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湘潭大学《电力电子》课程设计报告题目：三相并联型有源电力滤波器的设计学院：信息工程学院班级：11级自动化二班******学号：**********指导教师：***完成日期：2014 年07月02日摘要随着现代工业技术的发展，电力系统中非线性负荷大量增加。
各种非线性和时性电子装置大规模地应用，造成电能质量恶化。
电力有源滤波器以其优越的补偿性能，已成为电力电子技术领域的研究热点之一。
而其中并联型有源电力滤波器过去和将来都将占据重要地位。
有源电力滤波器的两大关键技术是谐波与无功电流的检测和补偿电流控制。
实时、准确地检测出电网中瞬态变化的谐波与无功电流是有源电力滤波器进行精确补偿的前提。
为了验证所提出的检测方法和控制方法的正确性，本论文用MATLAB2010b/SIMULNIK进行了仿真研究。
仿真结果表明本文所设计的滤波器可以很好的滤除谐波，完成抑制谐波的作用。
关键词:有源电力滤波器;谐波与无功电流检测:补偿电流控制;三角波比较和滞环控制；仿真第一章谐波概述1.1谐波产生的原因：电网中的谐波主要是由各种大量电力和用电变流设备以及其它非线性负载产生。
当正弦基波电压(当电源阻抗为零阻抗时)施加于非线性负荷时，负荷吸收的电流与施加的电压波形不同，畸变的电流影响电流回路中的配电设施。
系统中的主要谐波源可分为两大类:①含半导体非线性元件的谐波源；②含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。
所有这些都使得电力系统的电压、电流波形发生畸变，从而产生高次谐波。
1.2谐波对电网的危害理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。
谐波电流和谐波电压的出现，对电力系统的环境造成污染，影响系统的电气环境。
谐波污染对电力设备的危害是严重的，近三四十年来，各种电力电子装置的迅速普及使得公用电网的谐波污染日趋严重，谐波危害加重。
综合来说，谐波对电网及其它系统的影响大致有以下几种：1)谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。
旋转p-q-r坐标系下的瞬时功率理论摘要该论文在三相四线制系统中定义了一个旋转的p-q-r坐标系，这里，p为瞬时有功功率，为瞬时无功功率。
这三个分量是线性独立的，所以可以通过单独控制两个电流分量的空间矢量来补偿这两个瞬时无功功率。
该论文按照这个理论，通过补偿瞬时无功功率来消除三相四线制系统的中线上的电流，而无需储存能量，仿真的结果很好地证明了这个理论。
1引言韩国和美国等其他国家，不低于70%的电能消费用于电机，主要是感性电机。
如果假设电机负载的功率因数是0.8，那么发电厂最少得发出17%的无功功率，这就需要更多的发电机，并且增加了传输/分布损耗。
换句话说，如果完全补偿用户侧的无功功率，那么发电设备和分布损耗将最少减少17%。
除此之外，当三相四线制系统接不平衡或非线性负载时，流过中线上的电流将很大。
在单相二极管整流的情况下,流过中线的电流为相电流的1.73倍。
由于传统的三相四线制系统的中线不能解决上述问题，并且存在大量的电力电子设备，会在用户侧产生大量问题。
三相系统中，瞬时无功电流产生不产生瞬时有功功率。
所以由补偿无功功率来控制无功电流不需要储备能量的设备，如三相系统中功率补偿器的直流侧电容。
这样能够降低成本，提高功率补偿的可靠性。
三相系统中，瞬时有功和无功功率分别定义为电压矢量和电流矢量的内积和矢量积。
瞬时有功功率是线性独立的，但是瞬时无功功率的三个分量却不是彼此独立的。
也就是说，可以单独的补偿瞬时有功功率，却不能单独各自补偿瞬时无功功率的三个分量。
因此，瞬时无功功率的补偿电流的自由度是1。
系统的零序电压和零序电流既影响瞬时有功功率，又影响瞬时无功功率。
当电源电压中有零序分量时，即使把瞬时无功功率补偿到零，中线电流也不会完全消除。
[8]中采用了特殊的无功功率补偿算法，来消除三相四线制系统中的中线电流，但这种算法仍然受电流只有一个可控量的限制。
该论文提出了一个所谓的p-q-r坐标系，它能随着三相四线制系统的电压空间矢量旋转。
