有源电力滤波器.pdf

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1、 分类号 密级 U D C 编号 CENTRAL SOUTH UNIVERSITY 硕 士 学 位 论 文硕 士 学 位 论 文 论 文 题 目 并联型有源电力滤波器 的研究与设计 学科、专业 控制科学与工程 研究生姓名 伍海军 导师姓名及 专业技术职务 申群太 教 授 原 创 性 声 明 原 创 性 声 明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的

2、说明。作者签名：日期：年 月 日 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名：导师签名 日期：年 月 日 I摘摘 要要 随着电力电子装置的广泛使用，电网谐波污染越来越严重，而用户对电能质量的要求越来越高，因此，谐波治理已经成为电力领域主要研究和急需解决的问题

3、。有源电力滤波器（APF）以其优越的补偿性能，在综合治理“电网污染”方面是最有效和最具有发展前景的，而其中并联型有源电力滤波器（APF）应用最广泛。论文首先详细介绍了有源电力滤波器的基本原理、研究现状及其发展趋势，并介绍了有源电力滤波器的分类，重点分析了三相三线制并联型APF的主电路拓扑结构及其数学模型的建立。然后详细分析了基于瞬时无功功率理论的pq运算检测方法与改进的pqii运算检测方法的两种谐波检测方法并进行了对比研究，对低通滤波器的设计和系统延时补偿进行了研究，通过对改进的pqii运算检测方法的仿真研究，验证了该方法在不同情况下对谐波电流检测的可行性和正确性。针对谐波补偿中模糊自整定的递

4、推积分PI控制和滞环电流控制各自的优缺点，提出了模糊自整定的递推积分PI控制和滞环电流控制的复合控制方法，其中滞环电流控制用来提高系统的动态响应速度，而模糊自整定的递推积分PI控制则是用来保证系统的静态精度。并且为了保证有源电力滤波器直流侧电压的稳定，本文采用PI控制器来控制直流侧的电压，并通过matlab仿真研究，验证了复合控制算法既具有动态响应速度快又具有无稳态误差的特点，实现了无差控制。最后设计了基于TMS320F2812数字信号处理器的有源电力滤波器控制系统，并对其硬件和软件设计进行了详细论述。关键词关键词：谐波补偿，有源电力滤波器，电流检测，模糊自整定PI控制，滞环电流控制 IIAB

5、STRACT With the widespread use of power electronic devices,grid harmonic pollution become more and more serious,but high power quality has become increasingly demanding for users.Therefore,harmonic wave management has become a major research field and a urgent problem.Active power filter(APF)with it

6、s superior compensation performance is the most effective and promising in the comprehensive management of grid pollution,in which shunt active power filter(APF)is the most widely used.This Paper first introduces the basic principle of active power filter,current research situation and development t

7、rends,and describes the classification of active power filters,the emphasis is to analyze the main circuit topology and its mathematical model established of the three-wire three-wire shunt APF.Then,this paper has a detailed analysis of p-q computational detection method based on the instantaneous r

8、eactive power theory and improved ip-iq computational detection of harmonic detection method,and studies the two methods comparatively,and low-pass filter design and system delay compensation has been studied.Through the simulation study for the Improved computing detection method,it verifies that t

9、he method is feasible and correct.to detect the harmonic current in different situations.For their own advantages and disadvantages of self-adaptive fuzzy recursive integral PI control and hysteretic current control in harmonic compensation,this paper raises a combined control method that includes a

10、 fuzzy self-adaptive recursive integral PI control and hysteresis current control,in which hysteretic current control is used to improve the dynamic response speed of system and the self-adaptive fuzzy recursive PI control is used to ensure that the static accuracy.In order to ensure the stability o

11、f DC voltage in active power filter,we use the PI controller to control the DC voltage,and through the simulation of matlab,it verifies that the combined control algorithm has fast response time with no steady-state error characteristics,realizing no-error control.IIIFinally,this paper designs the a

12、ctive power filter control systembased on the TMS320F2812 digital signal processor,and its hardware and software design are discussed in detail.KEY WORDS:Harmonics compensation,active power filter,current detection,Fuzzy self-adaptive PI control,hysteretic current control IV目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 第一章

