上海工程技術大學
畢業設計（畢業**）開題報告
任務規定
進行日期自 2011 年 2月 21日起，至 2011 年 6月 27日止
有源電力濾波器的設計
1 研究的意義與背景
隨著大容量電力電子裝置在高壓交流電力系統中日益廣泛的應用，諧波和無功等問題嚴重地威脅著系統自身的安全穩定執行。而傳統的lc濾波器等有諧波抑制和無功補償的諸多缺陷，為了克服這些缺陷，本文提出了一種新型的濾波器——有源電力濾波器，是利用可關斷電力電子器件，產生與負荷電流中諧波分量大小相等、相位相反的電流來抵消諧波的濾波裝置。既實現了動態跟蹤補償，又可以補諧波和補無功。
2 有源電力濾波器的歷史與現狀
濾波器，顧名思義，是對波進行過濾的器件。「波」是乙個非常廣泛的物理概念，在電子技術領域，「波」被狹義地侷限於特指描述各種物理量的取值隨時間起伏變化的過程。該過程通過各類感測器的作用，被轉換為電壓或電流的時間函式，稱之為各種物理量的時間波形，或者稱之為訊號。
因為自變數時間是連續取值的，所以稱之為連續時間訊號，又習慣地稱之為模擬訊號。
隨著數字式電子計算機技術的產生和飛速發展，為了便於計算機對訊號進行處理，產生了在抽樣定理指導下將連續時間訊號變換成離散時間訊號的完整的理論和方法。也就是說，可以只用原模擬訊號在一系列離散時間座標點上的樣本值表達原始訊號而不丟失任何資訊，波、波形、訊號這些概念既然表達的是客觀世界中各種物理量的變化，自然就是現代社會賴以生存的各種資訊的載體。資訊需要傳播，靠的就是波形訊號的傳遞。
訊號在它的產生、轉換、傳輸的每乙個環節都可能由於環境和干擾的存在而畸變，有時，甚至是在相當多的情況下，這種畸變還很嚴重，以致於訊號及其所攜帶的資訊被深深地埋在雜訊當中了。
按所採用的元器件分為無源和有源濾波器兩種，濾波器有以下幾種。
無源濾波器僅由無源元件組成的濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構成的。這類濾波器的優點是：電路比較簡單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點是：
通帶內的訊號有能量損耗，負載效應比較明顯，使用電感元件時容易引起電磁感應，當電感l較大時濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。用於諧波治理的傳統方式為併聯無源lc濾波器，選定r、l、c的引數，使濾波網路在一定的諧波訊號頻率處產生諧振，從而達到抑制諧波的目的。無源濾波器主要可以分為兩大類：
調諧濾波器和高通濾波器。調諧濾波器實際應用較多的是單調諧濾波器，它是利用電感、電容的串聯諧振原理構成的。
有源濾波器由無源元件和有源器件組成。這類濾波器的優點是：通帶內的訊號不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負載效應不明顯，多級相聯時相互影響很小，利用級聯的簡單方法很容易構成高階濾波器，並且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁遮蔽(由於不使用電感元件）；缺點是：
通帶範圍受有源器件的頻寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場合不適用。有源濾波器的基本原理是從補償物件中檢測出諧波電流，由補償裝置產生乙個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流，從而使電網中只含有基波分量，達到實時補償電流的目的。如果要求有源濾波器在補償諧波的同時，還補償負載的無功，則只要在補償電流的指令訊號中增加與負載電流無功分量反極性的成分即可。