摘要随着电力系统的发展以及电力市场的开放，电能质量问题越来越引起广泛关注。
由于各种非线性负载(谐波源)应用普及，产生的谐波对电网的污染日益严重。
谐波是目前电力系统中最普遍现象，是电能质量的主要指标。
电力系统谐波是电能质量的重要参数之一，随着电力电子技术的发展，大量的非线性负载和各种整流设备被广泛的应用于各行各业，使电网谐波含量大大增加，电能质量下降。
谐波给供电众业的安全运行和经济效益带来了巨大影响。
所以，抑制谐波污染、改善供电质量成为迫切需要解决的问题。
因此，谐波及其抑制技术己成为国内外广泛关注的课题。
对电力系统谐波的治理，需要电力部门和用户共同参与。
一方面，用户需要电力部门公共电网电能质量能确保用户正常生产用电；另一方面，电力部门也要求用户的生产用电不影响公共电网的正常供电，特别是对于一些会对公必电网电能质量造成睡大影响的大型用户，从源头上进行电能质量的治理是必须的。
本文介绍了谐波的概念、检测及危害，详细介绍了谐波产生的来源于，电力系统中的谐波来自电气设备。
也就是说来自发电设备和用电设备。
同时介绍了谐波的危害，包括对电网运行和用电设备的危害，还包括对继电保护和自动装置的影响。
为了有效补偿负荷产生谐波电流，首先对谐波的成分有精确认识，因而需要实时检测负载电流中的谐波。
本文着重介绍了基于三相电路瞬时无功功率理论的谐波测量的理论。
进而研究了电力系统谐波的抑制措施，消除或抑制谐波的对策,可以有效地减小谐波对电网的影响，以消除和防止谐波的影响。
关键词：电力系统谐波；危害；p、q检测方法,；ip、iq检测方法目录摘要 (I)目录 (I)第1章绪论 (3)1.1 谐波的提出及意义 (3)1.2国内外研究状况及进展 (4)1.2.1国外研究现状 (4)1.2.2国内研究现状 (6)1.3本文主要研究的内容 (7)第2章电力系统谐波的分析 (8)2.1 谐波的基本概念 (8)2.1.1 谐波的定义 (8)2.1.2 电力系统谐波的表达式 (8)2.1.3 电力系统谐波的标准 (9)2.2 电力系统谐波的产生 (10)2.3 电力系统谐波的危害 (12)2.3.1 对电机的危害 (12)2.3.2对变压器的危害 (12)2.3.3 对线路的危害 (13)2.3.4 对电容器的影响 (13)2.3.4 对继电保护、自动装置工作的影响 (14)2.3.5 对其通信系统的影响 (14)2.4 本章小结 (14)第3章电力系统谐波的检测 (16)3.1谐波检测的几种方法比较 (16)3.2基于三相电路瞬时无功功率理论的谐波测量 (18)3.2.1 瞬时有功功率和瞬时无功功率 (18)3.2.2 瞬时有功电流和瞬时无功电流 (20)3.2.3 基于瞬时无功功率的p、q检测方法 (21)3.2.4 基于瞬时无功功率的ip、iq检测法 (22)3.2.5 检测示例 (24)3.3本章小结 (26)结论 (27)参考文献 (28)附录1 (29)附录2 (32)致谢 (337)燕山大学毕业论文评审意见表 (38)个人简介 (40)第1章绪论1.1 谐波的提出及意义“谐波”一词起源于声学。
简易计算如下：1）三相有功功率P=1.732*U*cosφ2）三相无功功率P=1.732*U*I*sinφ对称负载，φ：相电压与相电流之间的相位差cosφ为功率因数，纯电阻可以看作是1，电容、电抗可以看作是0实际计算如下：⑴有功功率三相交流电路的功率与单相电路一样，分为有功功率、无功功率和视在功率。
不论负载怎样连接，三相有功功率等于各相有功功率之和，即：当三相负载三角形连接时：当对称负载为星形连接时因UL= Up， IL=Ip 所以 P＝ = ULILcosφ当对称负载为三角形连接时因UL=Up， IL= Ip所以 P＝ = ULILcosφ对于三相对称负载，无论负载是星形接法还是三角形接法，三相有功功率的计算公式相同，因此，三相总功率的计算公式如下。
P＝ ULILcosφ⑵三相无功功率：Q＝ ULILsinφ（3）三相视在功率S＝ ULILP——有功功率，kW；Q——无功功率,kVar；S——视在功率,kV。
A；U ——用电设备的额定电压,V；I——用电设备的运行电流.A.有功功率P与视在功率S的比值，称为功率因数cosφ，φ：相电压与相电流之间的相位差。
