本科生畢業(yè)論文姓 名： 學(xué) 號： 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 論文題目： 有源電力濾波器電流控制器設(shè)計指導(dǎo)教師： 職 稱： 2014年6 月 XXXX大學(xué)畢業(yè)論文任務(wù)書專業(yè)年級 學(xué)號 學(xué)生姓名 任務(wù)下達日期：2013 年 10 月 14 日畢業(yè)論文日期：2013 年12月30日至 2014年6月7 日畢業(yè)論文題目：有源電力濾波器電流控制器設(shè)計畢業(yè)設(shè)計專題題目：畢業(yè)論文主要內(nèi)容和要求：主要內(nèi)容：1.研究APF的研究背景、意義和發(fā)展概況；2. APF的結(jié)構(gòu)及工作原理；3. APF主電路參數(shù)的設(shè)計方法；4. 研究APF跟蹤控制方法；5. APF仿真及分析；具體要求： 1.查閱相關(guān)資料，了解APF的結(jié)構(gòu)及工作原理； 2.分析有源電力濾波器諧波檢測方法； 3. APF主電路參數(shù)的設(shè)計及控制策略的分析； 4建立APF仿真模型并進行仿真驗證分析。指導(dǎo)教師簽字： 鄭 重 聲 明本人所呈交的畢業(yè)論文，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行研究所取得的成果。所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)論文的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本論文屬于原創(chuàng)。本畢業(yè)論文的知識產(chǎn)權(quán)歸屬于培養(yǎng)單位。 本人簽名： 日期： XXXX大學(xué)畢業(yè)論文指導(dǎo)教師評閱書指導(dǎo)教師評語（基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；獨立解決實際問題的能力；研究內(nèi)容的理論依據(jù)和技術(shù)方法；取得的主要成果及創(chuàng)新點；工作態(tài)度及工作量；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）：成 績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日XXXX大學(xué)畢業(yè)論文評閱教師評閱書評閱教師評語（選題的意義；基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；綜合運用所學(xué)知識解決實際問題的能力；工作量的大小；取得的主要成果及創(chuàng)新點；寫作的規(guī)范程度；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）：成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日XXXX大學(xué)畢業(yè)論文答辯及綜合成績答 辯 情 況 提 出 問 題回 答 問 題正 確基本正確有一般性錯誤有原則性錯誤沒有回答答辯委員會評語及建議成績：答辯委員會主任簽字： 年 月 日學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組綜合評定成績：學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組負責(zé)人： 年 月 日摘 要 隨著電力電子器件的發(fā)展，電力系統(tǒng)中非線性負荷大量增加。因此，解決日趨嚴(yán)重的諧波污染與電能質(zhì)量要求越來越高的問題成為當(dāng)今科技工作者研究的主要問題。電力有源濾波器以其優(yōu)越的補償性能，已成為電力電子技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點之一。主電路參數(shù)及電流環(huán)跟蹤控制策略是影響有源電力濾波器補償性能的關(guān)鍵因素。本論文通過三相三線并聯(lián)型有源電力濾波器的數(shù)學(xué)模型，討論了主電路參數(shù)的設(shè)計方法及確定參數(shù)的大小，包括：功率開關(guān)器件的選取、直流側(cè)電容、直流側(cè)電壓、交流側(cè)電感。電流環(huán)控制環(huán)節(jié)要求補償電流無誤差的跟蹤指令電流信號，針對無差拍控制方法具有實時性和準(zhǔn)確性的特點，論文采用無差拍控制與SVPWM相結(jié)合的控制方案。通過無差拍控制方法得出的電壓信號經(jīng)SVPWM調(diào)制產(chǎn)生控制主電路開關(guān)器件的通斷的PWM脈沖，產(chǎn)生補償電流。在MATLAB/SIMULINK的仿真平臺下搭建無差拍與SVPWM相結(jié)合的仿真模型，驗證了主電路參數(shù)設(shè)計方法是合理的，分析了交流側(cè)電感值、直流側(cè)電壓值對 APF 性能的影響。仿真結(jié)果表明采用無差拍與SVPWM相結(jié)合的控制方法能快速的跟蹤補償電力系統(tǒng)中的諧波電流，具有良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。 