并联型有源滤波器电流控制新方法 II摘 要 IIAbstract III目 录 IV1绪论 11.1谐波抑制的意义 11.2谐波抑制的措施 31.3电能质量 51.4本文主要研究内容 72常用滤波器的性能比较分析 82.1有源滤波器 92.1.1有源电力滤波器的发展现状 102.1.2有源滤波器的工作原理 102.1.3衡量APF补偿性能的指标 112.1.4有源滤波器的主电路结构 122.1.5有源滤波器的分类比较 122.2无源滤波器 183谐波电流检测方法研究 203.1概述 203.2谐波检测方法的发展趋势 204控制策略的研究 264.1正弦脉宽调制技术 264.2滞环控制 314.3空间矢量PWM控制 324.4外层控制 325.1概述 345.2谐波检测环节仿真实现 345.2.1三相/两相变换SIMULINK下实现 355.2.2低通滤波器的仿真实现 355.2.2低通滤波器的仿真实现 355.2.3两相/三相变换SIMULINK下实现 365.2.4谐波提取部分仿真实现 365.3谐波补偿环节仿真实现 375.3.1主电路等效电路图 375.3.2主电路仿真实现 385.3.3谐波补偿实现 385.3.4负载侧电压和电流 40结 论 42并联型有源滤波器电流控制新方法摘 要在现代电力系统中，随着各种非线性电力电子装置的大量应用，电能质量不断受到关注。
这些装置向电力系统中注入谐波，使电网中的谐波污染日益严重，电能传输质量恶化因此，解决谐波问题，变得日益重要传统的谐波抑制方法是采用无源滤波器，但它存在许多缺陷，例如：滤波特性受系统参数的影响较大，只能消除特定的几次谐波，可能与系统产生并联谐振，谐波电流增加导致滤波器负荷过重等，使得谐波抑制效果受到影响针对并联型有源滤波器提出了一种电流控制新方法，与传统控制方式不同，该方式不需要检测非线性负载中的谐波及无功电流本文论述了并联型有源滤波器电流控制的等效原理，MATLAB仿真结果表明，省略了检测环节的该控制方法电路结构简单，大大简化了算法的研究，能够更加简单准确地补偿谐波电流，动态响应速度也很快关键词：电力电子技术；并联型有源滤波器；等效原理；电流控制；谐波及无功电流AbstractIn modern power system, with a variety of non-linear power electronic devices of a large number of applications, power quality concern. These devices into the power system harmonics, so that the harmonic power grids have become more polluted and the quality of the deterioration of electrical energy transmission. Thus, the solution to harmonic problems, become increasingly important. Traditional methods of harmonic suppression is the use of passive filter, but it has many defects, such as: filtering properties of the impact of system parameters by a larger number of only the elimination of specific harmonics, may have a parallel resonance with the system, harmonic current increase in overloaded filters, such as lead, making the effect of harmonic suppression affected. In this paper, a new and efficient based on DSP (digital signal processor)-controlled single-phase active power filter.A new equivalence principle of current control for shunt active power filters is introduced, which has no use for measurement of harmonic and reactive currents of nonlinear loads. This paper analyzes and demonstrates the principle. Simulation results by MATLAB are given to show that the equivalence principle without measurements has many merits such as simpler circuit configuration and algorithm, more exact compensation effectiveness and rapid dynamic response. Key words: power electronic technique; shunt active