這種濾波器可對頻率和大小都隨時間變化的諧波以及變化的無功功率進行迅速動態跟蹤補償。
近年來，隨著電力電子技術的廣泛應用，電能得到了更加充分的利用。但電力電子裝置自身所具有的非線性也使得電網的電壓和電流發生畸變，這些高度非線性裝置數量和額定容量的日益增大使得電力系統諧波汙染問題日益嚴重，已成為了影響電能質量的公害，對電力系統的安全、經濟執行造成極大的影響;而另一方面供電方及其電力系統裝置、使用者及其用電器對電能質量的要求越來越高，這一矛盾使得人們對諧波汙染問題越來越重視。據《中國電力》報道，我國僅由電能質量問題造成的年電能損失就高達400多億元，冶金、鐵路、礦山等企業的諧波嚴重超標，因諧波問題導致的開關跳閘、大面積停電甚至電力系統解列等事故也屢見不鮮，因此對電力系統的諧波汙染進行綜合治理已成為擺在科技工作者面前的乙個具有重要現實意義的研究課題。
而有源電力濾波器(active power filter-apf)由於具有高度可控性和快速響應性，能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，因而受到廣泛的重視，成為目前國內外供電系統諧波抑制研究的熱點。
目前，在電力系統中抑制或減少諧波主要從兩個方面進行：第一方面是從產生諧波的諧波源裝置本身入手。在這些裝置設計時就考慮減小諧波的方法，增加諧波抑制環節，已減少電網的諧波注入量，在諧波源本身採取一些措施能大大減小電網諧波。
但由於現代電力系統的複雜性以及電力半導體裝置開關工作方式，不可能完全消除電網諧波。所以，諧波治理的第二個重要方面就是研究對系統中的諧波進行有效濾波和補償的方法和措施。
有源電力濾波器可廣泛應用於工業、商業和機關團體的配電網中，如：電力系統、電解電鍍企業、水處理裝置、石化企業、大型商場及辦公大樓、精密電子企業、機場港口的供電系統、醫療機構等。根據應用物件不同，htapf-i型有源電力濾波器的應用將起到保障供電可靠性、降低干擾、提高產品質量、增長裝置壽命減少裝置損壞等作用。
為了滿足大規模資料中心機房的執行需要，通訊配電系統中的ups使用容量在大幅上公升。據調查，通訊低壓配電系統主要的諧波源裝置為ups、開關電源、變頻空調等。其產生的諧波含量都較高，且這些諧波源裝置的位移功率因數極高。
通過使用有源濾波器可以提高通訊系統及配電系統的穩定性，延長通訊裝置及電力裝置的使用壽命，並且使配電系統更符合諧波環境的設計規範。
由於生產的需要，石化行業中存在著大量幫浦類負載，並且不少幫浦類負載都配有變頻器。變頻器的大量應用使石化行業配電系統中的諧波含量大大增加。目前絕大部分變頻器整流環節都是應用6脈衝將交流轉化為直流，因此產生的諧波以5次、7次、11次為主。
其主要危害表現為對電力裝置的危害及在計量方面的偏差。使用有源濾波器可以很好地解決這方面的問題。
為大幅提高熔化率、提高玻璃的熔化質量，以及延長爐齡、節省能源，在化纖行業常用到電助熔加熱裝置，借助電極把電直接送入燃料加熱的玻璃池窯中。這些裝置會產生大量的諧波，且三相諧波的頻譜和幅值差別比較大。
大多數半導體行業的3次諧波非常嚴重，主要是由於企業中使用了大量的單相整流裝置。3次諧波屬於零序諧波，具備在中性線匯集的特點，導致中性線壓力過大，甚至出現打火現象，存在著極大的生產安全隱患。諧波還會造成斷路器跳閘，耽誤生產時間。
3次諧波在變壓器內形成環流，加速了變壓器的老化。嚴重的諧波汙染必然對配電系統中的裝置使用效率和壽命造成影響。
由於有源濾波存在的不足和缺陷，目前國內市場上主要以無源濾波為主；國際上以abb、ablerex（愛普瑞斯）、諾基亞、施耐德（梅蘭日蘭）、西門子為代表，國內以山大華天，哈工大、西安賽博、南京亞派為代表，另外清華大學電機系研製的cleanpower系列有源電力濾波器在自適應能力，穩定性以及對各種延時的最優補償方面有了長足的進展，成為了最先進的產品之一。隨著電力電子技術的進步，有源電力濾波器以其巨大的技術優勢、強大功能、逐漸下降的**，必將最終取代傳統的電容型無功補償裝置，佔據市場主流。
