流也是非正弦波。对于周期为 T=2/ 的非正弦电压 u(t)，一般满足狄里赫利条件，可分解为如下形式的傅立叶级数：（2-2）10 )sinco()(nwtbtawtu式中 200)(tda20)(cos)(1wtntun20)(i)(tdtbn（n=1,2,3,）或（2-3）10)sin()( nwtcawtu式中， 、 和 、 的关系为ncnb2nac5)/arctn(nbsinncbo在式（2-2）或式（2-3）的傅立叶级数中，频率为 1/T 的分量称为基波，频率为大于 1 整数倍基波频率的分量称为谐波，谐波次数为谐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
9、弦电流的情况也完全适用，把式中 u(wt)转成i(wt)即可。N 次谐波电压含有率以 HR （Harmonic Ratio ）表示。nUnUHR = 100% （2-4）n1式中 第 n 次谐波电压有效值（方均根值） ；U基波电压有效值。1N 次谐波电流含有率以 HR 表示。nIHR = 100% （2-5）n1I式中 第 n 次谐波电流有效值；nI基波电流有效值。1谐波电压含量 和谐波电流含量 分别定义为HUHI（2-6）2nU(2-7)2nHII电压谐波总畸变率 TH （total harmonic distortion）和电流谐波总畸变率 THuD分别定义为 iDTH (2-8)%10U
10、Hu6TH (2-9)%10IDni以上介绍了谐波及与谐波有关的基本概念。可以看出，谐波是一个周期电气量中频率大于 1 整数倍基波频率的正弦波分量。由于谐波频率高于基波频率，有人把谐波也称为高次谐波。实际上， “谐波”这一术语已经包含了频率高于基波频率的意思，因此再加上“高次”两字是多余的。在本文中称谐波中频率叫高者为高次谐波，频率较低者为低次谐波。谐波次数 n 必须大于 1 的正整数。n 为非整数时的正弦波分量不能称为谐波。当 n 为非整数的正弦分量出现时，被分析的电气量已不是周期为 T 的电气量了。但在某种场合下，供用电系统中的确存在一些频率不是整数倍基波频率的分数次波。2.2 谐波的产生
11、及其危害电力系统本身产生谐波电流的非线性元件主要是变压器的空载电流、交直流换流站的可控硅控制元件、可控硅控制的电容器、电抗器等。但是，电力系统谐波更主要的来源是各种非线性负荷用户。如：冶金、化工、矿山部门大量使用的整流设备；工业中大量使用变频调速装置；电气化铁道中采用交流单相整流供电的机车、各种电气拖动和调节设备以及家用电器等。此外，工业中广泛使用的电弧和接触焊设备、轧钢炉、硅铁炉、高频炉等也均属非线性电力负荷。这些用电设备产生的谐波电流注入电网，使系统各处电压产生谐波分量，造成了对电网的“谐波污染” 。它和功率因数降低、电磁干扰被称为威胁电力系统的三大“电力公害” 。因此，不少国家和国际学术
12、组织都制订了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。国际电工委员会制定了 IEC-1000-3-2、IEC-1000-3-6 标准。我国原水利电力部于 1984 年制定了电力系统谐波管理暂行规定 ，国家技术监督局于 1993 年颁布了中华人民共和国国家标准 GB/T14549-93电能质量公用电网谐波，这两个标准主要对电压总谐波畸变率和注入公共连接点的谐波电流允许值做出规定。谐波的危害非常严重，主要表现在以下几个方面：1. 使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设 备的效率。2. 影响各种电气设备的正常运行。3. 会 引 起 公 用 电 网 中 局 部 的 并 联
13、谐 振 和 串 联 谐 振 ， 从 而 使 谐 波 放 大 ， 这 就使 上 述 1 和 2 的 危 害 大 大 增 加 。74. 导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。5. 会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，严重时使通信系统无法正常工作。2.3 谐波抑制方法解决电力电子装置和其它谐波源的谐波污染问题的基本思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是使用的；另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为 1，这当然只使用于作为主要谐波源的电力电子装置。装设谐波补偿装置的传统方法就是采用 LC 调谐滤波器。