13、 绪论.1 1.1 课题研究的背景概述.1 1.2 谐波的危害和治理意义.2 1.3 谐波治理的措施.3 1.4 有源滤波技术的研究现状和发展趋势.4 1.5 本文的主要研究内容.5 第二章 有源电力滤波器的基本原理及拓扑结构研究.7 2.1 有源电力滤波器的基本原理.7 2.2 有源电力滤波器的分类.8 2.2.1 按应用场合的不同分类.9 2.2.2 按变流器直流侧储能元件的不同分类.9 2.2.3 按供电方式的不同分类.10 2.2.4 按与电网的接入方式的不同分类.11 2.3 并联型有源电力滤波器的主电路结构的研究.15 2.3.1 并联型有源电力滤波器主电路的数学模型.15 2.3

14、.2 LCL滤波器的特性分析.16 2.3.2 LCL滤波器的设计.18 2.4 本章小结.19 第三章 有源电力滤波器的谐波电流检测方法研究.20 3.1 谐波电流检测方法的研究现状.20 3.2 采用瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法.21 3.2.1 三相瞬时无功功率的基本理论.21 3.2.2 pq运算检测方式.24 3.2.3 改进的pqii运算检测方式.25 3.2.3 pq运算检测方法与改进的pqii运算检测方法的比较.27 3.3 低通滤波器（LPF）的设计.28 3.4 延迟时间的分析.30 3.5 仿真结果分析.31 3.6 本章小结.34 第四章 有源电力滤波器的控制策略

15、研究及仿真分析.35 4.1 有源电力滤波器（APF）控制的研究现状概述.35 V4.1.1 并联型APF控制方式的比较.36 4.1.2 有源电力滤波器的补偿电流跟踪控制方法.37 4.2 并联型APF的复合型电流跟踪控制算法研究.38 4.2.1 递推积分PI 控制算法.39 4.2.2 递推积分PI控制算法的稳态无差特性分析.40 4.2.3 模糊自整定的递推积分PI 控制算法.41 4.2.4 模糊自整定的递推积分PI 控制器的设计.42 4.2.5 滞环电流控制.46 4.2.6 复合控制.46 4.3 主电路直流侧电压的控制.48 4.4 仿真结果分析.50 4.5 本章小结.57

16、 第五章 基于 DSP 的有源电力滤波器控制系统的设计.58 5.1 控制系统的硬件设计.58 5.1.1 双电源供电的设计.59 5.1.2 电流检测电路设计.59 5.1.3 a 相电压过零检测电路.60 5.1.4 光电隔离电路设计.60 5.1.5 直流侧电压检测电路的设计.61 5.2 控制系统的软件设计.62 5.2.1 主程序.62 5.2.2 中断服务程序.63 5.3 本章小结.65 第六章 总结与展望.66 参考文献.68 致 谢.73 攻读硕士学位期间发表的论文.74 中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 1第一章 绪论 第一章 绪论 近几十年来，随着科学技术的发展和社会的

17、进步，电能已经成为人们生活和现代社会生产中最主要的和必不可少的重要能源，尤其是近几十年来电力电子装置在工业生产中的广泛应用，电力系统中的谐波污染随着非线性负载的容量和数量的增加而越来越严重，然而用户及电力网中的设备等对电能质量的要求也越来越高，因此，为解决日趋严重的谐波污染与越来越高的电能质量问题已经成为了当今科技工作者研究的重点问题12。而有源电力滤波器（Active Power Filter-APF）由于具有无源电力滤波器所无法实现的优点，因此受到广泛的重视，成为最近国内外供电系统谐波治理研究的热点。本章从课题研究的背景出发，探讨了谐波治理的研究意义和主要的治理措施，阐述了有源滤波技术的发

18、展概况和国内外研究现状，最后介绍了本论文的主要内容。1.1 课题研究的背景概述 1.1 课题研究的背景概述 电力系统中的波形畸变问题已经不是一个新现象，一直都是电力领域研究者所关注和研究的问题。在上世纪 20 年代和 30 年代的德国，研究工作者由静止汞弧变流装置引起的波形畸变问题提出了电力系统谐波的概念3。Read J.C.在 1945 年发表了The Calculation of Rectifier and Converter Performance Characteristics的文章，此文阐述了有关静止变流装置产生的谐波问题。在上世纪50年代和60年代，随着高压直流输电技术迅速的发展，

