专业硕士电力技术论文范文篇一
第一章 绪论
1.1 有源电力滤波器的分类
根据主电路的储能元件不同，有源电力滤波器主要可分为电流型、电压型两种。系统的直流侧接大电容的 APF 为电压型有源电力滤波器，正常工作期间，它的直流侧电压基本保持不变；而直流侧接有大电感的 APF 为电流型有源电力滤波器，正常工作期间，它的电流基本保持不变，因为电流型有源电力滤波器的直流侧电感中一直有电流流过，所以该电流会在电感内阻上产生比较大的损耗，目前使用较少。根据主电路使用的 PWM 变流器的数量的不同，可以分为多重化的有源电力滤波器和单个有源电力滤波器，前者能有效提高有源电力滤波器容量，从而降低单个开关器件的工作频率。根据有源电力滤波器接入系统的不同，又可以分为单三相有源电力滤波器和相有源电力滤波器，其中前者可以分为三相四线制有源电力滤波器和三相三线制有源电力滤波器。每个类型的有源电力滤波器的结构不同，因而其工作原理、特性也就各有其特点。
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1.2 有源电力滤波器的拓扑结构
1.2.1 电压型有源电力滤波器
电压型 APF，由电容作为直流侧储能元件，因而结构轻便，价格便宜，又由于模块的独立性，能够扩展为多电平结构的电压型 APF，而且这种类型的 APF效率相对比较高、损耗比较小，并且可以任意并联扩展，这种 APF 的结构更加适于电网的谐波和无功补偿，而且技术相对比较完善，所以目前使用的绝大部分 APF 装置都是电压型结构的 APF[1]。如图 1-1 所示。串联型有源电力滤波器系统的谐波补偿过程中，等效于一个电压控制的电压源系统，跟踪电源中的谐波部分，产生与之相位相反的谐波电压，使负载的交流侧电压波形为正弦波，既是补偿了系统中的谐波。串联型有源电力滤波器通常采用了电压型的逆变器，一般不会包含任何的电流控制。因为一些固有缺陷，例如 APF 串联在电路中时，维修不方便，绝缘比较困难等；在稳定工作状态时，注入变压器在耦合变压器的二次侧所流过的负载电流，使线路的热损（I2R）大大增加，滤波器的总体机构也比较庞大。因而，并联型有源电力滤波器比串联型有源电力滤波器应用更加广泛。
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第二章 级联多电平变流器的调制原理
2.1 载波移相 SPWM 技术的基本调制原理
因为功率开关器件在高压大功率的场合下，功率开关器件损耗比较严重，所以开关器件的功率和开关频率相互矛盾。功率器件在较低的开关频率下，利用载波移相 SPWM 技术可以得到较高等效开关频率，很好的解决大功率开关器件开关频率较低的问题[8][9]，载波移相 SPWM 技术不仅可以在较低的开关器件开关频率下提高设备功率容量的同时，也极大的减小了谐波输出，有着产生同等电平数所需器件较少，不会存在直流侧电容均压的问题，容易输出较高的电压，各个逆变器结构单元完全相同，所以实现模块化设计比较简单，也可以在三相系统中，实现单独控制每相电流，是一种非常合适的大功率大电压变流器的优选拓扑结构和调制方法。所以把载波移相 SPWM 技术应用在级联多电平变流器领域中，具有广阔的应用前景。PWM(Pulse Width Modulation)控制技术就是对脉冲宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）[10]。PWM 控制技术包含了斩波控制与频率控制的特点，载波频率与调制输出的波形效果成正比，有着传输特性好的优点。为了有效地解决功率器件的容量和开关频率二者的矛盾，载波移相 SPWM 技术的运用可以在比较低的开关频率下得到比较高的等效开关频率。
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2.2 载波移相调制技术的数学分析
2.2.1 功率单元输出电压的数学分析
载波相移 SPWM 调制技术（CPS-PWM）在级联多电平变流器的应用中，是一种较好的选择[14]。为了方便数学分析，在图 2-2 的功率单元中，在电容 C1和 C2中间引出中性输出点，这样就把两个电容量相等的电容相串联等效为原来电路的一个电容，并且设电容 C1和 C2中性输出点为零电位，得到如图 2-2 所示的基本功率电路结构。在控制中，功率单元的左右桥臂都采用双极性 SPWM调制方法，左右桥臂载波相位相差 180°。本章首先对载波移相 SPWM 技术基本原理进行了详细的分析，参考并且结合理论推导证明了该策略具有较好的传输性能，并且可以在较低的功率器件开关频率下输出较高的等效开关频率电压，也说明了它是一种适用于 H 桥级联多电平变流器的 PWM 调制策略。接着详细推论和分析了利用载波移相 SPWM 控制策略的 H 桥级联多电平变流器的输出电压波形，而且将 H 桥级联七电平变流器为例，以 MATLAB 仿真验证。最后对 H 桥级联变流器的工作状态进行了分析，数学分析和计算机仿真验证，采用载波相移 SPWM 技术可以成倍的提高级联多电平变流器输出等效开关频率，改善变流器的输出的电压波形。