power filters; equivalence principle; current control目 录并联型有源滤波器电流控制新方法 II摘 要 IIAbstract III目 录 IV1绪论 11.1谐波抑制的意义 11.2谐波抑制的措施 31.3电能质量 51.4本文主要研究内容 72常用滤波器的性能比较分析 82.1有源滤波器 92.1.1有源电力滤波器的发展现状 102.1.2有源滤波器的工作原理 102.1.3衡量APF补偿性能的指标 112.1.4有源滤波器的主电路结构 122.1.5有源滤波器的分类比较 122.2无源滤波器 183谐波电流检测方法研究 203.1概述 203.2谐波检测方法的发展趋势 204控制策略的研究 264.1正弦脉宽调制技术 264.2滞环控制 314.3空间矢量PWM控制 324.4外层控制 325.1概述 345.2谐波检测环节仿真实现 345.2.1三相/两相变换SIMULINK下实现 355.2.2低通滤波器的仿真实现 355.2.2低通滤波器的仿真实现 355.2.3两相/三相变换SIMULINK下实现 365.2.4谐波提取部分仿真实现 365.3谐波补偿环节仿真实现 375.3.1主电路等效电路图 375.3.2主电路仿真实现 385.3.3谐波补偿实现 385.3.4负载侧电压和电流 40结 论 421绪论 电能己成为现代人类生活中不可缺少的重要元素之一，无论在工业生产还是日常生活中，用户对电力的可靠性及质量要求都在不断提高。
随着社会的发展和科技的进步，尤其是电力电子装置的广泛应用，一方面电力系统中的谐波污染随着非线性负载的数量和容量增加而日趋严重，另一方面供电方及其电力系统设备、用户及其用电器对电能质量的要求也日益提高，愈发严重的谐波污染与越来越高的电能质量要求形成了一对尖锐的矛盾尤其是IT产业的迅猛发展使得人类更加依赖数字化设备所提供的信息与服务，而数字化的设备对供电的质量要求更高同时，现代电力系统中，电力电子设备的应用日益广泛，这些负荷的非线性、冲击性和不平衡的用电特性对供电质量造成了严重污染近年出现的用户电力技术(Custom Power)概念就表明了信息时代的电力用户己经明确提出了对电能质量的要求，因而对改善电能质量的研究己是刻不容缓 1.1谐波抑制的意义 自从采用交流电作为电能输送的一种方式起，人们就已知道电力系统中的谐波问题但是，近年来随着非线性设备的大量使用，使得这一问题更加突出 通常作为谐波源，非线性设备可分为以下几类： 1、传统非线性设备，包括变压器、旋转电机以及电弧炉等 2、现代电力电子非线性设备，包括荧光灯、在工业界和现代办公设备中广泛使用的电子控制装置和开关、电源、晶闸管控制设备等。
电力变压器是一种谐波源，由于经济原因，变压器使用的磁性材料通常在接近非线性或就在非线性区域运行在这种情况下，即使所加的电压是正弦的，变压器的励磁电流也是非正弦的，因而包含谐波同样，即使励磁电流是正弦的，电压也不可能完全是正弦的对于旋转电机来说，其线圈被嵌入线槽中，由于这些线槽不可能完全按正弦分布，从而使得产生的磁动势是畸变的，因此旋转电机也被认为是谐波源在荧光灯中，每隔半个周波电压被建立起来直到荧光灯被点亮，点亮状态下荧光灯呈负电阻特性，其电流由感性的非线性镇流器来限制，因此电流是畸变的静止无功补偿装置如TSC、TCR由于应用晶闸管来控制电容或是电感的导通时间，因此，它也会产生非正弦的斩波电流三相变流器产生谐波则是由于直流电流在交流三相之间不断换相引起的在大多数情况下，电网中的谐波成分可能不会对电网和电气设备构成严重的威胁，但在一定条件下，谐波成分会严重影响电气装置及联到该装置上的设备的正常运行，甚至会影响电力系统本身的安全稳定运行如：广西苹果铝厂1996年6月因谐波超标，导致电容器爆炸，损坏高压开关和主变压器，造成大面积停电；湖南涟钢1998年7月，因5次谐波超标，导致豹南山220KV变电站停电16小时；由于电气化铁路产生的负序电流和谐波电流的影响，郑州电网继电保护误动，致使京广线中断数小时。
目前电力系统谐波已成为影响电能质量的公害，其危害主要表现在以下几个方面： 1、电力电容器引起的谐波放大 2、增加旋转电机的损耗 3、增加输电线的损耗，缩短输电线寿命 4、增加变压器的损耗 5、造成继电保护、自动装置工作紊乱 6、引起电力测量的误差 7、干扰通讯系统 8、电弧熄灭 发达国家的经验表明，随着科学技术的发展，非线性负荷用电设备的种类、数量和用电量将会迅猛增加很明显，随着我国改革开发和经济建设的发展，我国电网已开始遭遇并将迅速面临发达国家当前的谐波局面，即随着高新技术的发展，谐波污染源的使用数量猛增，电网电压畸变率也将上升另一方面，各类家用电器层出不穷，精密仪器设备发展迅猛，信息时代已经到来，越来越多的电气用户对取用的电能形态和功率流动的控制与处理提出了新的要求 综上所述，对电能质量已经不能仅用频率和电压这两个指标来评价了，谐波已成为电能质量另一个重要指标为了避免谐波的危害，不少国家和国际组织制订了限制用电设备谐波的标准，如被广泛接受的IEEE5 1 9标准和I E C 555-2标准可见，无论是从保障电力系统的安全、稳定、经济运行的角度，还是从用户用电设备的安全、正常工作的角度，有效地治理谐波，将其限制在允许范围之内，还电网一个洁净的电气环境，营造“绿色电网”，已经迫在眉睫。