19、进一步推动了变流装置谐波问题的研究，并且在这一时期发表了大量有关谐波问题的经典论文23。Kimbark E.W.在其著作Direct Current Transmission中对此问题进行了详细的总结。而我国对谐波治理问题的研究起步比较晚。吴竞昌等1988年出版的 电力系统谐波 一书是我国关于谐波问题研究早期比较有影响的著作。后来，许克明等也于1991年出版了 电力系统高次谐波 一书，夏道止等在1994年出版了高压直流输电系统的谐波分析及滤波一书等等，这些著作和论文都对人们认识和研究谐波问题作出了非常大的贡献。在1998年，王兆安等出版的谐波抑制和无功功率补偿一书是国内到目前为止比较全面的介绍

20、谐波问题分析和治理措施的著作，特别是其中关于有源电力滤波器的分析和研究，被国内好多研究专家者们广泛的引用和参考228。近几年来，国内许多期刊和一些会议上发表的有关谐波治理问题的研究文章也越来越多，谐波治理问题已经中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 2成为当今的研究热点问题。因此可以说，虽然我国对谐波问题的研究起步比较晚，但是经过最近二三十年的研究和发展，许多研究者和电力行业专家对电力谐波问题的研究做出了巨大的贡献，与国外对谐波问题的研究水平的差距越来越小。近年来，随着我国经济建设的飞速发展，特别是最近电力电子技术的迅速发展，在现代实际工业应用场合中，非线性用电设备的种类、数量和用电量等飞速增加

21、，如：电力电子变流装置、电弧炉、电焊机等等。从而导致了电网中的谐波含量增加，严重影响了电网和用户的正常运行。为了避免此类谐波问题的严重危害，许多国家和国际组织制订了限制用户的用电设备谐波的标准，主要有IEEE 519标准和IEC 5552标准等45。由于有谐波标准的规定，从而使得生产电力电子装置的厂家必须采取措施来降低其产品产生的谐波。因此，研究消除或减少电力网中的电力电子变流装置所产生的谐波不仅仅是要严格贯彻执行国家相应的电气标准，也是有效改善电力网中的电能质量、提高电力网的运行效率，维护电力系统中的电气设备的安全稳定工作的电气环境所迫切要求的。因此，谐波治理问题的研究是当前社会电力学科研究

22、的热点问题之一。1.2 谐波的危害和治理意义 1.2 谐波的危害和治理意义 近几十年来，随着电力电子技术的飞速发展，大功率开关器件在现代工业和日常生活中得到了广泛的应用，如：电力电子变流装置、电弧炉等。使得电网电压和电流波形产生了严重的畸变，不是正常的正弦波，给公用电网中注入了大量的高次谐波，严重影响了电气设备的正常运行，由谐波污染引起的各种故障和事故也不断发生。因此，电力系统谐波危害的严重性引起了人们的高度重视。目前电力系统谐波污染对电力系统和接入电力网中的其他电气设备产生的严重危害主要有以下几个方面45：（1）由于谐波的影响，增加了电力网中的元器件产生的附加谐波损耗。高次谐波频率加大了输电

23、线的谐波电阻，从而使谐波电流增大了线路损耗，大大地降低了发电、输电以及用电设备的效率；此外，大量的3次谐波电流通过中线时会使线路过热甚至发生火灾。（2）谐波会影响接入电网中的用电设备的正常工作。如使电动机增加附加损耗，使其发热，缩短使用寿命等。（3）容易使公用电力网中发生局部并联或串联谐振，引起过电压或过电流，使电力网中的电容器、输电线路等绝缘老化，甚至会造成严重的事故。（4）谐波会导致继电保护装置的误动作，并会使电气测量仪表的测量不够准确。中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 3（5）谐波会使周边的通信设备造成干扰，甚至会导致整个通信系统的瘫痪。由上述分析可知，对电能质量的评价不能仅用频率和电