⑴有功功率三相交流电路的功率与单相电路一样，分为有功功率、无功功率和视在功率。
不论负载怎样连接，三相有功功率等于各相有功功率之和，即：当三相负载三角形连接时：当对称负载为星形连接时因UL= Up， IL=Ip所以 P＝ = ULILcosφ当对称负载为三角形连接时因UL=Up， IL= Ip所以 P＝ = ULILcosφ对于三相对称负载，无论负载是星形接法还是三角形接法，三相有功功率的计算公式相同，因此，三相总功率的计算公式如下。
P＝ ULILcosφ⑵三相无功功率：Q＝ ULILsinφ（3）三相视在功率S＝ ULIL有功功率的计算式： P=√3IUcosΦ (W或kw)无功功率的公式: Q=√3IUsinΦ (var或kvar)视在功率的公式： S=√3IU (VA或kVA)同时还可用以下公式计算：在三相对称电路中，各相负载性质相同、大小相等，所以三相总的功率是单相功率的3倍，又因实践中三相电路的线电压、线电流参数获取比较方便，功率表达式其中：P为有功功率；Q为无功功率；S为视在功率,kV；U为用电设备的额定电压；I为用电设备的运行电流不对称三相电路中，因各相负载性质及大小不同，总视在功率不能是三相视在功率的代数和三相电路功率计算公式三相电路的功率分析一般应根据单相负载性质()分别进行计算，然后再求总量。
基于瞬时无功功率理论的APF仿真设计作者：王敬禹贺剑田晨来源：《价值工程》2013年第26期摘要：基于瞬时无功功率的谐波和无功电流检测方法的研究，提出了ip-ip检测方法，并对有源电力滤波器（APF）设计原理进行了介绍。
利用SIMULINK对APF进行了系统仿真并给出了设计流程及其结果分析，有源滤波器的系统仿真将对实物制作起到很大的推动作用。
Abstract： Based on instantaneous reactive power， harmonic and reactive current detection method research， ip-ip detection method is proposed， and the design principle of active power filter （APF） are introduced. Using the SIMULINK simulation of APF system is introduced and the design process and its results analysis， active filter system simulation will play a large role of physical production.关键词：瞬时无功功率理论；APF；SIMULINK仿真Key words： instantaneous reactive power；APF；SIMULINK simulation中图分类号：TM743 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）26-0032-020 引言随着电力电子装置的日益广泛使用，其本身所具有的非线性导致了电网中携带大量的谐波，这些谐波给整个电网和用电设备造成了严重的危害。
目前，抑制谐波的一个主要研究趋势就是采用有源电力滤波器（APF），APF系统是一个非线性、强耦合的控制系统，对它进行理论分析有一定难度，但可以做相应的仿真实验，加深对有源滤波器控制规律的认识和理解。
什么是有功功率、无功功率、视在功率及功率三角形？三相电路的功率如何计算？
视在功率（S）、有功功率（P）及无功功率（Q）之间的关系，可以用功率三角形来表示，如下图所示。
它是一个直角三角形，两直角边分别为Q与P，斜边为S。
S与P之间的夹角Ф为功率因数角，它反映了该交流电路中电压与电流之间的相位差（角）。
各种功率有如下关系式
五、三相交流电路中的功率计算
对于三相对称负载来说，不论是Y形接法还是△形接法，其功率的计算均可按下式进行：
如果三相电路的负载不对称，则上述公式不能使用，这时必须用三个单相电路功率相加的方法计算三相总功率。
什么叫功率三角型
“功率三角形”是表示视在功率S、有功功率P和无功功率Q三者在数值上的关系，见右图。
其中φ是u(t)与i(t)的相位差,也称功率因数角。
由功率三角形可得
P=Scosφ
