电力技术专业硕士毕业论文篇一
第 1 章 引 言
为了提高电能质量，各种无源和有源滤波技术被用来消除谐波的对电力系统等的影响。作为一种主动型的动态谐波抑制的电力电子装置，有源电力滤波器能够对频率、幅值同时都变化的谐波进行抑制。有源电力滤波器作为一种很有发展前景谐波抑制和无功补偿的装置，逐渐成为研究的一大热点，受到人们越来越多的关注。
1.1 电力系统的谐波问题
1.1.1 谐波的基本概念
“谐波”一词起源于声学，声学中的谐波表示的是一根弦或一个空气柱以基波频率的整数倍频率振动。其实早在 18 世纪和 19 世纪，有关谐波的数学分析就已经有人开始研究。在 1822 年，法国著名的数学家 B.J.Fourier 提出：“任意一个函数都可分解成无穷多个频率不同正弦函数的和”，这种谐波分析方法仍然一直被沿用到今天。在上世纪 40 年代，J.C.Read 发表的关于变流器谐波的论文，是早期与谐波研究相关的经典论文。进入上世纪 50、60 年代后，随着直流输电技术的发展，人们进一步深入研究变流器所引起谐波。
从上世纪 70 年代以来，随着电力电子半导体技术的发展和进步，电力电子装置在电力系统中大规模的应用，使得谐波问题日益突出。世界各国和相关组织对谐波问题十分关注，它们对谐波给出定义。国际电工委员会（IEC：International Electrotechnical Commission）标准（IEC555-2 1982）、电气和电子工程师协会（IEEE：Institute of Electrical and Electronics Engineers）标准（IEEE 标准 519~1981）都对谐波给出定义，尽管两个标准的对谐波定义表述不同，但表达的意思是相同的，总结二者，可将谐波定义为：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。正弦电压作用于无源线性负载（如电阻、电容等）时，负载电流仍为正弦波，只是相位可能发生变化；正弦电压作用于非线性负荷时，负载电流就有可能变为非正弦波。对于一个周期为T 的非正弦信号 u (ω t)，在满足 Dirichlet 条件下，可分解为如下 Fourier 级数形式：
1.1.2 谐波的产生
电力系统中各种非线性元件的应用是引起电网中谐波的主要原因，按照非线性元件类型，可将电网中的谐波源分为两大类：
(1)含有半导体非线性元件电力电子装置的谐波源电力电子装置中普遍采用非线性元件如二极管、晶闸管等，在整流设备、变频调速装置、电力机车、电池充电器等工作过程中，使得负载电流波形畸变，产生大量谐波。
(2)含有电弧和铁磁非线性设备的谐波源这一类非线性设备主要有旋转电机、电弧炉、交流电焊机、变压器及荧光照明等。
旋转电机中的谐波是由磁极和绕组的不平衡、铁饱和等原因引起的，这些原因使得磁极磁场并不一定完全按照规律分布，因此其感应的电势也不会是理想的正弦波，其中必定包含一定量的谐波；电弧炉、电焊机中的谐波主要是由电流波形在不同工作状况下不规律变化引起的；变压器的谐波主要是由励磁回路中存在的非线性磁化曲线所引起的；发光的放电照明，特别是荧光照明主要是由伏安特性具有高度非线性所引起的。
第 2 章 有源电力滤波器的概述
本章对有源电力滤波器进行简单的概述，介绍有源电力滤波器的分类及优缺点，然后介绍串联型有源电力滤波器、并联型有源电力滤波器的原理、特点及使用场合，最后在上述介绍的基础上选出适合本课题的有源电力滤波器的类型、拓扑结构等。
2.1 有源电力滤波器的分类
从不同的分类标准出发，有源电力滤波器主要可分为三种形式，一般常用的分类方式有：按接入电网的方式、按被补偿系统的类型、按直流侧储能的形式。
2.1.1 按接入电网的方式
按接入电网的方式分，可将 APF 可以分为串联型、并联型和串并联混合型三大类。这三大类型 APF 的具体划分如图 2-1 所示。
串联型 APF 可等效为一个受控电压源，一般是经耦合变压器串联接入到电网中，通过这种接入方式可以消除电压型谐波以及电网侧电压谐波和电压波动。串联型 APF 在直流系统中应用时，容易在电网侧直流磁饱和问题。因此，通常情况下，串联型 APF 一般在交流系统中采用。串联型有源电力滤波器的拓扑结构如图2-2 所示。