我国谐波治理的水平还比较低，对电力科技工作者来说，谐波治理问题的研究具有十分重大的理论和现实意义 1.2谐波抑制的措施 谐波治理的措施主要有三种：一是受端治理，即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们抗谐波干扰能力；二是主动治理，即从谐波源本身出发，使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波；三是被动治理，即外加滤波器，阻碍谐波源产生的谐波注入电网，或者阻碍电力系统的谐波流入负载端 受端治理的措施主要有以下几种： 1、选择合理的供电方式 2、避免电容器对谐波的放大 3、提高设备抗谐波干扰能力 4、改善谐波保护性能 主动治理谐波的措施主要有以下几种： 1、增加变流装置的相数或脉冲数改造变流装置或利用相互间有一定移相角的换流变压器，可有效减小谐波含量，其中包括多脉整流和准多脉整流技术，但是装置更加复杂 2、改变谐波源的配置或工作方式具有谐波互补性的装置应集中，否则应适当分散或交替使用，适当限制会大量产生谐波的工作方式 3、多重化技术将多个变流器联合起来使用，用多重化技术将多个方波叠加，以消除频率较低的谐波，得到接近正弦波的阶梯波，但装置复杂，成本较高 4、谐波叠加注入利用三次倍数的谐波和外部的三次倍数的谐波源，把谐波电流加到产生的矩形波形上，可用于降低给定的运行点处的某些谐波。
缺点是必须保证使三次倍数的谐波源与系统的同步，且谐波发生器的功率消耗常常高达整流器直流功率的10％ 5、采用PWM技术采用脉宽调制PWM（Pulse Width Modulation）技术，使得变流器产生的谐波频率较高、幅值较小，波形接近正弦波，但只适用于自关断器件构成的变流器 6、设计或采用高功率因数变流器比如采用矩阵式变频器、四象限变流器等，可以使变流器产生的谐波非常少，且功率因数可控制为1被动治理谐波的措施主要有以下几种： 1、采用无源滤波器PF（Passive Filter）在谐波源附近或公用电网节点装设单调谐及高通滤波器，可以吸收谐波电流，同时还可以进行无功功率补偿，运行维护也简单 2、采用有源滤波器APF（Active Power Filter）在谐波源附近和公用电网节点装设并联型或串联型APF，可以有效地起到补偿或隔离谐波的作用，并联型还可以进行无功功率补偿，但装置造价较高 3、采用混合型有源滤波器HAPF（Hybrid Active Power Filter）H A P F兼具P F成本低廉和A P F性能优越的优点，属于APF的分支和发展HAPF的种类很多，大致可分为与P F的混合和与其它变流器的混合两类。
在被动治理谐波的措施中，无源滤波器本质上是频域处理方法，也就是将非正弦周期电流分解成傅立叶级数，对某些谐波进行吸收以达到治理的目的有源滤波器则是在时域中对非正弦周期电流进行分解后，再进行适当的电流补偿，从而改善系统的电流波形 目前在治理谐波的措施中，广泛采用无源滤波器PF它利用电感、电容元件的谐振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，从而减小流向电网的谐波电流但由于结构原理上的原因，在应用中存在着一些难以克服的缺点： 1、有效材料消耗多、体积大； 2、抑制较低次谐波的单调谐滤波器只对调谐点的谐波效果明显，而对偏离调谐点的谐波无明显效果，而实际工程设计时考虑设计投资又不可能靠增加滤波器的办法解决； 3、当系统中谐波电流增大时，无源滤波器可能过载，甚至损坏设备； 4、滤波效果随系统运行情况而变化，当系统阻抗和频率波动时，滤波效果变差； 5、滤波器的谐振频率会因电容、电感参数的偏差或变化而改变，电网频率会有一定的波动，这将导致滤波器的失谐； 6、当系统阻抗和频率变化时，可能与系统发生并联谐振，使装置无法运行，甚至使整个滤波系统无法正常运行； 7、可能与电力系统发生串联谐振，造成电压波形畸变而产生附加的谐波电流流进无源滤波器，影响滤波效果； 国内外的设计研究人员均注意到无源滤波器设计和运行中存在的问题，研究出若干解决办法，通过优化设计在一定程度上提高了无源滤波器的使用效果，但无源滤波器由于原理上带来的缺点是无法彻底克服的。
因此，有必要采用其它滤波方式来抑制谐波有源滤波器就是一种能够弥补无源滤波器不足的一种新型谐波抑制设备与传统的PF一样，有源电力滤波器APF也是给谐波电流或谐波电压提供一个在谐振频率处等效导纳为无穷大的并联网络或等效阻抗为无穷大的串联网络，但是一台APF理论上可以拥有无穷多个谐振频率 在今天的电力电子器件的制造水平下，单独采用有源电力滤波器实现高压大功率的谐波补偿较为困难,而且成本也非常昂贵，因而采用混合型有源电力滤波器HAPF将无源滤波器PF和有源电力滤波器APF结合起来，取两者之长，避免它们的短处，是当前中、高电压大功率有源电力滤波器推广应用的必然途径 1.3电能质量 一个理想的电力系统应以恒定频率(50Hz)和正弦波形，按规定的电压水平(标称电压)对用户供电在三相交流电力系统中，各相的电压应处于幅值相等，相位相差120o的对称状态由于系统各元件(发电机、变压器、线路等)参数并不是理想线性或对称的，而且负荷性质各异并可能随机变化，加之调控手段的不完善以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态在实际当中并不存在，而由此产生了电网运行、电气设备使用中的各种各样的问题，也就产生了电能质量(Power Quality)的概念。