Q=Ssinφ=Ptgφ
对于三相电路
P=√3UIcosφ
Q=√3UIsinφS=√3UI=√P2+Q2
如何用电脑中的计算机计算开方
打开计算器，在查看中选“科学型”，进入后选十进制，再选Inv，输入要开方的数，再点x^2,此为开平方的方法。
输入数后选x^3就可以开立方根了。
科技视界Science&Technology VisionScience&Technology Vision科技视界0引言电力电子技术在推动电力系统发展,灵活高效地利用电能的同时,其设备又成为电力系统中最主要的谐波源,同时消耗无功功率[1-2]。
谐波的危害是多方面的,主要体现在:1)对供配电线路的危害:主要是影响线路的稳定运行和电能质量;2)对电力设备的危害:包括对电力电容器的危害、对电力变压器的危害和对电力电缆的危害;3)对用电设备的危害:包括对电动机的危害、对低压开关设备的危害和对弱电系统设备的干扰。
4)对人体和电力测量准确性的影响:目前采用的电力测量仪表当谐波较大时将产生计量混乱,测量不准确。
谐波污染对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在的威胁,给周围的电器环境带来极大影响并对人体健康存在潜在危害,被公认为电网的危害和人体生命的杀手。
1电力谐波的定义目前国际普遍定义谐波为:谐波是一个周期电气量正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍[3]。
以正弦波电压为例,可以表示式(1):式中U是电压有效值,θ是初相角,ω是角频率,T为周期;对于周期为T的非正弦波信号,在满足狄里赫利的条件下,可分解为如式(2)的傅立叶级数。
u(t)=2√U sin(ωt+θ)(1)u(ωt)=a0+∞n=1∑a n cos nωt+b n sin nωt()(2)式中:a0=12π2π0∫u(ωt)d(ωt),a n=1π2π0∫u(ωt)cos nωtd(ωt),bn=1π2π0∫u(ωt)sin nωtd(ωt)。
频率与工频相等的分量称为为基波,频率是基波频率大于1的整数倍的分量称为谐波,其频率为基波频率的整数倍。
2基于PQ法的谐波电流和无功电流检测设计2.1三相瞬时无功功率理论图1琢茁坐标系中的电压,电流矢量PQ法的理论基础是三相瞬时无功功率理论。
三相电路瞬时无功功率理论最早在1983年由赤木泰文提出,它是以瞬时实功率P和瞬时虚功率Q的定义为基础。
三相电路瞬时无功功率理论首先1983年由赤木泰文提出，此后该理论经不断研究逐渐完善。
赤木最初提出的理论亦称pq 理论，是以瞬时实功率p 和瞬时虚功率q 的定义为基础，其主要的一点不足是未对有关的电流量进行定义。
下面将要介绍的是以瞬时有功电流p i 和瞬时无功电流q i 为基础的理论体系，以及它与传统功率定义之间的关系。
设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为a e 、b e 、c e 和a i 、b i 、c i 。
为分析问题方便，把它们变换到βα-两相正交的坐标系上研究。
由下面的变换可以得到α、β两相瞬时电压αe 、βe 和α、β两相瞬时电流αi 、βi⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡c b a e e e C e e 32βα （6-1） ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡c b a i i i C i i 32βα （6-2） 式中⎥⎦⎤⎢⎣⎡---=23230212113232C 。
图6-1 βα-坐标系中的电压、电流矢量在图6-1所示的βα-平面上，矢量αe 、βe 和αi 、βi 分别可以合成（旋转）电压矢量e 和电流矢量ie e e e e ϕβα∠=+= （6-3）i i i i i ϕβα∠=+= （6-4）式中，e 、i 为矢量、的模；e ϕ、i ϕ分别为矢量e 、i 的幅角。
【定义6-1】三相电路瞬时有功电流p i 和瞬时无功电流q i 分别为矢量i 在矢量e 及其法线上的投影。
即ϕcos i i p = （6-5）ϕsin i i q = （6-6）式中，i e ϕϕϕ-=。