3 主要內容
有源電力濾波器，是採用現代電力電子技術和基於高速dsp器件的數字訊號處理技術製成的新型電力諧波治理專用裝置。它由指令電流運算電路和補償電流發生電路兩個主要部分組成。指令電流運算電路實時監視線路中的電流，並將模擬電流訊號轉換為數碼訊號，送入高速數字訊號處理器對訊號進行處理，將諧波與基波分離，並以脈寬調變訊號形式向補償電流發生電路送出驅動脈衝，驅動igbt或ipm功率模組，生成與電網諧波電流幅值相等、極性相反的補償電流注入電網，對諧波電流進行補償或抵消，主動消除電力諧波。
有源電力濾波器的結構原理如圖3.1所示。圖中u和z分別為市電網電壓和負載，有源電力濾波器有電流檢測電路和pwm--主電路組成。
電流檢測電路的作用是檢測負載電流中的諧波分量和無功電流分量，主電路為雙向功率傳輸的逆變電路，pwm為逆變電路的控制電路，pwm--主電路的作用是對負載電流中的諧波分量和無功電流分量進行補償。
圖3.1 有源電力濾波器的結構原理圖
市電電網電流由有負載電流和補償電流兩部分組成，即
3.1）
由於跟蹤指令訊號,所以=，那麼
3.2）
由於是檢測電路從負載電流中檢測出的諧波電流分量和無功電流分量之和，即
3.3）
由於，是基波分量。所以，
由此可知，有源電力濾波器抑制了諧波分量和對無功電流分量進行了補償。根據逆變器在直流所用的儲能元件的不同，有源電力濾波器可以分為兩種型別，儲能元件為電容器時，為電壓型有源電力濾波器。他的優點是效率高，是常採用的一種形式。
儲能元件為電感器時，為電流型有源電力濾波器。由於儲能電感器中有電流流過，會產生較大的損耗，效率較低。
一般情況下，電力系統的容量都比較大，單相逆變電路滿足不了要求，這就要求採用三相逆變器或疊加逆變器。
有源電力濾波器多用於三相電力系統中。在供電系統中，多採用三相三線制有源電力濾波器。而在配電系統中，多採用三相四線制有源電力濾波器。
有源電力濾波器氛圍電壓型和電流型兩種。電壓型有源電力濾波器主電路如圖3.2所示。
它採用電壓型pwm逆變器，其直流側並有大容量電容器，逆變器正常工作時電容器上的電壓基本保持不變，可以視為電壓源。電流型有源電力濾波器的主電路原理圖如圖3.3所示，它採用電流型pwm逆變器，其直流側串有大電感量的電感器，逆變器正常工作時，流經電感器的電流基本保持不變，可以視為電流源。
由於電感器中始終有電流流過，產生較大的損耗，效率較低，從而影響了電流型有源電力濾波器的推廣使用。但是電流型有源電力濾波器與電壓型有源電力濾波器相比，也有優點，如電流控制能力較強，濾除開關諧波的效率高，工作穩定性高等。本文中考慮到濾波器的實用性和使用的廣泛度，設計的是電壓型有源電力濾波器。
設計的思路和**分析將在下文詳細說明。
圖 3.2 電壓型有源電力濾波器主電路的電路原理圖
圖 3.3 電流型有源電力濾波器主電路的原理圖
5 設計方法與實施方案
（1）有源電力濾波器有併聯型，串聯型及混合型等形式。併聯型主要是用於電流型負載，而串聯型主要用於諧波電壓型負載。本課主要題利用matlab程式設計工具，實現併聯型有源電力濾波器的濾波功能，它是通過實時檢測負載的諧波電流，控制逆變器向電網注入與負載諧波電流大小相等但方向相反的電流來實現的。
有源濾波器的介紹
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無源濾波器和有源濾波器的區別
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