24、压这两个指标了，谐波已成为评价电能质量的另一个重要指标。因此，无论是从保障电力系统的正常运行的角度看，还是从用户用电设备的正常工作的角度看，有效地治理谐波，将谐波含量限制在允许范围之内，给电网营造一个良好的电气环境，即“绿色电网”，已经成为现在电力研究领域所必须解决和重点研究的问题。因此，必须采取有效的措施来抑制它们的影响。目前我国谐波治理的水平还不是太高，因此目前对谐波治理问题的研究具有十分重要的理论和实际意义。1.3 谐波治理的措施 1.3 谐波治理的措施 目前谐波治理的措施主要有三种26：一是受端治理方式，即是从受到谐波影响的设备或者系统出发，提高它们抗谐波的干扰能力，如选择适当的供电方

25、式，可以减少谐波对电网和用电设备的影响，可以改变接入电网中的电容器组的投入情况，减少电容器对谐波的放大作用，还可以提高接入电网中的设备性能来提高它们抗谐波的干扰能力；二是主动治理方式，即是从谐波源自身出发，使谐波源基本上不产生谐波或尽量降低谐波源产生的谐波，如增加变流装置的脉动数或相数、采用PWM调制技术、多重化技术或软开关技术等都可以降低变流装置产生的谐波；三是被动治理方式，即是另外加入外部滤波器，阻止非线性负载产生的高次谐波尽可能少的注入电网，或者阻止电力系统中的高次谐波尽可能少的流入负载端。主动治理谐波法的目标主要是对谐波源自身进行改进，虽然能有效的消除谐波，但是不能有效的改善整个电网的

26、性能。而受端治理只是在负载端进行改进，增强设备或系统受谐波的干扰能力，也没有从根本上消除谐波对电网的危害。因此，最有效治理谐波的手段应是被动治理谐波法。被动治理谐波的措施主要有以下几种：（1）采用无源滤波器PFPassive Filter（）。在谐波源附近或者公用电力网中装设单调谐及高通滤波器929。PF成本低、运行维护也比较简单、技术比较成熟，还可补偿无功功率，但是还存在一些不足：只能对特定次谐波进行滤波，对接入电网中产生谐波次数不断变化的负载其滤波效果不理想；滤波器的参数容易受影响，使其滤波器的稳定性不太好；滤波器性能受电网参数影响，可能与系统发生串联或并联谐振。（2）采用有源滤波器APF

27、Active Power Filter（）。在谐波源附近及公用电力网中装设并联型或者串联型APF，对补偿或隔离谐波的效果很好，并联型APF还可以进行无功功率的补偿，但是装置成本比较高30。与PF相比，APF具有以中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 4下一些优点：滤波器性能不受电网参数影响，不会与电力系统发生谐振现象，可以对动态变化的谐波电流进行实时跟踪补偿，并且还具有多种功能，可以对无功功率以及负序电流等进行有效的补偿。（3）采用混合型有源滤波器HAPFHybrid Active Power Filter（）。HAPF兼有PF成本低和APF性能优越的特点，是APF的分支和发展。HAPF的种类较

28、多，大体可分为与PF的混合、与其它变流装置的混合等两大类7。因此，面临如此严重的谐波污染问题，提高电能质量的最有效的方法无疑是采用APF和HAPF。早在上世纪 70 年代有源滤波的概念就已经提出来了，但是由于当时电力电子技术不够成熟，功率半导体器件的制造水平有限，APF未能得到迅速的发展。但是。最近几十年来，随着电力电子技术的不断发展，谐波检测方法理论的不断完善，先进控制算法的优化应用，以及数字化技术的不断进步，有源滤波技术得到了空前的发展，在现代工业中已经进入实际应用的阶段910。1.4 有源滤波技术的研究现状和发展趋势 1.4 有源滤波技术的研究现状和发展趋势 近几十年来，随着有源电力滤波

29、技术的不断发展和进步，谐波治理的方法开始从无源滤波器向有源电力滤波器的转变。早在上世七十年代初期，H.Sasaki等就首次比较完整地提出了有源电力滤波器的基本概念。但是由于当时功率半导体器件的制造水平有限，其全控型功率器件功率小、频率低，因而使得 APF只局限于实验室的研究，未得到推广和应用。进入 80 年代以后，随着电力电子技术的迅速发展，特别是大功率半导体器件(GTRGTOIGBT，等)的出现，以及对谐波电流检测方法理论和电流跟踪控制算法的深入研究，特别是“瞬时无功理论的提出”，解决了谐波和无功功率的瞬时检测不精确等问题，对有源电力滤波器的研究和开发起到了很大的作用，从而使得有源电力滤波器

