三相不平衡负荷的电能质量治理装置仿真研究

论文总字数：23113字

摘 要

随着国民经济的发展，用电量的增加，用电设备的种类变的多种多样，但它们特性的不相同也引发了各种电能质量的问题。电能质量是当今社会的一个热点话题，它与整个电力系统的能否稳定运行与用户能否安全用电关系密切。而电能质量过低则会给电网带来大量的无功和谐波，使电网中的谐波成分过大，功率因数过低，各种用电设备不能够正常的工作，从而减少设备的寿命。由此，补偿电网中的谐波问题成为当今解决电能质量问题的关键。

本文主要任务是搭建出来一台有源滤波器，完成对电网的谐波治理。本文首先论述了电能质量问题的存在和危害性，然后对补偿装置的发展、谐波电流的危害、有源无源滤波器的比较进行论述；再简要论述了APF的拓扑结构；之后是对瞬时功率理论和滞环比较方法的论述，通过这些理论依据完成检测模块和控制模块，搭建出来一台有源滤波器。

本文运用的仿真软件为MATLAB中的SIMULINK，我们对负荷分别为电阻、电感、电容、缺相、以及非线性负载的情况下进行仿真，对波形进行分析、调试、总结得出该装置的适用性。

关键词： APF

瞬时功率理论

滞环比较

SIMULINK

三相不平衡负载

三相三线制

Study of the power quality equipment

of the three-phase unbalanced load

16011524 gehaitao

Supervised by zhaojianfeng

Abstract

With the development of the national economy, and the increasing of electricity consumption, the type of electrical equipment is varied, but the characteristics are not the same trigger a variety of power quality problems. Power quality is a hot topic in today's society, it can stabilize the entire power system operation and user can secure electricity close. The power’s low quality will bring a lot of reactive power and harmonics to enlarge the grid harmonic component, low power factor, a variety of electrical equipment can not work properly, thus reducing the life of the equipment. Thus, the compensation of harmonics in the issue has become critical in today to solve power quality problems.

In this paper, the main task is to build up an active filter to complet the grid harmonic control. This paper discusses the existence and dangers of power quality problems, then the development of compensation devices, harmonic current hazards, active and passive filters Compare discussed; then briefly discusses the topology of the APF; followed by transient discourse power theory and hysteresis method by which theoretical completion detection module and a control module, built up an active filter.

In this paper, the applicability of the simulation software is SIMULINK in MATLAB, we use resistance, inductance, capacitance, phase, and the case of non-linear load simulation on the load, analysis, debug the waveform, summarize the results of the device .

Key words： APF

Hysteresis

Instantaneous power theory

Simulink

Three-phase unbalanced load

three-phase three-wire system

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1课题研究的背景及意义 1

1.2 补偿装置的发展 1

1.3谐波电流及无功电流的产生和危害 2

1.3.1 谐波电流的产生和危害 2

1.3.2 无功电流的产生和危害 3

1.4 有源滤波器与无源滤波器 3

1.5 本文的主要内容 4

第二章 APF的工作原理和拓扑结构 5

2.1 APF的工作原理 5

2.1.1 串联型APF 6

2.1.2 并联型APF 6

2.1.3 混合型APF 7

2.2 APF的拓扑结构分析 7

2.3 本章小结 9

第三章 基于瞬时功率理论的谐波电流检测方法 10

3.1 瞬时功率理论的发展 10

3.1.1 单相正弦电路功率理论 10

3.1.2 非正弦电路功率理论 11

3.1.3 三相电路功率理论 12

第四章 APF控制模块的控制策略 19

4.1 电流闭环控制 19

4.1.1 基于三角波控制的闭环控制 19

4.1.2 基于滞环控制的闭环控制 19

4.2 三相三线制的APF整体结构框图 20

第五章 三相三线APF的MATLAB仿真 21

5.1 三相三线制的APF各个部分的仿真框图 21

5.1.1 三相三线制的APF主电路仿真图 21

5.1.2 三相三线APF的检测电路仿真图 21

5.1.3 三相三线APF控制电路仿真图 22

5.1.4 三相三线APF逆变电路的仿真图 23

5.2 仿真结果及分析 24

5.2.1 纯电阻不平衡负载 24

5.2.2 阻感性不平衡负载 24

5.2.3 缺相不平衡负载 25

5.2.4 非线性不平衡负载 25

5.2.5 阻容性不平衡负载 26

5.3 本章总结 27

第六章 结论 28

6.1 论文完成的主要工作及总结 28

6.2 工作展望 28

致 谢 29

参考文献 30

三相不平衡负荷的电能质量治理装置的研究

1. 绪 论

1.1课题研究的背景及意义

电能质量的问题在近些年一直困扰着我们电力系统，根据国际电气与电子工程师协会(EIEE)的定义,所谓的电能质量就是我们提供给电力设备的电能是合适稳定的供应方式，如果不符合该要求那么该电能质量就需要治理^[1]。而我们国内将其定义为由于电压电流频率等问题引起的系统的不稳定，造成各种电力问题都可以将其归结为电能质量的问题。