电能质量中包括电压质量和电流质量电压质量(Voltage Quality)指实际电压与理想电压间的偏差，包含幅值、波形、相位等，它反映供电企业向用户供给的电力是否合格电流质量(Current Quality)指对用户取用的电流提出恒定频率、正弦波形的要求，并使电流波形与供电电压同相位，以保证系统以高功率因数运行，这个定义不能概括因电压原因造成的质量问题 为了提高劳动生产率和自动化水平，基于计算机、微处理器的测量、分析、管理、生产及控制设备大显投入使用，信息的传送及互联网的应用日益普及这些用户对电能质量非常敏感，一个计算中心失去电压2s就可能破坏几十个小时的数据处理结果或者损失几十万元美元的产值当今自动化设备和连续精加工生产，例如柔性制造系统(FMS)或计算机综合制造系统(CIMS)，它们对配电系统中的干扰非常敏感，甚至几分之一秒的不正常就可能在工厂内部造成混乱，这些用户对不合格电力的容许度可严格到1～2个周波可见，一方面用户对电力系统造成的干扰不容忽视，另一方面，用户对电能质量的要求也越来越高，而且这种矛盾随着科技的进步越来越明显 电能质量不完全取决于电力生产企业，有的质量指标，例如谐波、电压波动和闪变，三相电压不平衡度，往往由用户的干扰决定；还有一部分是由难以预测的事故和外力破坏(如雷击)引起的。
该特点说明：全面保障电能质量既是电力企业的责任，也是用户应尽的义务 改善电能质量对于电网和电气设备的安全、经济运行，保障产品质量以及人民生活和生产的正常运转均有重要意义，人们早期对电能质量问题的认识比较简单主要局限在保持电网频率和电压水平 (即静态或平均偏差不过大)自20世纪80年代以来，随着新型电力负荷迅速发展以及它们对电能质量的要求不断提高，电能质量才逐渐成为电力企业和用户共同关心的问题目前电能质量中某些问题己成为电工领域的前沿性课题，吸引了许多高等院校、科研院所和一大批电力科技工作者投入其中从事工作 目前，改善电能质量的手段有技术相当成熟的无源滤波器、静止无功补偿装置(SVC)等，还有基于的电力电子技术的灵活交流输电系统(FACTS-Flexible AC Transmission System)和作为FACTS技术延伸的DFACTS技术(又称Custom Power技术)其中，目前主要的FACTS装置有：静态无功补偿器(STATCOM)、晶闸管控制的串联投切电容器(TSSC)、可控串联补偿电容器(TCSC)、统一潮流控制器(UPFC)等目前主要的DFACTS装置有：有源滤波器(APF)、动态电压恢复器(DVR)、配电系统用静止无功补偿器(D-STATCOM）、固态切换开关(SSTS)等。
而电能质量的四个方面(电压波动和闪变、谐波和电压三相不平衡、电压降低和供电中断)都可归结为波形的畸变APF可以有效地补偿第二种和第三种畸变，而第一种和第四种畸变可以通过DVR本身的储能单元向系统注入正常电压与故障电压之差来补偿因此，有源电力滤波器在电能质量的改善中起到重要的作用 另外，电能质量综合治理可以综合上述各项功能目前也得到了广泛的重视，典型装置为统一电能质量调节器(UPQC)，UPQC是并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器的组合，既能吸收负荷侧的谐波，又能快速补偿供电电压中的电压跌落、波动和闪变、各相电压的不平衡以及故障时的短时电压中断，具有对电能质量综合调控的功能1.4本文主要研究内容 由于无源滤波器的固有缺陷，使其在有些系统中无法正常工作，而有源滤波器能够克服这些缺点随着工业的发展，谐波污染会变得越来越严重，同时对电能质量的要求也会越来越高从长远来看，有源滤波器终将成为电力系统谐波抑制和无功补偿的主要装置随着研究的进展，有源滤波器的谐波检测及控制部分的电路可以集成化，这样不同的负载只需选择不同的交流侧耦合电感、直流侧电容及逆变器功率器件即可，可以做到通用性，且体积小，易于实现，价格便宜。
绿色电源”（即无谐波污染的电源）口号的提出，要求每个用电用户不能对供电系统电源产生谐波污染，而有源滤波器能够解决这个问题，它可以就地进行补偿，使谐波不会影响到整个电力网 本文研究的主要内容如下： 1、研究并联型有源电力滤波器的工作原理、控制策略，介绍常见的几种并联有源电力滤波器拓扑结构 2、分析谐波电流的检测方法，利用SIMULINK构建仿真模型并验证 3、采用双闭环控制策略实现有源电力滤波器的谐波抑制作用 2常用滤波器的性能比较分析 电力系统中产生谐波的设备日益增多，对电力系统谐波的治理受到越来越高的重视如何减少谐波成为治理谐波的关键一步，其主要措施有以下几点： 1、增加换流装置的相数或脉动数：改造换流装置或利用相互间有一定移相角的换流变压器可有效地减少谐波量；换流装置容量应相等，此方法使装置复杂化； 2、加装交流滤波装置：在谐波源附近装若干单调谐及高通滤波支路，以吸收谐波电流可有效地减少谐波量；同时应考虑功率因数补偿和电压调整效应；装置运行维护简单，但需专门设计； 3、改变谐波源的配置或工作方式：具有谐波互补性的装置应集中，否则应适当分散或交替使用，适当限制谐波量大的工作方式可以减少谐波的影响；对装置的配置和工作方式有一定的要求； 4、加装静止无功补偿装置(或称动态无功补偿装置)：采用TCR或SR型静止补偿装置时其容性部分设计成滤波器，可有效地减少谐波源的谐波量，有抑制电压波动、闪变、三相不平衡和补偿功率因数的功能，具有综合的技术经济效益，但一次投资较大，需专门设计； 5、增加系统承受谐波能力：将谐波源改由较大容量的供电点或由一级电压的电网供电。