30、的研制在八十年代初走出了实验室，在工业上得到了广泛的应用，已经进入了实际应用阶段12。自 1980 年代中期以来，有源电力滤波器的研究己成为了电力电子技术领域中的研究热点之一。许多发达国家在 APF 研究领域取得一系列研究成果，主要有：1986 年Akagi提出的并联APF；1987 年，Takeda等提出的并联APF加PPF的混合有源电力滤波器（HAPF）；1988 年，F.Z.peng等提出的串联APF加PPF的HAPF等等。在 1990 年以后，有源电力滤波器的研究主要集中在电力电子新器件的应用和控制策略上的改进，数字化技术的应用等方面，在其主电路的拓扑结构和基本原理上没有大突破1531

31、。目前，许多国际著名公司，如ABB，TOSHIBA，SIEMENS等，都有相应的部门从事有源电力滤波器方面的研究和中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 5产品开发的工作。自上世纪九十年代以后，有源电力滤波器在日本、美国、德国等国家得到了广泛的应用。在日本，迄今为止有500多台APF投入生产中运行，容量从50KVA到60MVA不等。而我国在有源电力滤波器领域的研究起步较晚，直到 1989 年才有APF方面的文章发表，在研究上近年来也取得了很大的成就，但是在工业现场应用和产业化等方面还是不多。研究机构主要集中在高校和一些科研机构，基本上是理论仿真研究或者试验研究，在工程实际应用研究等方面与国外相比，

32、还有一定的差距17。从近几年的研究和应用中可以看出APF发展趋势主要体现在以下几个方面18 2032：（1）提高有源电力滤波器的控制精度。研究更为完善、精度更高的谐波电流和电压检测方法，可以采用PWM调制和多重化技术来提高开关器件的效率，减少开关损耗，能更好的实现对高次谐波的有效补偿。（2）降低有源电力滤波器的成本。目前，有源电力滤波装置的成本较高，可以考虑采用APF与LC无源滤波器网络并联使用的有源电力滤波装置，来减小APF的容量，从而可以降低滤波装置的成本、提高补偿效率。（3）增加补偿装置的容量。随着电力电子装置的广泛应用，大容量的电力谐波补偿装置的研制也变得越来越重要。从目前的发展趋势来

33、看，混合型APF由于其容量较大、功能较强、性价比高，将是一种发展前途很好的有源电力滤波装置。（4）改善滤波装置的补偿性能。有源滤波器的谐波电流检测、电流跟踪控制和脉冲信号的产生等是决定有源电力滤波器补偿性能好坏的重要因素，因此，对谐波电流检测方法理论、先进的控制算法和预测算法等方面的研究需进一步深入研究。（5）优化滤波电路的参数。可以降低主电路中的逆变器的容量要求、开关损耗和成本。（6）滤波装置的功能多样化。将有源电力滤波器应用到各个方面，使其得到更为广泛的应用，如谐波电流补偿、无功补偿、实时监控显示和电压调整等等。1.5 本文的主要研究内容 1.5 本文的主要研究内容 本文主要从以下几个方面

34、对有源电力滤波器（APF）进行了深入研究：第一章为绪论。详细介绍了课题研究背景、电网谐波的严重危害、治理措施以及国内外有源电力滤波器（APF）的研究现状、发展前景和应用领域；中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 6第二章是从有源电力滤波器（APF）的基本原理出发，对有源电力滤波器（APF）进行了分类，并重点分析了三线三线制并联型APF的主电路拓扑结构及其数学模型的建立和LCL滤波器的设计；第三章是从三相瞬时无功功率理论的分析研究入手，首先介绍了目前谐波电流检测的研究现状，然后重点对基于该理论的pq运算检测方法与改进的pqii运算检测方法的两种谐波检测方法进行对比研究，并对低通滤波器（LPF）的设