14、这种方法既可补偿谐波又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使 LC 滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。尽管如此，LC 滤波器当前仍是补偿谐波的最主要手段。目前，谐波抑制的一个主要趋势是采用有源电力滤波器(Active Power Filter APF)。有源电力滤波器也是一种电力电子装置，其基本思想在 20 世纪 60 年代就已经形成，由于多方面技术不成熟，80 年代以后才得以迅速发展。8第三章 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测及仿真3.1 瞬时无功功率理
15、论概述传统理论中的有功功率、无功功率等都是在平均值基础或相量的意义上定义的，它们只适用于电压、电流均为正弦波时的情况。瞬时无功功率理论首先于 1983 年由日本学者赤木泰文提出，最初的理论称为 理论。此后，该理论经不断研究逐渐完善。qp.基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法将检测出的基波电流和负载电流相减，得到全部谐波电流并对其进行补偿。目前常用的是 、 运算方式，本文还分析介绍了一种改piq进型 、 谐波电流检测方法，下面将逐一介绍。piq3.2 、 运算方式piq该检测方法的框图如图 3.2.1 所示。图中， 和 分别是与 同相位的正tsintcosae弦和对应的余弦信号。PLL 是获得 的
16、锁相环电路。 分别是 的直流分量，tqp,qpi,。ttCsincosiLPFPL ttcossin 23Caibi ii pi pi fifi afibfi32CC CqiLPFqi +ciae cfi ahibhichi图 3.2.1 、 运算方式的原理图piq用这种运算方式时，作以下几点说明：1. 需同时检测出电流的谐波和无功分量时，只需断开图 3.2.1 中计算 的通道。只检测qi无功电流时，则只要对 进行反变换即可。qi2. 只取 、 参与运算，检测结果不受电压波形畸变的影响。电网电压不对称tsintcos9时，正余弦信号的相位偏差不影响谐波的最终检测结果。3. 在三相三线制情况下，
17、这种方法可以检测出不对称三相电流的谐波和基波负序分量之和。4. 三相四线情况下，如果采用低通滤波器，这种方法仍然可以正确检测出对称三相电流的谐波和无功分量。如果用高通滤波器，则需要对这种运算方式作一些改进。这种情况在实际建模和仿真时容易被忽视，以下作详细说明。三相四线电路中，三相电流 、 、 中都包含零序分量 ，设aibci )(310cbaii， ， ，则 ，经 3/2 变换后：0iia0ib0c (3.2.1) 02301322301iiiii cbacba进一步运算后得出：(3.2.2) 231231cbacba iiiii由式(3.2.1)和(3.2.2)可知，三相电流经过 3/2 变
18、换后，已经将其中零序电流的影响消除了。这样，经过变换后的电流 、 对应于不含零序电流的三个电流 、 、 。piq aibci采用 LPF 滤波时， 、 经反变换后对应基波电流成分，所以它与原被检测电流相减后piq得到的谐波电流必然也含有高频（频率为被检测电流的 3 倍）零序谐波电流，即可得到正确结果。而采用 HPF 滤波时， 、 的交流分量 、 经反变换后对应不含零序电流成piqpiq分的谐波分量，从而使直接检测到的谐波电流结果中不含原电流中的零序谐波电流分量，即不能得到正确结果。对于采用 HPF 的谐波电流检测电路，要得到正确的检测结果，必须作适当改进，即在其检测结果中加入零序电流分量 ，如
19、图 3.2.2 所示。0i10HPFPL ttcossin 23Caibi ii pi pihihi ahibhi32CC CqiHPFqi)(310 cba iiii +ciae chi ahibhichi图 3.2.2 使用 HPF 的谐波电流检测原理图不难看出，省去 通道中的高通滤波器，直接对 进行反变换而 通道保持不变可以qi qipi同时检测出畸变电流中的谐波和无功分量。3.3 一种改进型 、 谐波电流检测方法piq以上两种运算方式中，滤波器的截止频率、阶数和类型都影响检测电路的动态响应。即使采用在检测效果上有明显优势的低通滤波器，其检测环节的延时也有 1 电源周期左右（后面的仿真将
20、详细讨论） ，因此很难采用闭环的电流控制方案，从而影响了 APF 的补偿性能。针对以上问题，本文介绍了一种基于改进型 、 运算方式的谐波电流检测方法。该piq方法用简单的积分、延时和增益环节来代替传统的低通滤波器，将检测方法的延时减少到 1/6 个电源周期。因为对三相电流中是否包含零序分量不作要求加上其快速的响应，这种检测方法可以推广到单相、三相四线电路和三相不平衡负载的场合中。设对称的三相负载电流为：（3.3.1)3/2(titiicba经过傅立叶分解，有： 0 565633616160 5656336116 3/2)sin()sin()/2)sin( )si()si()si(2k kkkkk kkkcba tItItI tItItkIii