可以减少谐波的影响；此方法应在规划和设计阶段考虑； 6、避免电容器对谐波的放大：改变电容器的串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，或限定电容器组的投入容量可以有效地减少电容器对谐波的放大并保证电容器组的安全运行；需专门设计； 7、提高设备抗谐波干扰能力，改善谐波保护性能：改进设备性能，对谐波敏感设备采用灵敏的谐波保护装置，适用于谐波(特别是暂态过程中谐波)较敏感的设备；需专门研究； 8、采用有源滤波器等新型抑制谐波的措施：此方法正在研制和逐步推广应用目前还只用于低压小容量谐波源的补偿上，造价较高 在谐波抑制技术方面，有了许多成果，由交流电抗器和电容器组成的无源滤波器国内外均己大量应用到工程实际中，而有源滤波器的初步应用，经实践表明了这一新型的谐波抑制装置有着更为广阔的发展及应用前景下面就目前较常用的有源滤波器和无源滤波器的性能做一下分析、比较2.1有源滤波器 有源滤波器作为改善供电质量的一项关键技术，在日本、美国、德国等工业发达国家已得到了高度重视和日益广泛的应用目前，世界上有源滤波器的主要生产厂家有日本的三菱电机公司、美国的西屋电气公司、德国的西门子公司等有源滤波器具有以下几点特性： 1、有源滤波器的双向补偿特性，当负载电流含有较大的谐波时，为了使负载的谐波不流入系统电源，在负载端通过有源滤波器就地给予抑制，从而使系统电源不受污染，保持正弦波； 2、对各次谐波均能有效地抑制，且可提高功率因数； 3、系统阻抗和频率发生波动时，不会影响补偿效果； 4、不会产生谐振现象，并能抑制由于外电路谐振产生的谐波电流的放大； 5、不存在过载问题，即当系统中谐波较大时，装置仍可运行，无需断开。
有源滤波器之所以具有这些特性是因为它实质上可看作是一个电流源，对于不同的负载，根据补偿指令电流的大小来输出所需的电流，可用于大的负载，也可以用于小的负载 目前有源滤波器的发展面临以下问题： 1、由于电流检测的延时与逆变输出电路工作的滞后等因素的影响，有源滤波器很难对谐波电流、无功电流和负序电流做到实时补偿在实际应用中，很难确定有源滤波器延时特性对补偿效果的影响； 2、从畸变电流的检测上，面对目前检测存在的问题，如何从非线性负载电流中准确、实时地分离出谐波电流、无功电流和负序电流，使有源滤波器的性能得到充分地发挥； 3、从电流控制方法上，如何更好地根据畸变电流的检测结果，通过合理的控制手段产生需要的补偿电流； 4、从主电路结构上，如何将大容量电力电子器件及其外围电路进行合理配置，以使有源滤波器能够安全可靠地长期运行，并使其在我国早日步入工业化应用阶段 本文从目前有源滤波器面临的主要问题入手，寻求解决问题的最佳方案 2.1.1有源电力滤波器的发展现状 有源滤波的思想最早是在1971年由H.Sasaki和T.Machida提出的，当时是采用线性放大的方法产生补偿电流，损耗大、成本高，因而仅在实验室研究，未能在工业中实用。
1976年，L.Gyugyi等人提出用四象限PWM变流器构成有源电力滤波器，正式确立了有源滤波的概念，并提出了相应的主电路基本拓扑结构和控制方法其基本原理是通过向电网注入与原有谐波和无功电流大小相等方向相反的补偿电流，使电网的总谐波和无功电流为零，从而达到净化电网的目的但是由于当时电力电子技术的发展水平还不高，全控型器件功率小、频率低，加上限于当时控制策略和控制芯片的水平，因而有源滤波器仍局限于实验研究，70年代后半期没有得到大的进展直到进入80年代以来，随着新型电力半导体器件的不断发展、脉宽调制技术的不断进步以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，使APF得到迅速完善和发展2.1.2有源滤波器的工作原理 有源滤波器的总体构成如图2.1所示图中检测及控制电路部分对负载电流进行检测，分离出谐波电流部分，用以控制主电路输出相应的补偿电流对主电路输出的电流进行检测是为了使主电路输出的电流更好地跟踪由于负载电流的变化而引起的谐波电流大小的变化 负载电流il按傅里叶级数展开为：有源滤波器产生一个与负载谐波电流幅值相等，相位相反的谐波电流注入谐波源，即可将谐波抵消掉，使之不会流入系统电源。
有源滤波器可同时进行无功补偿，这时只需使，则，即系统电源中就只需供给负载电流中的基波有功电流，这样图2.1中的is，就是补偿了谐波和基波无功电流后系统电源供给的电流 2.1.3衡量APF补偿性能的指标 从理论上讲，APF可使非线性负载电流中的谐波、无功和负序电流得到完全补偿，但实际中很难做到从电流检测到主电路产生实际需要的补偿电流的过程中，都不可避免地要带来误差因此需要一个衡量有源电力滤波器补偿性能的指标 负载（谐波源）主电路检测及控制电路 系统电源 图2.1 有源滤波器总体构成框图有源电力滤波器对高次谐波电流补偿的效果可以用补偿前后电源电流的总谐波畸变率THD来衡量当补偿后电源电流总的谐波畸变率小于补偿前的谐波畸变率时，可以认为有源滤波器对谐波电流进行了有效补偿补偿后电源电流总的谐波畸变率越小，补偿效果越好当补偿后电源电流总的谐波畸变率为零时，谐波电流得到了彻底补偿实际运行中的APF的补偿率一般为80--85% 有源电力滤波器对基波无功和负序电流的补偿效果可以用电源电流中无功电流和负序电流的残留情况来衡量。
