毕业设计（论文）-混合有源滤波器及其稳态补偿特性分析.doc

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1、毕业设计（论文）毕业设计(论文)课 题 名 称 混合有源滤波器及其稳态补偿特性分析 学 生 姓 名 学 号 院(系)、专业 信息与电气工程系 电气工程及其自动化 指 导 教 师 职 称 讲 师 年 月 日摘 要随着越来越多的非线性负荷在电网中的应用，电网的“谐波污染”问题日益严重，对电网的安全、稳定、经济运行造成了很大的影响。有源电力滤波器具有比无源滤波器更好的滤波性能，因此成为近年来电网谐波抑制的重要手段。但单独使用有源电力滤波器成本较高，基于此，各种兼有有源电力滤波器优良补偿性能和无源滤波器低成本的混合型有源电力滤波器拓扑相继推出。本文首先对电网“谐波污染”和谐波抑制技术进行了简单的综述，

2、然后对有源电力滤波器的基本原理进行了分析。在此基础上，文章重点介绍了一种注入式混合有源电力滤波器拓扑，给出了电路拓扑，对其构成部分进行了说明。在这种拓扑结构中，无源支路在补偿无功功率的同时还可以滤除因非线性负载产生的特征谐波电流。有源部分采用了注入式电路，用来抑制无源支路跟电网等效电感产生的谐振现象以及改善无源滤波器的滤波性能。论文对该混合补偿系统的稳态补偿性能、抑制谐波谐振性能进行了详细的分析，并对补偿方案进行了数字仿真。仿真结果和实验结果证明了所提出的混合有源滤波器的可行性和正确性。关键词：谐波污染；混合有源滤波器；无功补偿；功率因数；ABSTRACTAs more nonlinear l

3、oads in the grid applications, grid harmonics pollution growing problem, of the grid security, stability, economic performance have had a great impact. Active power filter is better than passive filters filter performance, and therefore in recent years become an important means of curbing grid resol

4、ved. However, the use of separate active power filter higher costs, because of this, various commercial active power filter compensation performance and excellent low-cost hybrid passive filter active power filter over successively introduced. The first grid harmonics pollution, and resolved to cont

5、ain a simple synthesis technology, and the basic principles of active power filter analyzed. On this basis, the article focused on a hybrid active power filter into line, given the circuit order, a description of its components. In this configuration, the passive filter of the compensation system ca

6、n be use for compensation reactive power as well as for harmonic mitigation caused by the nonlinear load. The active power filter which adopted the injection type topology has the function of damping the resonance between the passive filter and the equivalent inductance of the power network and impr

7、oving the compensation characteristic of the passive power filter. The steady compensation characteristic of the compensation system and the resonance damping are analyzed in detail and the digital simulation is performed. The feasibility and the validity of the integrated compensation system is val

8、idated by the theoretic analyze and simulation results.KEY WORDS: Harmonics pollution; Hybrid active filter; Reactive power compensation; Power factor绪 论随着电力电子装置应用的日益广泛，电网中的谐波污染也日益严重，另外过低的功率因数造成电能传输的额外耗损，也限制了输电线路的传输容量理想的电力系统是以单一而固定的频率，规定的固定幅值的电压，以及完整的正弦波形供应电能的，但是实际上这些条件没有一个能满足。电压和频率偏移问题以及如何使它们处于控制之下

9、的方法是常规的电力系统分析与控制的课题，波形畸变（即谐波）问题在电力系统中原来是不详细探讨的。但随着社会的发展和科技的进步，一方面谐波污染随着非线性负载的数量和容量日益增加而日趋严重，另一方面供电方及其电力系统设备、用户及其用电器对电能质量的要求越来越高，因此人们对这个问题也越来越重视。如何有效的治理谐波，将谐波控制在允许限值以下，是摆在科技工作者面前的具有重要现实意义的课题。本章首先介绍了电力系统中谐波产生的原因及其对电网和用户造成的危害，然后扼要介绍谐波治理的主要措施，并对有源滤波器的发展现状和主要的拓扑结构进行了系统的介绍。1.1电力系统谐波目前，在理想的交流供电系统中，电源以单一恒定频