电能质量的指标，我们最为常见的为五种，第一是频率偏移：频率我们要求全网的频率必须是一样的，然而我们对各地区的频率偏移标准也是不大一样的，频率偏移对设备的影响也是很大的；第二是电压波动和闪边：电压波动是在包络线内电压有一定规律的变动，一般幅值不能够太高，在一定范围内的规律性变化。由于电压的波动而引起照明灯的故障运行我们称之为闪边；第三是电压偏差：就是电压下跌或者电压上升，导致电压偏移正常值；第四是谐波和间谐波：谐波被定义为频率为基波整数倍的正弦电压电流，而其余的非整数倍的频率则被定义为间谐波^[2]；第五是三相电压不平衡：电网中没有绝对的平衡，有一个不平衡度的标准，一般表现三相电路中我们电压的偏移超过了三相平衡的标准，通常也会导致电网中出现谐波电流，这是我们本文研究的主要内容。

电能质量的问题对电网的危害是很大的，比如三相负载的不平衡引起的谐波和负序分量造成保护装置误动作，造成系统故障，使无功补偿器不能够正常的投入，从而导致系统内电压电流波动，从而降低了系统的稳定性。而在现在的电机由于感性线圈的存在，都会不可避免的会产生感性无功，很容易使系统产生谐波，从而造成系统的三相电压不平衡^[3]。在工业生产中如果有一个部分因为电能质量问题而造成该环节不能够正常运行，从而导致整个工业生产瘫痪，这样的结果造成的损失是不可估量的。在竞争如此激烈的社会中，如果能够在电能质量这一环节做到鹤立鸡群，那么将会在这一领域站在有利的位置。

三相电压不平衡的问题是电网中较为常见的一种问题，也是影响电能质量的重要因素之一，引起三相电压不平衡的原因有很多,比如单相负载和大容量负荷，线路分布不平衡等原因，但是最为常见的就是负载的三相不平衡。

综上，在三相负荷不平衡的问题日趋严重的情况下，对交流电网进行有功无功电流补偿的呼声越来越高，本文重点介绍了APF装置对三相负荷不平衡的电网的有功补偿。

1.2 补偿装置的发展

目前人们是通过将负荷平衡化来实现电力系统平衡，诸多补偿装置在电力系统中已经被广泛使用了并且在不断的发展。

最早的补偿方法是最为简单的LC补偿器，这种方法在早起应用还是较为广泛的，因为它具有经济方便，结构简单等优点，然而缺点是他的电抗是不可变化的，随着社会的发展我们对补偿装置要求的提高，要求补偿装置可以对变化的负载进行补偿，从而推动了新的补偿装置的发展^[4]。这种情况下同步调相机产生了，同步调相机从本质上来说就是一种同步的电动机，它是根据需求来产生无功功率，根据电机的运转方式（欠励磁还是过励磁）来决定产生的是感性无功功率还是容性无功功率。虽然已经可以满足动态补偿，但是本质上他是电动机，面临着电动机固有的缺陷，比如对设备的运行维护以及损耗的降低都是一项技术难关，并且补偿的速度也难以达的到人们的要求。

由于同步调相机的问题不能够解决，推动了补偿设备的进一步发展。静止无功补偿器的出现是在70年代出现的，它在初期是饱和电抗器(SR：SaturatedReactor)型，SR具有响应迅速等同步调相机不能比拟的优点^[5]。然而这种装置的缺陷也是显而易见的：它在将铁芯磁化来达到饱和状态的时候，会产生较大的附加噪声损耗，并且电抗器的特点就是需要三极管等非线性电路作为驱动，会出现非线性电路一些不可估计的误差，并且方式固定，所以现在主流的补偿方案里面并没有见到他的身影^[6]。

电网由于负荷不平衡引起的电流畸变，谐波产生的问题越来越严重。APF有源滤波器在解决此类问题上占据了一席之地。随着电力电子器件在电网中的迅速发展和广泛使用。它不但可以迅速的对谐波电流进行检测分析，而且对一些中性线上的无功功率补偿，这是其他补偿装置不能比拟的。随着电力电子器件的蓬勃发展，以及对抑制三相不平衡负荷引起的谐波电流需求的增加，APF必会在电力系统和电力电子领域占有一席之地。

1.3谐波电流及无功电流的产生和危害

1.3.1 谐波电流的产生和危害

电力系统从发电厂出来的波形都是稳定的正弦波形，仿真中都可以用标准的三相电源来模拟。但是线路上会存在诸多情况发生，比如线路损耗、寄生电感电容的存在等，这会使电压的波形随着线路的延伸而逐渐的畸变，从而到了用户侧，波形畸变程度变化到已经不是正弦波了，对设备的损害是非常大的。

电网中产生谐波源头一般是下面几种：一是容量较大的电力设备，二是大功率负荷，三是负载的不平衡，包括电阻不平衡，缺相不平衡以及二极管负载的不平衡。传统常见的谐波源为变压器组件、电弧炉和旋转电动机等^[7]。目前电力电子融入到了电力系统之后，引起负载不平衡的谐波源就是一些三极管，二极管，晶闸管组成的电力电子控制装置。

谐波电流的危害：

（1）对大部分旋转设备和变压器的危害是引起不必要的损耗、发热和震动，从而产生各种造成和磨损，减少寿命^[8]。

（2）对线路的危害是引起不必要的损耗，增加传导过程中电能的损失，降低效率^[8]。

（3）对系统的危害是让系统的电感、电容发生谐振，造成的后果是使谐波放大。如果系统发生谐振，很小的谐波电压和电流会升高很多，对系统的安全产生威胁，容易引发事故^[8]。

（4）对通信设备的危害是对其信号进行干扰，一方面增加电力系统的功率损耗（线损等），另一方面会使系统中的各种补偿设备不能够正常的运行，给系统和用户带来了巨大的危害^[8]。

1.3.2 无功电流的产生和危害

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