35、计和系统延时也进行了分析和研究，最后对改进的pqii运算检测方法进行了仿真研究，验证了该方法在不同情况下对谐波电流检测的可行性和正确性。第四章首先介绍了目前有源电力滤波器（APF）控制策略的研究现状，重点对模糊自整定的递推积分PI 控制算法和滞环电流控制算法进行了对比分析研究，提出了基于模糊自整定的递推积分PI控制和滞环电流控制的复合控制算法，并对直流侧电压控制也进行了研究，最后通过仿真分析研究，验证了复合控制算法既具有动态响应速度快又具有无稳态误差的特点，实现了无差控制；第五章设计了基于TMS320F2812的有源电力滤波器（APF）的控制系统，并对其硬件和软件设计进行了详细的阐述。第六章是

36、总结与展望，是对本文研究内容和研究成果的归纳和总结，并对有源电力滤波器（APF）的进一步研究进行了展望。中南大学硕士学位论文 第二章 有源电力滤波器的基本原理及拓扑结构研究 7第二章第二章 有源电力滤波器的基本原理及拓扑结构研究有源电力滤波器的基本原理及拓扑结构研究 有源电力滤波器主要是通过电力有源逆变的方式产生谐波电流注入电网来消除或减少由负载产生的谐波电流，是一种既能动态补偿谐波又可以同时实现无功功率补偿的新型电力电子装置。这种滤波装置能对幅值大小和频率都不断变化的谐波及变化的无功进行有效补偿，从而克服了LC滤波器等传统的无源滤波网络来治理谐波和补偿无功的缺点。因此，有源电力滤波器是目前电

37、力科学中研究的热点问题。本章首先简要介绍了有源电力滤波器的基本工作原理，然后介绍了有源电力滤波器的分类，最后详细阐述了三相三线制的LCL型并联有源电力滤波器的拓扑结构及数学模型。2.1 有源电力滤波器的基本原理 2.1 有源电力滤波器的基本原理 不管是无源电力滤波还是有源电力滤波，其基本原理只有两种：分压原理和分流原理7。由第一章绪论分析和讨论可知，由于受无源滤波器工作机理的限制，无源滤波器（PF）只能对某些特定次的谐波有抑制作用，达不到人们预期的滤波效果。与PF相比，有源滤波器（APF）既弥补了无源滤波器的缺点又具有高度可控性和快速响应性等特点。图 2-1 所示为最基本的并联型有源电力滤波器

38、的系统原理图。主电路检测电路驱动电路电流跟踪控制电路APF电源非线性负载CiLiSieSCRLHPF指令电流 图 2-1 并联型有源电力滤波器系统结构图 图中交流电源用se表示，交流电流用si表示，而谐波源为非线性负载，它产生高次谐波并且同时会消耗无功功率。有源电力滤波器系统主要由两大部分构成，即指令电流检测运算电路和补偿电流发生电路，而补偿电流发生电路又包括补偿电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分。其中，指令电流检测运算电路主要是检测出由非线性负载产生的电流中的谐波分量，补偿电流发生电路的作用主要是根据指令电流检测运算电路检测出的谐波电流产生的指令信号来产中南大学硕士学位论文 第二章

39、有源电力滤波器的基本原理及拓扑结构研究 8生补偿滤波电流。主电路目前主要是用PWM变流器。作为主电路的 PWM 变流器，虽然既可工作在整流状态又可工作在逆变状态，但在有源电力滤波系统中，主要是产生补偿滤波电流，因此主要工作在逆变器状态，很多文献中又称为变流器。但在实际工作状态中，电网又必须向有源电力滤波器的直流侧储能元件充电，它又工作在整流状态，并且两种工作状态无法严格区分，因此在本文中也将其称为变流器。有源电力滤波器APF的基本工作原理是，通过电压和电流互感器检测由补偿负载产生的电压和电流，经指令运算电路计算得出补偿电流的指令控制信号，该信号经补偿电流跟踪控制电路放大来产生驱动变流器的开关控