若补偿后电源电流中的无功电流和负序电流的有效值和幅值明显减小，即可认为有源电力滤波器对无功电流和负序电流进行了有效补偿补偿后电源电流的无功电流和负序电流越小，补偿效果越好当补偿后电源电流的无功电流和负序电流为零时，无功电流和负序电流得到了彻底补偿 2.1.4有源滤波器的主电路结构 有源滤波器主电路的基本结构如图2.2所示输出电源可控原件开关储能元件图2.2 有源滤波器主电路结构图 图中储能元件(电感或电容)的作用是充当直流电源(电流源或电压源)，为可控开关电路进行逆变提供保证，可控开关电路实为一个PWM逆变器在图2.1中检测电路从系统中检测并分离出谐波电流，使控制电路产生通断控制信号去控制可控开关电路的通断可控开关电路的作用是根据控制信号把储能元件储存的电能以适当的形式经输出电路接入系统中，产生需要的补偿电流 根据储能元件(电容或电感)的不同，将有源滤波器分为电压型和电流型两种，图2.3所示为电压型有源滤波器的主电路图，其储能元件为电容，可控开关电路通常由GTO或IGBT等大功率电力电子元件构成，输出部分为电感电压型有源滤波器的工作原理是根据检测信号产生PWM输出电压，再经交流侧电抗器转换成所需的补偿电流。
电流型有源滤波器，其储能元件是电感，具有运行中损耗较大，输出部分需增加解调滤波器等缺点，因此实际中较少采用由于电压型有源滤波器有能量损耗小和易于控制等优点，目前有源滤波器的研究方向主要是电压型有源滤波器 2.1.5有源滤波器的分类比较 按照不同的划分标准，有源滤波器有多种分类的方法，分别介绍如下图2.4为有源滤波器的分类框图 1、根据接入电网的方式不同，分为两大类：并联型有源滤波器和串联型有源滤波器；并联型有源滤波器与负载并联接入电网，它主要适用于电流型负载的谐波、无功和负序电流的补偿串联型有源滤波器与负载串联接入电网，主要消除电压型谐波源对系统的影响 图2.3 电压型有源滤波器主电路图 2、根据主电路的储能元件不同，分为电压型有源滤波器和电流型有源滤波器两 种在上节已有详细介绍 3、根据主电路所使用的PWM变流器数量，可以分为单个主电路有源滤波器和多重化主电路的有源滤波器后者可以提高有源滤波器的容量，降低单个器件的工作频率 4、根据接入系统的不同，可以分为单相有源滤波器和三相有源滤波器后者又可以分为三相三线制有源滤波器和三相四线制有源滤波器 本文介绍的有源滤波器主要根据接入电网方式的不同进行分类。
1、并联型有源滤波器 (1) 单独使用的并联型有源滤波器 单独使用的并联型有源滤波器系统构成的原理如图2.5所示图中负载为产生谐波的谐波源，变流器和与其相连的电感、直流侧储能元件(图中为电容)共同组成有源滤波器的主电路与有源滤波器并联的小容量的一阶高通滤波器(或采用二阶高通滤波器)用于滤去有源滤波器所产生的补偿电流中开关频率附近的谐波，它们均可用于单相或三相系统由于有源滤波器的主电路与负载并联接入电网，故称为并联型又由于其补偿电流基本上由有源滤波器提供，与其它方式相区别，称之为单独使用方式这是有源滤波器中最基本方式，也是目前应用最多的方式，本文也主要是讨论这种类型的滤波器 有源滤波器并联型串联型单独使用方式与LC滤波器混合使用方式单独使用方式与LC滤波器并联与LC滤波器混合使用方式与LC滤波器串联注入电路方式LC串联谐振方式LC并联谐振方式图2.4 有源滤波器的分类 图2.5 单独使用的并联型有源滤波器 (2) 与LC滤波器混合使用方式 这种方式正是为了克服上一种方式要求容量较大的这一缺点而提出的其基本思想是利用LC滤波器来分担有源滤波器的部分补偿任务由于LC滤波器与有源滤波器相比，其优点在于结构简单、易于实现且成本低，而有源滤波器的优点是补偿性能好。
两者结合同时使用，即可克服有源滤波器容量大、成本高的缺点，又可使整个系统获得较好的性能 并联型有源滤波器与LC滤波器混合使用的方式又可以分为两种：一种是有源滤波器与LC滤波器并联，另一种是有源滤波器与LC滤波器的串联图2.6(a)是有源滤波器与LC滤波器并联方式的一种 有源滤波器和LC滤波器均与谐波源并联接入电网，两者共同承担谐波补偿的任务，LC滤波器主要补偿较高次的谐波，是一个高通滤波器这里，高通滤波器一方面用于消除补偿电流中因主电路中器件通断而引起的谐波，另一方面它可滤除补偿对象中次数较高的谐波，从而使得对有源滤波器主电路的器件开关频率的要求有所降低这种方式中，由于LC滤波器只分担了少部分补偿谐波任务，故对降低有源滤波器的容量起不到明显的作用但因对有源滤波器的主电路中器件的开关频率要求不高，所以实现大容量相对容易一些 图2.6(b)是有源滤波器与LC滤波器并联方式的另一种方式在这种方式中，LC滤波器包括多组单调谐滤波器，承担了绝大部分补偿谐波和无功的任务 (a) (b)图2.6 并联型有源滤波器与LC滤波器并联方式图2.7 并联型有源滤波器与LC滤波器串联方式 有源滤波器的作用是改善整个系统的性能，所需容量与单独使用方式比可大幅度降低。
图2.7所示为并联型有源滤波器与LC滤波器串联方式的原理图该方式中，谐波和无功功率主要由LC滤波器补偿，而有源滤波器的作用是改善LC滤波器的滤波特性，克服LC滤波器的易受电网阻抗的影响、易与电网阻抗发生谐振的缺点这种方式中，有源滤波器不承受交流电源的基波电压，因此装置容量小由于有源滤波器与LC滤波器仍是与谐波源并联入电网，故仍将其归入并联型 2、串联型有源滤波器 串联型有源滤波器包括单独使用方式和与LC滤波器混合使用方式两种 (1) 单独使用的串联型有源滤波器 图2.8是这种方式的原理图这种方式的特点是有源滤波器作为电压源串联在电源和谐波源之间主要用于补偿可看作电压源的谐波源，这种谐波源的一个典型例子是电容滤波型整流电路，这种整流电路从交流侧可被看作电压源，串联型有源滤波器输出补偿电压，抵消由负载产生的谐波电压，使供电点电压波形成为正弦波 (2) 与LC滤波器混合使用方式 图2.9是这种方式的原理图这种方式在并联的负载和LC滤波器与电源之间串入有源滤波器其特点与图2.7所示的方式类似，谐波基本由LC滤波器补偿，而有源滤波器的作用是改善LC滤波器的滤波特性可将有源滤波器看作一个可变阻抗，它对基波阻抗为零，对谐波却表现为高阻抗，阻止谐波电流流入电网。