并联型 APF 可等效为一个受控电流源，是通过输出滤波器并联接入到电网，通过这种接入方式向电网中注入一个补偿电流，该电流与检测出的谐波电流大小相等、方向相反，进而到达抑制谐波的目的。并联型 APF 通常适用于电流源型感性负载的谐波补偿，目前这种类型的有源电力滤波器在技术上已相当成熟，因此大部分在工业中投入应用的 APF 多采用这种方案。并联型有源电力滤波器的拓扑结构如图 2-3 所示。
第3章有源电力滤波器的关键技术........................... 26-41
3.1电力滤波器的数学模型........................... 26-27
3.2 谐波电流检测方法 ...........................27-36
3.3 补偿电流控制方法........................... 36-38
3.3.1 三角载波控制法........................... 36-37
3.3.2 滞环比较控制法........................... 37-38
3.4 直流侧电压控制方法 ...........................38-40
3.4.1 传统 PI 调节法 ...........................38-39
3.4.2 模糊 PI 调节法 ...........................39-40
3.5 本章小结........................... 40-41
第4章有源电力滤波器的设计 ...........................41-63
4.1 主电路部分的设计........................... 41-52
4.2 控制及检测部分的设计........................... 52-59
4.3 直流侧电压模糊 PI 控制的设计........................... 59-62
4.4 本章小结........................... 62-63
第5章有源电力滤波器的仿真研究及分析 ...........................63-70
5.1有源电力滤波器的仿真建模........................... 63-64
5.2 仿真结果分析........................... 64-69
5.3 本章小结........................... 69-70
结论
有源电力滤波器作为目前最为先进的谐波抑制和无功补偿的装置，日益成为电气工程领域研究的热点之一。本文在研制一台 10kVA 有源电力滤波器样机的过程中，主要工作做了如下：
（1）对电力系统中谐波的基本概念、产生、危害、标准等问题进行介绍，对有源电力滤波器的研究现状及发展趋势进行简要的介绍，对有源电力滤波器几种常用的分类方法，并对串联型有源电力滤波器的原理、并联型有源电力滤波器的原理进行分析，确定采用三相并联型有源电力滤波器，直流侧储能元件为电容的方案。
（2）对三相并联型有源电力滤波器建模，分析有源电力滤波器的三个关键技术，其中在谐波电流检测方面采用基于瞬时无功功率理论的p qi i检测法，在补偿电流控制方面采用滞环比较控制法，在直流侧电压控制方面设计了一种基于传统PI 调节的模糊 PI 调节法，并对上述两种方法、设计进行详细的介绍。
（3）对一台 10kVA 的有源电力滤波器样机进行设计，对主电路部分的硬件设计，包括变流器部分的设计、直流侧部分的设计、输入输出部分的设计；对控制及检测部分的设计，包括控制芯片及模数转化器的设计、显示部分设计、同步信号及锁相倍频信号发生部分的设计、电压电流检测部分的设计；对直流侧电压模糊 PI 控制的设计，给出设计的步骤、设计流程图。
（4）对这台 10kVA 的有源电力滤波器按照设计和计算出的参数利用仿真软件MATLAB 进行建模，检测法和滞环比较控制法进行验证，仿真结果表明系统电流谐波总畸变率在投入有源电力滤波器大大降低，在有源电力滤波器投入运行后，系统电