關(guān)鍵詞：主電路參數(shù) ；無差拍 ；SVPWM ；MATLAB/SIMULINKABSTRACTWith the development of power electronic devices, power systems a significant increase in non-linear loads. Therefore, to solve the increasingly serious harmonic pollution and the increasing demands of power quality problems become major issues in todays science and technology research workers. Active power filter to compensate for its superior performance, has become one of the hot technologies in the field of power electronics.The main circuit parameters and current loop tracking control strategy is a key factor affecting the performance of active power filter compensation.In this thesis， from three-phase three-wire shunt active power filter mathematical model， discusses the design of the main circuit parameters and to determine the size parameters， including：select power switching devices，the DC capacitor，the DC voltage， AC side inductance .Current loop control link requires compensation current error-tracking command current signal for deadbeat control method have Timeliness and accuracy characteristics， the paper adopts deadbeat control scheme combines control and SVPWM.By deadbeat control method derived from the voltage signal SVPWM modulation produced by controlling the main circuit switching devices on and off Produce the PWM pulse generating compensation current.In the MATLAB / SIMULINK simulation platform to build deadbeat SVPWM simulation model with a combination to validated circuit parameter design method is reasonable，the influence of the AC side inductance value， the value of DC voltage performance of the APF.The simulation results show that the deadbeat control method combines with SVPWM fast track to compensate the power system harmonic current，with good dynamic performance and steady-state performance.Keywords：Main circuit parameters； deadbeat； SVPWM；MATLAB / SIMULINK目 錄1 緒論11.1諧波的危害11.2 抑制諧波的方式21.4 有源濾波技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢41.5 諧波標(biāo)準(zhǔn)81.6本文主要研究的內(nèi)容102 有源電力濾波器結(jié)構(gòu)及諧波電流檢測方法102.1 有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)及工作原理102.2 諧波電流檢測方法123 并聯(lián)型有源電力濾波器主電路參數(shù)設(shè)計方法143.1有源電力濾波器容量153.2 主電路直流側(cè)電壓的選取153.3 功率器件的選擇163.4 主電路直流側(cè)電容的計算173.5 主電路交流側(cè)電感參數(shù)計算184 有源電力濾波器補償電流跟蹤控制方法204.1并聯(lián)型有源電力濾波器的數(shù)學(xué)模型204.2 APF控制系統(tǒng)基本原理244.3 有源電力濾波器控制策略的實現(xiàn)284.3.1 SVPWM算法在APF中的應(yīng)用284.3.2 無差拍控制法284.3.3 SVPWM算法的實現(xiàn)294.4 并聯(lián)型有源電力濾波器直流側(cè)電壓控制375 并聯(lián)型有源電力濾波器仿真分析395.1諧波檢測算法的驗證405.2 交流側(cè)電感對補償性能的影響425.3 直流側(cè)電壓值對補償性能的影響455.4 魯棒性分析485.5 動態(tài)性能分析496 結(jié)論52參考文獻53翻譯部分57英文原文57中文譯文73致 謝891 緒論隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會的進步，電能己經(jīng)成為人們生產(chǎn)生活和現(xiàn)代社會生產(chǎn)中必不可少的能源。