从另一个角度说，有源滤波器起到了谐波隔离的作用这样还可抑制电网阻抗对LC滤波器的影响，以及抑制电网与LC滤波器之间可能发生的谐振，从而极大的改善LC滤波器的性能 图2.8 单独使用的串联型有源滤波器 图2.9 与LC滤波器混合使用的有源滤波器 从上面可总结出串联型有源滤波器的优点是：装置容量小、运行效率高；对谐波电压源类型的负荷有较好的补充特性其缺点是：损耗较大、绝缘强度高、难以适应线路故障条件以及不能进行无功功率动态补偿，其工程实用性受到限制；串联型有源滤波器的投切、故障后的退出及各种保护也较并联型有源滤波器复杂 通过上述各种滤波器的性能比较和分析，权衡各种滤波器的利弊，本文研究具有高适用性，高性价比及将具有高普及性的并联型有源滤波器并在设计中加入了高通滤波器组，用以消除开关频率附近的高次谐波 2.2无源滤波器 无源滤波器是利用电路的谐振原理，即当发生某次谐波的谐振时，装置对该次谐波形成低阻通路，从而达到滤除谐波的目的在结构上它是由电力电容器、电抗器和电阻经适当组合而成，运行中与谐波源并联，除了起滤波外还兼顾无功补偿的作用无源滤波器具有投资少、造价低、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便，在吸收高次谐波方面效果明显等优点。
2.3有源滤波器和无源滤波器的比较 PF成本低、技术成熟，还可补偿无功功率，但存在以下不足： 1、只能对特定谐波进行滤波谐振频率依赖于元件参数，因此单调谐滤波器只能消除特定次数的谐波，高通滤波器只能消除截止频率以上的谐波 2、滤波器参数影响滤波性能由于调谐偏移和残余电阻的存在，调谐滤波器的阻 抗等于零的理想条件是不可能出现的，阻抗的变化大大妨碍了滤波效果LC参数的漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定 3、对于谐波次数经常变化的负载滤波效果不好当滤波器投入运行之后，如果谐波的次数和大小发生了变化，便会影响滤波效果并且需要根据谐波次数的多少，设置多个LC滤波电路 4、滤波特性依赖于电网参数电网的阻抗和谐波频率随着电力系统的运行工况随时改变，对谐波电流的滤除效果受电力系统阻抗的影响较大 5、可能与系统阻抗发生串并联谐振PF可能与系统阻抗发生串联或并联谐振，从而使装置无法运行，使该次谐波分量放大，使电网供电质量下降 6、随着电源侧谐波源的增加，可能会引起滤波器的过载，电网中的某次谐波电压可能在LC网络中产生很大的谐波电流 7、同一系统内，在装有很多滤波器的情况下，欲取得高次谐波流入的平衡很困难。
8、电容器组无功功率补偿能力与公共连接点电压的平方成正比，补偿效果并不理想 9、消耗大量的有色金属，体积大，占地面积大与PF相比，APF具有以下一些优点： 1、滤波性能不受系统阻抗的影响 2、不会与系统阻抗发生串联或并联谐振，系统结构的变化不会影响治理效果 3、原理上比PF更为优越，用一台装置就能完成各次谐波的治理 4、实现了动态治理，能够迅速响应谐波的频率和大小发生的变化 5、由于装置本身能完成输出限制，因此即使谐波含量增大也不会 6、具备多种补偿功能，可以对无功功率和负序进行补偿 7、谐波补偿特性不受电网频率变化的影响 8、可以对多个谐波源进行集中治理 3谐波电流检测方法研究 3.1概述 谐波电流的正确检测，要求正确选择检测点，精确地、无延时地获得高次谐波的各种信息，以便于控制补偿电流的产生必须根据有源滤波器不同的补偿目的，来选择相应的高次谐波检测方法和补偿电流的控制方案 准确、实时地检测出电网中瞬态变化的畸变电流，是有源滤波器进行精确补偿的关键谐波电流的检测方法可分为频域和时域两大类，基于频域的检测方法主要有带阻滤波器检测法和快速傅立叶变换法等，由于它们固有的缺陷，滤波效果较差，不能满足准确、实时性的要求。
为了克服频域检测方法的不足，本文应用时域检测方法中的瞬时无功功率理论进行谐波电流检测重点讨论采用瞬时无功功率理论进行谐波检测和处理，检测的速度和精度与数据处理的时间和负载的变化率有关在本文中假定非线性负载不变近年来，自适应检测方法、预测检测方法、基于滑模原理的检测与控制方法等新型检测控制方法不断发展并被人们运用，但每种方法都存在不足之处，需要进一步的验证与完善 三相电路瞬时无功功率理论自提出以来，在许多方面得到了成功的应用以该理论为基础，可以得出谐波及无功电流的实时检测方法借助该方法构成的有源滤波器可以对大小、频率都变化的谐波以及无功进行补偿它可分为p-q法，和由其演变发展出的ip-iq法和d-q法 3.2谐波检测方法的发展趋势 1、由确定性的慢时变的谐波检测转变为随机条件下的速动、暂态谐波跟踪，是电力系统安全稳定运行深入发展的需要； 2、谐波检测算法向复杂化、智能化发展：求解方法从直观的函数解析，进入复杂的数值分析和信号处理领域；谐波检测与谐波分析如何相互配合针对非稳态波形畸变，寻求新的数学方法，如小波变换等，是人们关注的方向； 3、硬件设备的精度、速度和可靠性的快速发展，为实现高性能算法和实时控制奠定了基础，如研究多通道谐波分析仪和电能质量检测仪； 4、谐波检测与实时分析、控制目标相结合，使检测与控制集成化、一体化； 5、建立更为完善的功率定义和理论，将新理论应用于谐波检测，提出新的检测方法和检测手段，使谐波测量在精度和实时性方面取得突破； 6、研究谐波特性辨识方法，为高精度检测方法提供依据。