40、制信号，得到补偿滤波电流，补偿滤波电流与负载电流中的谐波电流分量相互抵消，最终得到理想的正弦电源电流79。例如，当需要滤除配电网中由负载所产生的谐波电流时，首先由有源电力滤波器APF的电流检测电路检测出补偿对象负载电流Li中的谐波电流分量Lhi，再将Lhi反极性后得到补偿电流的指令控制信号*ci，由*ci作为电流控制信号输入电流跟踪控制电路经控制和放大来产生开关驱动信号，最后控制变流器开关的通断得到补偿滤波电流ci，并且与负载电流中的谐波电流分量Lhi幅值大小相等、且方向相反，从而两者可以互相抵消，使得电源电流si中基本上只含基波电流，不含谐波电流分量。这样就基本上抑制了电源电流中谐波电流的目

41、的。上述原理可以用下面的一组公式描述为 sLcLLfLhcLhsLcLfiiiiiiiiiiii=+=+=+=（2-1）上式中Lfi基波电流分量。上述详细分析了有源电力滤波器的谐波补偿原理，如果有的工作场合既要补偿谐波又要补偿负载的无功功率时，其实原理也挺简单，硬件电路不需改动，只需在补偿电流的指令控制信号中*ci增加与负载电流Li的基波无功分量相反极性的成分就可以了。这样，补偿电流ci不仅可以抵消负载电流Li中的谐波电流分量又可以抵消负载电流Li中的基波无功成分，电源电流si中就只含有负载电流Li的基波有功分量，理论上无功补偿的功率因数可以达到 1。2.2 有源电力滤波器的分类 2.2 有源

42、电力滤波器的分类 自上世纪八十年代以来，经过几十年的发展，不同类型的有源电力滤波器不中南大学硕士学位论文 第二章 有源电力滤波器的基本原理及拓扑结构研究 9断出现，且其技术也日渐成熟，不少已经投入了实际使用。而其分类可以从不同角度来区分，大致可以分为三类2531。按应用场合的不同分类，通常可分为直流型有源电力滤波器和交流型有源电力滤波器；按变流器直流侧储能元件的不同分类，有源电力滤波器（APF）可分为电流源型APF和电压源型APF两种类型；按供电方式的不同分类，有源电力滤波器（APF）可分为单相APF、三相三线制APF、三相四线制APF及有源线路调节器（APLC）等；按与电网的接入方式的不同分

43、类，有源电力滤波器（APF）可分为并联型APF和串联型APF以及混合型APF三大类。2.2.1 按应用场合的不同分类 2.2.1 按应用场合的不同分类 根据有源电力滤波器（APF）应用场合的不同，APF可以分为直流型有源电力滤波器（APF）和交流型有源电力滤波器（APF）两大类。直流型有源电力滤波器（APF）主要用来消除高压直流输电系统中换流器直流侧的谐波电压；交流型有源电力滤波器（APF）主要应用于交流电力系统，是目前研究的主要对象。目前，交流型有源电力滤波器（APF）是目前国内外研究的主要方向，且应用场合较广。最近几年，直流型有源电力滤波器（APF）的研究和发展也很迅速，其主要的应用场合是

44、用来消除高压直流输电领域、电力牵引交通领域中的电源装置以及要求高精度输出的直流电源中的谐波。本文是以交流型有源电力滤波器（APF）为研究对象。2.2.2 按变流器直流侧储能元件的不同分类 2.2.2 按变流器直流侧储能元件的不同分类 根据变流器直流侧储能元件的不同分类，有源电力滤波器（APF）可分为电流源型APF和电压源型APF两类。电流源型有源电力滤波器（APF）的直流侧储存能量的元件为大电感，如图 2-2 所示，有源电力滤波器（APF）具有电流源的性质，其流出的电流几乎稳定不变。抑制谐波电流时具有快速的电流跟踪控制能力，且可靠性高，但是也存在一些不足：大电感的体积比较大，且不是理想的电流源

45、，因此存在一定的内阻，损耗了一定的能量。对于大功率滤波系统目前用的较少。电压源型有源电力滤波器（APF）的直流侧储存能量的元件为大电容，如图2-3 所示，有源电力滤波器（APF）相当于一个电压源，电容两端的电压几乎维持稳定不变。电压源型有源电力滤波器（APF）的工作原理是通过控制变流器的输出电压来控制其输出补偿电流的，且成本低，体积小，能量损耗小，补偿效率高。但是还是存在一些缺点：由于控制的是电压信号，其电流跟踪控制响应速度没有电流源型APF的快，并且当用于高压大功率电力系统中进行谐波和无功补偿时必须要采取保护措施才能使用。就目前来说，主要研究和应用的还是电压型有中南大学硕士学位论文 第二章