近幾十年來隨著電力電子裝置在工業(yè)生產(chǎn)中的普遍應(yīng)用，以及非線性負載的容量和數(shù)量的增加使得電力系統(tǒng)中的諧波污染越來越嚴(yán)重，然而用戶及電力網(wǎng)中的設(shè)備對電能質(zhì)量的要求越來越高。因此，解決日趨嚴(yán)重的諧波污染與電能質(zhì)量要求越來越高的問題成為當(dāng)今科技工作者研究的主要問題。有源電力濾波器因有主動的補償能力且不受系統(tǒng)阻抗特性的影響，在現(xiàn)在的生產(chǎn)中收到普遍的應(yīng)用。本章從課題研究的背景出發(fā)，探討了諧波治理的研究意義和主要的治理措施，闡述了有源濾波技術(shù)的發(fā)展概況和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，最后簡單介紹了本論文的主要內(nèi)容。1.1諧波的危害電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生根源是非線性負載的使用，致使電流和電壓波形發(fā)生畸變。非線性負載主要包括：冶金工業(yè)中的電弧爐、中頻爐與軋鋼機，電解鋁中用的大功率變流裝置，傳動與控制領(lǐng)域中用的變頻器與電力機車，高壓直流輸電系統(tǒng)的換流閥以及現(xiàn)實生活中的領(lǐng)域的電腦、電視機與電磁爐等。近幾十年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率開關(guān)器件的廣泛應(yīng)用，使得電網(wǎng)電壓和電流波形產(chǎn)生了嚴(yán)重的畸變，不是正常的正弦波，電力電子裝置給公用電網(wǎng)中注入了大量的高次諧波，嚴(yán)重影響了電氣設(shè)備的正常運行，因為諧波的產(chǎn)生引起的各種故障和事故不斷發(fā)生。電力系統(tǒng)諧波的危害引起了人們的高度重視。目前諧波污染對電力系統(tǒng)和接入電力網(wǎng)中的電氣設(shè)備產(chǎn)生的危害主要表現(xiàn)在以下幾個1：(1)諧波的產(chǎn)生增大了負載電流，由于諧波頻率高于基波，產(chǎn)生高頻的趨膚效應(yīng)會使導(dǎo)線的等效截面積減小，導(dǎo)致導(dǎo)線過熱；(2)諧波會影響電網(wǎng)中用電設(shè)備的正常工作。例如，電動機的附加損耗，使其發(fā)熱，縮短其使用壽命等；(3)諧波會影響通訊設(shè)施運行可靠性；(4)諧波會使電氣計量出現(xiàn)誤差或錯誤，使保護設(shè)備誤動作；(5)非平衡諧波會使UPS大功率整流負載的中線電流過大而燒斷。(6)諧波損壞無功補償設(shè)備。隨著諧波頻率的增大，無功補償電容的阻抗變小而電流增大，可導(dǎo)致電容因發(fā)熱而損壞。隨著對諧波的研究不斷深入，電能質(zhì)量不能僅用頻率和電壓兩個指標(biāo)來評價，諧波也是評價電能質(zhì)量的又一重要指標(biāo)。為了保障電力系統(tǒng)的正常運行并且保障用戶用電設(shè)備的正常工作，有效地治理諧波，必將成為當(dāng)代電力研究領(lǐng)域解決和重點研究對象。1.2抑制諧波的方式 目前所使用的諧波抑制有三種方式：主動治理，從諧波源本身考慮，使諧波源不產(chǎn)生諧波或產(chǎn)生少量的諧波，例如，用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)、增加變流裝置的脈動數(shù)、多重化技術(shù)等都能降低諧波；被動治理，就是加入外部濾波器，使濾波器產(chǎn)生的電流與非線性負載產(chǎn)生的高次諧波相抵消，抑制諧波進入電網(wǎng)，或者抑制電力系統(tǒng)中的高次諧波流入負載端，降低諧波對設(shè)備的影響；受端治理，即從諧波影響的設(shè)備或者電力系統(tǒng)出發(fā)，增加它們抵抗諧波干擾的能力，例如，選擇合適的供電方式，降低諧波對電網(wǎng)和用電設(shè)備的影響；改變接入電網(wǎng)中的電容器組的數(shù)量，降低電容器對諧波的放大影響；提高電網(wǎng)中的設(shè)備性能從而增加它們抵抗諧波干擾的能力。主動治理的目標(biāo)主要是提高電力電子設(shè)備的功率因數(shù)，雖然能消除諧波，但是對大容量的電力系統(tǒng)來說并不能改善整個電網(wǎng)的性能。受端治理只是在負載端進行改進，增強設(shè)備抵抗諧波的干擾能力，并沒從根本上消除諧波對電網(wǎng)的危害。因此，無源電力濾波器和有源電力濾波器是治理諧波的有效手段，尤其是先進的有源濾波技術(shù)對諧波的治理將起到主導(dǎo)作用。APF將成為綜合治理電網(wǎng)污染的最有效手段，能有效的改善電能質(zhì)量。被動治理諧波的方式有以下幾種：(1)采用無源濾波器PF。在電力網(wǎng)和需要補償?shù)姆蔷€性負載即諧波源之間并聯(lián)按照一定的參數(shù)比例構(gòu)造的含有電抗器和電阻器等無源器件具有濾波效果的的無源濾器。為諧波電流提供低阻抗通路，達到抑制諧波的目的，因為可以同時提供負載所需要的無功功率，因而同時實現(xiàn)了諧波抑制效果和無功功率補償效果。