3.3瞬时无功功率理论 三相电路瞬时无功功率理论自提出以来在许多方面得到了成功的应用，它可以用于对有源滤波器的谐波电流和无功电流进行实时检测瞬时无功功率理论的基本思想是，对输入信号进行变换使其中的基频分量转化为直流量，而其他的倍频分量仍然为交流变化量，通过低通滤波提取包含基频信息的直流量，再反变换就得到了基频分量 瞬时无功功率的实质是将n次谐波变换为n-1次谐波信号，故一般的5，7，11，13，17，19等奇次谐波将变为200Hz，300Hz等的交流信号，而基频分量变为直流信号由数字信号处理方面的理论，将直流信号从包含200Hz甚至更高频率的信号中分离出来，低通滤波器的参数要经过综合考虑，才能满足很高的滤波精度和足够快的响应速度 设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为、 、为分析问题方便，把它们变换到α-β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e、e，和两相瞬时电流i、i (3.1) (3.2)式中 (3.3) 由矢量图可知： (3.4) (3.5) (3.6) (3.7) (3.8) (3.9) （3.10）式中 （3.11）3.3.1基于p、q运算方式的谐波电流检测 该方法的矢量图如图3.1所示。
根据定义计算出p、q，经低通滤波器(LPF)得p、q的直流分量电网电压无畸变时，p为基波有功电流与电压作用所产生，q为基波无功电流与电压作所产生由qp、即可计算出被检测电流、、的基波分量与、、 图3.1 α-β坐标系中的电压、电流矢量 (3.12) 将、、分别与、、相减，即可得出、、的谐波分量、、当有源滤波器同时用于补偿谐波无功功率时，就需要同时检测出被补偿对象中的谐波和无功电流这种情况下，只需要计算q的通道即可这时，由p即可计算被检测电流、、的基波分量、、为： (3.13) 由于采用了低通滤波器(LPF)求取qp、，故当被检测电流发生变化时，需要经一定的延时但当只检测无功电流时，则不需要低通滤波器，只需要将q反变换即可得出无功电流，得到的无功电流如式(3-14)所示： (3.14) 但是，此方法检测谐波电流的精度受电网电压影响，当电网电压为非对称、发生畸变时会导致检测不准确，需要进一步改进和完善。
3.3.2基于ip、iq运算方式的谐波电流检测 此方法是在ｐ、ｑ法的基础上提出的，其框图如图3.2所示 图3.2 、运算方式框图 图中： 式中该方法中，需要用到与a相电网电压同相位的正弦信号和对应的余弦信号-它们由一个锁相环(PLL)和一个正、余弦信号发生电路得到根据定义可以计算出、，经LPF滤波得出、的直流分量qpii、这里，qpii、是由 ，，产生的，因此由qpii、即可计算出，，，进而计算出， ，与ｐ、ｑ运算方式相似，当要检测谐波和无功电流之和时，只需要断开图3.2中的通道即可而如果只需检测无功电流，则只需要对进行反变换即可 4控制策略的研究 并联有源电力滤波器主回路需要一定的控制方法来调制输入信号，使输入信号成为功率信号作用于被补偿对象采用何种控制策略控制电力电子器件也是有源电力滤波器控制的一个基本问题为了提高有源滤波器的跟踪速度，人们对有源滤波器的控制多从两个方面思考，一种控制的思想就是把电力电子器件的控制直接纳入系统控制之中；另一种就是把APF的控制分为内外两层，其中内层控制直接面向电力电子主回路，外层控制面向补偿对象，根据系统控制目标为内层控制提供参考信号由于内层控制和外层控制相对独立工作，即外层的结果不会影响内层逆变器电力电子器件的控制，这样逆变器的输出可以独立于外层控制而设计；同样外层控制也可以完全独立于逆变器，只需根据系统补偿目标来设计；这样在实际中具有较好的可操作性。
4.1正弦脉宽调制技术 采样控制理论中有一个的原理——冲量等效原理：形状不同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要它们的冲量即变量对时间的积分相等，其作用效果基本相同脉冲越窄，其输出的差异越小上述原理可以称之为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础 图4.1 单相桥式逆变电路 图4.1中逆变器理想的输出电压是正弦波，但逆变电路的输入电压是直流电压，依靠开关管的通、断状态变换，逆变器只能直接输出三种电压值，0，对单相逆变器四个开关管进行实时、适式的通断控制，可以得到图4.2所示在半个周期中有多个脉波电压的交流电压只要图4.2中的电压波在每一时间段都与该时间段中正弦电压面积(冲量)相等，则它们作用与L、 R电路时所形成的电流响应就相同因此要使二者等效，除每一时间段的面积相等外，每个时间段的电压脉冲还必须很窄，这就要求脉波数量P很多脉波数越多，不连续的按正弦规律改变宽度的多脉波电压就越等效于正弦电压从另一方面分析，对开关器件的通断状态进行实时、适式的控制，使多脉波的矩形脉冲电压宽度按正弦规律变化时，通过傅立叶分析可知，输出电压中除基波外仅含某些高次谐波而消除了许多低次谐波，开关频率越高，脉波数越多，就能消除更多的低次谐波。
如果按同一比例改变所有矩形脉波的宽度，则可以成比例地调控输出电压中的基波电压数值这种控制逆变器输出电压大小及波形的方式被称为正弦脉宽调制SPWM(Sinusoidal Pulse Wide Modulation) 如果给出了逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期的。