10、率（50Hz或60Hz）的正弦变化规律向电网供电，电网可以近似为一个线性时不变系统，系统中各点的电流和电压都随着时间推移严格按照单一恒定供电频率的正弦规律变化。这些电压和电流彼此之间仅仅存在幅值和相位的差异，都是具有相同频率的正弦量。但是随着电力电子技术的发展，大量的电力电子变流装置和各种非线性负载的比重不断增加，引起电力系统中的电流和电压波形产生畸变。从频域的角度来看，在这些畸变的电流和电压波形中，不仅仅包含与供电电源同频率的正弦量，而且出现了一系列的频率为基波整数倍的正弦分量，这一系列的正弦分量统称为谐波。1.1.1 电力系统谐波产生的原因电网谐波主要来自于3个方面：一是发电源质量不高产生

11、谐波；二是输配电系统产生谐波；三是用电设备产生的谐波。其中用电设备产生的谐波最多。发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，磁极磁场并非完全按照正弦规律分布，因此感应电动势就不是理想的正弦波，输出电压中也就包含一定的谐波。但这种谐波电动势的频率和幅值只取决于发电机本身的结构和工作情况，基本与外接负载无关，可以看成谐波电压源。在设计发电机时，采取了许多削弱谐波电动势的措施，因此，其输出电压的谐波含量是很小的。国际电工委员会（IEC）规定发电机的端电压波形在任何瞬间与其基波波形之差不得大于基波幅值的5%。因此，在分析公用电网的谐波时，可以认为发电机电动势

12、为纯正弦波形，不考虑其谐波分量。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%。变压器励磁电流的谐波含量和铁心饱和程度直接相关，即和其所加的电压有关。正常情况下，所加电压为额定电压，铁心基本工作在线性范围内，谐波电流含量不大。但在轻载时电压升高，铁心工作在饱和区，谐波电流含量就会大大增加。另外，变压器投入

13、运行过程、暂态扰动、负载剧烈变化及非正常状态运行时，都会产生大量的谐波。用电设备产生的谐波是由与电力系统相连的各种非线性负载产生的3,13。这些非线性负载主要是整流器、交流调压电路以及频率变换器等电力电子装置，由于这些电力电子装置都为可变结构非线性电力负荷，工作于非线性状态，在高效利用电能的同时也向电网注入大量的非线性电流，给公共电网的电能质量带来了隐患。另外，工业用的电弧炉、电石炉也是个比较大的谐波源，由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器注入电网。其中主要是2谐波和7次谐波。 除此以外 ,其它像电视机、电池充电器

14、等装置也会产生谐波。虽然单个装置的功耗不大 ,但由于数量很多 ,因此它们给供电系统注入的谐波分量也不容忽视。1.1.2 电力系统谐波危害电能是现代社会生产和人民生活中主要的和必不可少的重要能源，一般情况下，电网中引起的谐波的主要因素包括负载侧的各种变流装置、具有磁饱和特性的装置以及非线性不平衡电路等，电源侧的发电机的线槽间隙谐波、输电线路电晕放电、系统的不对称运行或不对称故障等。在电力电子装置广泛应用以前，由于电力系统谐波未对生产和生活产生严重的影响和危害，因此只把供电频率和电压幅值的稳定程度及其与额定值间的差异作为衡量电能质量的标准。随着电力电子技术的发展，供电系统中增加了大量的非线性负载，

15、特别是以开关方式工作的静止变流器，从低压小容量家用电器到高压大容量的工业交、直流变换装置都有着广泛的应用，它是一种非线性时变拓扑负荷，不可避免地会产生非正弦波形，向电网注入谐波，已成为电网中的“公害”。供电系统中还有电弧炉、电焊机、变压器、旋转电机等其它非线性负载，都会在电网中产生不同频率和幅值的谐波，甚至像电视机、荧光灯、电池充电器等装置也会产生谐波，虽然单个装置的容量不大，但由于数量很多，因此它们给供电系统注入的谐波分量也不容忽视。谐波不仅会消耗系统的无功功率储备，其危害还主要表现在以下几个方面：（1）电力电容器引起的谐波放大。由于电容器的容抗与频率成反比，因此在谐波电压作用下的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多，从而使谐波电流的波形畸变更比谐波电压的波形畸变大得多，即便电压中谐波所占的比例不大，也会产生显著的谐波电流。特别是在发生谐振的情况下，很小的谐波电压就可引起很大的谐波电流，导致电容器因过流而损坏。（2）增加旋转电机的损耗。谐波电压或电流会在电机的定子绕组、转子回路以及定子和转子铁芯中引起附加损耗。由于涡流和集肤效应的关系，定子和转子导体内的这些附加损耗要比直流电阻引起的损耗大。