βα-平面中的p i 、q i 如图6-1所示。
【定义6-2】三相电路瞬时无功功率q （瞬时有功功率p ）为电压矢量e 的模和三相电路瞬时无功电流q i （三相电路瞬时有功电流p i ）的乘积。
即p ei p = （6-7）q ei q = （6-8）把式（6-5）、式（6-6）及i e ϕϕϕ-=代入式（6-7）、式（6-8）中，并写成矩阵形式得出⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡βαβααββαi i C i i e e e e q p pq （6-9） 式中⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=βββαe e e e C pq 。
把式（6-1）、式（6-2）代入上式，可得出p 、q 对于三相电压、电流的表达式 c c b b a a i e i e i e p ++= （6-10） ()()()[]c b a b a c a c b i e e i e e i e e q -+-+-=31 （6-11） 从式（6-10）可以看出，三相电路瞬时有功功率就是三相电路的瞬时功率。
【定义6-3】α、β相的瞬时无功电流aq i 、q i β（瞬时有功电流ap i 、p i β）分别为三相电路瞬时无功电流q i （瞬时有功电流p i ）在α、β轴上的投影，即 p e e e i e e i i p e p p 22cos βααααϕ+=== （6-12a ） p e e e i ee i i p e p p 22sin βαβββϕ+=== （6-12b ） q e e e i e e i i q e q q 22sin βαββαϕ+=== （6-12c ）q e e e i e e i i q e q q 22cos βαααβϕ+-=-=-= （6-12d ）图6-1中给出了aq i 、q i β、ap i 、p i β。
从定义3很容易得到以后性质：（1） 222p p p i i i =+βα （6-13a ）222q q q i i i =+βα （6-13b ）αααi i i q p =+ （6-14a ）βββi i i q p =+ （6-14b ）上述性质（1）是由α轴和β轴正交而产生的。
某一相的瞬时有功电流和瞬时无功电流也可分别称为该相瞬时电流的有功分量和无功分量。
【定义6-4】α、β相的瞬时无功功率αq 、βq （瞬时有功功率αp 、βp ）分别为该相瞬时电压和瞬时无功电流（瞬时有功电流）的乘积，即p e e e i e p p 222βααααα+== （6-15a ） p e e e i e p p 222βαββββ+== （6-15b ）q e e e e i e q q 22βαβαααα+== （6-15c ）q e e e e i e q q 22βαβαβββ+-== （6-15d ）从定义6-4可得到如下性质： （1） p p p =+βα （6-16）（2） 0=+βαq q （6-17）【定义6-5】三相电路各相的瞬时无功电流aq i 、bq i 、cq i （瞬时有功电流ap i 、bp i 、cp i ）是α、β两相瞬时无功电流q i α、q i β（瞬时有功电流p i α、p i β）通过两相到三相变换所得到的结果。
即⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡p p cp bp ap i i C i i i βα23 （6-18） ⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡q q cq bq aq i i C i i i βα23 （6-19） 式中T C C 3223=。