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第三章 有源电力滤波器谐波检测方法........18
3.1 引言 .........18
3.2 傅里叶变化法.........18
3.3 自适应谐波电流检测法.........23
3.3.1 自适应噪声对消法 ......23
3.3.2 自适应谐波电流检测法 .........23
3.3.3 改进型自适应谐波电流检测法........24
3.4 基于瞬时无功功率理论的检测方法 ....25
3.4.1 三相电路瞬时无功功率理论 ......25
3.4.2 基于 p-q 运算法的三相谐波检测....27
3.4.3 基于 ip-iq运算法的三相谐波检测.........28
3.4.4 一种新的单相瞬时谐波及无功电流检测方法 ....30
3.4.5 基于单相谐波检测法的三相检测新方法....31
3.5 本章小结 ......33
第四章 并联型 H 桥级联有源电力滤波器控制.........34
4.1 并联型 APF 的工作原理 .......34
4.2 APF 的电流跟踪与并网控制策略 ........35
4.2.1 电流跟踪策略......35
4.2.2 变流器并网控制策略 ....36
4.3 APF 系统仿真.........38
4.4 本章小结 ......40
第五章 实验装置与实验结果......41
5.1 H 桥级联有源电力滤波器的主电路结构 .......41
5.2 H 桥级联有源电力滤波器的参数设计......41
5.3 DSPF2812 的外围电路 ....46
5.4 信号采集电路的设计 .......48
5.5 硬件锁相电路的设计 .......50
5.6 软件流程设计.........51
5.7 实验验证 ......52
5.8 本章小结 ......53
第五章 实验装置与实验结果
5.1 H 桥级联有源电力滤波器的主电路结构
并联有源功率滤波器在三相级联多电平系统中的结构如图 5-1 所示。该系统的硬件上包括了负载谐波源、网侧的电压源以及有源功率滤波器的主电路拓扑三部分。系统中，APF 模块主要由指令电流采样计算电路以及补偿电流发生电路两部分组成。补偿电流发生电路又由电流跟踪电路、主电路部分和驱动电路三部分构成。有源电力滤波器可以通过指令电流计算电路采样、计算出电流中含有的谐波和无功电流的大小，电网可以通过补偿电流发生电路向其中注入补偿电流 iC，即与检测到得电流大小相等，相位差 180°的波形，以致网侧电流iS正弦化，并且与电网电压相位相同[29]。基于第五章仿真模型的建立，本章选择 TI 公司的 DSPF2812 作为控制芯片，文中对 DSP 外围电路，采样电路以及锁相环的硬件电路的设计，软件流程分别做了详细的论述。最后，搭建试验平台，调试程序，观察电网电流补偿前后的波形，分析电网电流的频谱和 THD，验证了整个试验样机达到了设计目的。本章对有源电力滤波器的工作原理进行了详细阐述，级联 H 桥有源电力滤波器应用于大功率场合来补偿谐波，另外，APF 的主电路参数的选取，包括直流侧电容容量、直流侧电压以及交流侧滤波电感的选取，对整个 APF 系统的性能也有着至关重要的影响，因此需要慎重的选取 APF 的主电路参数。
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结论
本课题来源于合肥一天电气公司的合作项目，本文以研究有源电力滤波器为背景，以提高有源电力滤波器的补偿性能为目的，在研究 H 桥级联有源电力滤波器的基础上，重点对谐波检测方法进行了探讨与研究。得到以下结论：
（1）、明确了谐波的基本概念、发生及危害。深入探讨了谐波的抑制措施，明确了谐波抑制措施的研究方向，即措施中的有源电力滤波器，概述了谐波检测和有源电力滤波器发展的现状以及趋势。
（2）、对常用的有源电力滤波器的拓扑结构进行分析，并介绍其应用范围和优缺点。对 H 桥级联 APF 进行了详细的原理分析，为研究 APF 的交流侧电流和直流侧电压控制提供了数学基础。对 H 桥级联 APF 的主电路结构进行深入研究，给出了逆变器容量，交流侧电感、直流侧电压以及电容选取的计算公式。
（3）、建立 MATLAB 仿真平台，分别对 ip-iq法和提出的新的检测法进行验证，通过对比，得出各自的优缺点以及两种方法可行性的结论。搭建并调试硬件平台，利用