46、有源电力滤波器的基本原理及拓扑结构研究 10源电力滤波器。目前，美国、日本和欧洲等国生产的 APF 产品几乎都是采用了该型主电路。非线性负载电源LdcAPF 非 线 性负 载电 源CdcAPF 图 2-2 电流源型 APF 图 2-3 电压源型 APF 综上所述，从各种因素考虑，本课题研究的是基于电压型的主电路结构的有源电力滤波器。2.2.3 按供电方式的不同分类 2.2.3 按供电方式的不同分类 按供电方式的不同分类，有源电力滤波器（APF）可分为单相APF、三相三线制APF、三相四线制APF及有源线路调节器（APLC）等。单相APF又可分为单相串联APF和单相并联APF两种类型，如图 2-

47、4 和 2-5 所示。单相有源电力滤波器（APF）一般都是用于小功率场所、如小型厂房、学校教学楼、医院住院楼等等。由于单相负荷都是带有中线的三相供电系统，会给电力系统带来很大的中线电流、谐波电流、基波无功电流分量甚至引起三相不平衡等现象，因此用单相有源电力滤波器（APF）就不能解决问题了。而三相四线制有源电力滤波器（APF）就能减少此类问题，如图 2-6 所示。而三相三线制有源电力滤波器（APF）多应用于大型厂矿配电网的谐波和无功补偿，实用性较强，如图 2-7 所示。本课题所研究的就是三相三线制有源电力滤波器（APF）。SiLi非线性负载电源 SiLi非 线 性负 载电 源 图 2-4 单相串

48、联型 APF 图 2-5 单相并联型 APF 中南大学硕士学位论文 第二章 有源电力滤波器的基本原理及拓扑结构研究 11 图 2-6 电容中点型三相四线制 APF ase 图 2-7 三相三线制并联 APF 2.2.4 按与电网的接入方式的不同分类 2.2.4 按与电网的接入方式的不同分类 根据与电网的接入方式的不同分类，有源电力滤波器（APF）可分为并联型APF和串联型APF以及混合型APF三大类。如图 2-8 所示。中南大学硕士学位论文 第二章 有源电力滤波器的基本原理及拓扑结构研究 12有源电力滤波器并联型并联混合型串联型单独使用方式注入回路方式串联APF并联PPF单独使用方式并联APF

49、并联PPFAPF与PPF串联后并联接入电网并联谐振式串联谐振式并联APF串联APF 图 2-8 有源电力滤波器（APF）的拓扑结构分类（1）串联型APF 串联型APF的拓扑结构可分为单独使用的方式和与无源网络PPF并联使用的方式等两种形式。如图 2-9 和 2-10 所示。串联型APF通过变压器串联于电网和负载之间，是一种最基本APF的形式之一，它相当于一个电压控制的受控电压源，跟踪负载谐波源产生的谐波电压分量，并且产生与其极性相反的谐波电压，从而达到消除谐波电压的作用。串联型APF有容量小，效率高和能很好消除电压性质的谐波等方面的优点，但是由于其不能对电流源型的谐波进行有效补偿和无功功率动态

50、补偿等缺点，甚至当负载谐波含量很大时，则需要其滤波器装置的容量加大，这样电网中的基波电流通过变压器流入滤波装置，从而要求滤波装置的绝缘强度高和很好的保护措施，实施起来难度太大，在实际工程应用中受到很大的限制。由于有这些缺陷，许多研究工作者提出串联APF与PPF并联使用的拓扑结构。这种拓扑结构的APF，谐波和无功补偿主要由无源滤波网络承担，减轻了APF的负担。而有源电力滤波器APF对电网中的基波电流呈几乎为零的的很小的电阻，而对谐波电流就呈高阻抗，迫使谐波电流流入无源滤波网络PPF，并且可以减小电网阻抗和参数变化对无源滤波网络PPF的影响，但是由于其串联APF还是直接连接在电网中，因此要求其绝缘