把式（6-12）代入式（6-18）、式（6-19）中得Ap e i a ap 3= （6-20a ） Ap e i b bp 3= （6-20b ） Ap e i c cp 3= （6-20c ） ()Aq e e i c b aq -= （6-21a ） ()Aq e e i a c bq -= （6-21b ） ()Aq e e i b a cq -= （6-21c ） 式中()()()()a c cb b ac b a a c c b b a e e e e e e e e e e e e e e e A ---++=-+-+-=2222222 从以上各式可得到如下性质：（1）0=++cp bp ap i i i （6-22a ） 0=++cq bq aq i i i （6-22b ）（2）a aq ap i i i =+ （6-23a ） b bq bp i i i =+ （6-23b ） c cq cp i i i =+ （6-23c ）上述两个性质分别和定义6-3的性质（1）、（2）相对应。
定义6-3的性质（1）反映了α相和β相的正交性，而这里的性质（1）则反映了a 、b 、c 三相的对称性。
【定义6-6】各相的瞬时无功功率a q 、b q 、c q （瞬时有功功率a p 、b p 、c p ）分别为该相瞬时电压和瞬时无功电流（瞬时有功电流）的乘积，即Ap e i e p aap a a 23== （6-24a ） Ap e i e p b bp b b 23== （6-24b ） Ap e i e p c cp c c 23== （6-24c ） ()Aq e e e i e q c b a aq a a -== （6-25a ） ()Aq e e e i e q a c b bq b b -== （6-25b ） ()Aq e e e i e q b a c cq c c -== （6-25c ） 定义6-6也有和定义6-4类似的性质： （1） p p p p c b a =++ （6-26）（2） 0=++c b a q q q （6-27）传统理论中的有功功率、无功功率都是在平均值基础或相量的意义上定义的，它们只适用于电压、电流均为正弦波时的情况。
而瞬时无功功率理论中的概念，都是在瞬时值的基础上定义的，它不仅适用于正弦波，也适用于非正弦波和任何过渡过程的情况。
从以上各定义可以看出，瞬时无功功率理论中的概念，在形式上和传统理论非常相似，可以看成传统理论的推广和延伸。
下面分析三相电压和电流均为正弦波时的情况。
设三相电压、电流分别为 t E e m a ωsin = （6-28a ）()32sin πω-=t E e m b （6-28b ）()32sin πω+=t E e m c （6-28c ）()ϕω-=t I i m a sin （6-29a ）()2sin πϕω--=t I i m a （6-29b ）()32sin πϕω+-=t I i m a （6-29c ）利用（6-1）、式（6-2）对以上两式进行变换，可得⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡t t E e e m ωωβαcos sin 2 （6-30） ()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡---=⎥⎦⎤⎢⎣⎡ϕωϕωβαt t I i i m cos sin 2 （6-31） 式中m m E E 232=、m m I I 232=。
把式（6-30）和式（6-31）代入（6-9）中可得ϕcos 23m m I E p = （6-32a ） ϕsin 23m m I E q = （6-32b ） 令2m E E =、2m I I =分别为相电压和相电流的有效值，得ϕcos 3EI p = （6-33a ）ϕsin 3EI q = （6-33b ）从上面的式子中可以看出，三相电压和电流均为正弦波时，p 、q 均为常数，且其值和按传统理论算出的有功功率p 和无功功率q 完全相同。
把式（6-30）、式（6-31）代入式（6-12）中可得α相瞬时有功电流和瞬时无功电流t I i m p ωϕαsin cos 2= （6-24a ）()2sin sin 2πωϕα-=t I i m q （6-24b ）比较上式和式（6-31）可以看出，α相的瞬时有功电流和瞬时无功电流的表达式与传统功率理论中a 相电流的有功分量和无功分量的瞬时值表达式完全相同。
对于β相及三相中的a 、b 、c 各相也能得出同样的结论。
由上面的分析不难看出，瞬时无功功率理论包容了传统的无功功率理论，比传统理论有更大的适用范围。
