民用电气设备谐波抑制装置的研究与设计

摘要

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，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。有源滤波技术作为抑制谐波和提高功率因数的有效手段之一，能够补偿非线性负载的谐波和无功功率，使非线性负载对电网的谐波污染降低到最小程度，且避免了LC滤波器成本高、体积大、易导致电网谐振等缺点，因此正日益受到人们的重视。而由于数字信号处理技术的飞速发展，使用数字信号处理器（DSP）代替昂贵复杂的模拟信号处理系统正成为有源滤波技术发展的一个新趋势。本文根据这一趋势研制了一套基于DSP控制的有源滤波实验平台，并在此基础上开发基于UPF控制策略的并联型有源滤波装置，获得了预期的实验效果。 本文首先阐述了谐波和无功功率的相关概念，介绍有源滤波器的基本原理，对几种基波有功功率实时检测方法作了分析和比较，重点分析了优化脉冲调制检测方法的原理和优缺点，讨论了DSP算法实现可能性。 本文分析了基于瞬时功率理论的控制策略（IPT）、单位功率因数控制策略（UPF）及同步功率传输控制策略（SPF）的原理，比较了这三种控制策略在电网电压理想情况下的稳态和暂态补偿性能，并从理论上作出了分析；讨论了三种控制方式的整体性能和适用场合，认为UPF控制适用于中小功率场合，且能够直接应用于单相电网的谐波补偿。 本文对并联有源滤波器进行了较为的深入研究，提出利用双环控制策略对整流器进行闭环控制，建立了电流环和电压环的数学模型；从理论上分析了电流环的控制特性，给出直流电容电压参考值设定需要考虑的主要因素。 依照上述分析建立基于DSP的有源滤波实验平台，根据实验结果分析了电流环和电压环的参数选择，在此基础上对智能化控制做了初步探索，提出双参数PI控制结构并给出了实验结果；讨论了几种系统启动方式，提出了基于软件控制的软启动方式；对系统接入不同非线性负载的实验结果作了分析，指出了基于DSP控制的有源滤波技术的新发展方向。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1谐波和无功功率的产生及危害

1.2谐波的管理和消除

1.3谐波抑制的研究与应用

1.3.1无功功率理论研究现状

1.3.2有源滤波器控制策略研究现状

1.3.3脉宽调制(PwM)技术研究现状

1.4目前研究中还存在的问题

1.5主要研究内容

第二章谐波抑制理论基础

2.1谐波和无功功率定义

2.1.1谐波的基本概念

2.1.2无功功率的基本概念

2.2谐波抑制方法

2.2.1有源滤波器种类和结构

2.2.2并联有源滤波器工作原理

2.3无功谐波检测方法

2.3.1 基于平均功率理论的无功谐波电流正弦调制检测

2.3.2瞬时无功理论

2.3.3无功谐波电流优化脉冲调制检测方法

本章小结

第三章有源滤波实验系统控制特性研究

3.1控制策略研究

3.1.1 基于瞬时无功理论的控制策略(IPT)

3.1.2 同步功率传输控制策略(SPT)

3.1.3单位功率因数控制策略(UPF)

3.1.4控制性能分析

3.2 UPF闭环控制特性

3.2.1电流环数学模型

3.2.2电压环数学模型

3.2.3直流端电容电压的限制条件

本章小结

第四章有源滤波实验系统设计

4.1硬件系统设计

4.1.1功率子系统

4.1.2信号采集子系统

4.1.3控制子系统

4.2软件设计

4.2.1软件总体框架

4.2.2电压同步

4.2.3数字滤波技术

4.2.4数字控制技术实现

4.2.5系统软启动

4.2.6程序调试和优化

本章小节

第五章实验结果分析

5.1 电流反馈环参数设定试验

5.2 电压反馈环参数设定试验

5.3 串入感性负载电流补偿试验

本章小结

总结

参考文献

附录一实验装置实物照片

作者在攻读硕士期间完成的论文

致谢