PF的特點是：成本低、運行維護簡單、還可補償無功功率，但是也存在不足:只對特定次諧波進行濾波，對電網(wǎng)負載中不斷變化的諧波次數(shù)其濾波效果不理想，不能實現(xiàn)動態(tài)補償；受電網(wǎng)參數(shù)影響PF容易與系統(tǒng)發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振。(2)采用有源濾波器APF。有源電力濾波器的基本原理是通過對電網(wǎng)中的諧波電流與無功電流的檢測得出指令信號電流，根據(jù)按照指令信號在直流側(cè)主電路產(chǎn)生一個與其大小相等方向相反的補償電流注入電網(wǎng)，消除了由非線性負載產(chǎn)生的諧波電流與無功電流，同時實現(xiàn)諧波抑制和無功功率補償?shù)哪康摹ＥcPF相比，APF的優(yōu)點：濾波器的性能不受電網(wǎng)參數(shù)影響，不會與電力系統(tǒng)發(fā)生諧振現(xiàn)象；實時跟蹤補償動態(tài)變化的諧波電流和無功功率；可實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，不會因補償電流過大而出現(xiàn)過載；對負序電流和無功功率等進行有效的補償；實現(xiàn)對控制電路的限流保護，系統(tǒng)安全性較高。有源電力濾波器通過電力有源逆變的方式將產(chǎn)生的諧波電流注入電力系統(tǒng)，消除或減少了非線性負載產(chǎn)生的諧波電流。APF是既能實現(xiàn)諧波動態(tài)補償又能實現(xiàn)無功功率補償?shù)碾娏﹄娮友b置。有源濾波裝置能對幅值大小和頻率都不斷變化的諧波及變化的無功進行有效補償，克服了無源濾波治理諧波和補償無功的缺點。有源電力濾波器是解決諧波和無功功率最有效的方法，提高了整個電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。它的使用既減少了非線性負載產(chǎn)生的諧波電流，補償了無功功率，保護電網(wǎng)不受污染，又改善電網(wǎng)的供電質(zhì)量，使用戶正常工作。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，諧波檢測理論的不斷完善，控制算法的不斷優(yōu)化，以及數(shù)字化技術(shù)的不斷進步。有源濾波器的應(yīng)用將會越來越廣泛，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定具有深遠的意義。1.3有源濾波器的發(fā)展背景波形畸變一直都是研究者在電力領(lǐng)域研究的問題。上世紀(jì)20年代，德國研究者由引起的波形畸變的靜止汞弧變流裝置提出了電力系統(tǒng)諧波的概念。上世紀(jì)50年代，伴隨著高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，變流裝置諧波問題得到進一步的研究，同時期誕生了大量有關(guān)諧波問題的論文。我們國家在諧波的研究領(lǐng)域起步較晚。吳競昌等在1988年出版的電力系統(tǒng)諧波對我國早期關(guān)于諧波問題研究起到了重要作用。1998年，王兆安等出版的諧波抑制和無功功率補償，以及2005年出版的諧波抑制和無功功率補償(第二版)是到目前為止國內(nèi)在諧波分析和諧波抑制方面有很重要影響的著作，被研究專家者們廣泛的參考和引用。經(jīng)過最近二三十年對諧波問題的研究，研究者們和電力行業(yè)專家對諧波問題的研究做出了巨大的成果，縮短了與國外的差距。近年來，隨著我國電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，實際工業(yè)場合中，非線性用電設(shè)備的種類、數(shù)量增加，導(dǎo)致了電網(wǎng)中的諧波含量增加，給電網(wǎng)和用戶的正常運行帶來隱患。許多國家和國際組織為此制訂了限制用戶的用電設(shè)備產(chǎn)生諧波的標(biāo)準(zhǔn)。從而使生產(chǎn)電力電子裝置的廠家不得不降低其產(chǎn)品產(chǎn)生的諧波。因此，消除或減少電力網(wǎng)中所產(chǎn)生的諧波，提高電力網(wǎng)的運行效率，改善電力網(wǎng)中的電能質(zhì)量，維護電力系統(tǒng)中的電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運行是當(dāng)代研究的主要目的。1.4有源濾波技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢隨著有源電力濾波技術(shù)的發(fā)展和進步，諧波的抑制也開始從無源濾波器向有源電力濾波器轉(zhuǎn)變。上世紀(jì)七十年代，H. Sasaki等首次相對全面的提出了有源電力濾波器的基本概念。然而受制于當(dāng)時制造功率半導(dǎo)體器件的水平有限，制造出的全控型功率器件功率小且頻率低，使得APF只局限于實驗室的研究，無法得到應(yīng)用。80年代以后，電力電子技術(shù)迅速發(fā)展，尤其表現(xiàn)在大功率半導(dǎo)體器件(GTR，GTO，IGBT等)的問世，與此同時諧波電流檢測方法理論和電流跟蹤控制算法不斷成熟，伴隨著“瞬時無功理論的提出”，諧波和無功功率的瞬時檢測的問題迎刃而解。有源電力濾波器的研制自此從實驗室到工業(yè)進入實際應(yīng)用階段。國外在APF研究領(lǐng)域成果主要表現(xiàn)在：1976年，美國的L.Gyugyi等人首先研制了由PWM控制變流器組成的800KVA有源濾波器，基本確定了主電路的拓撲結(jié)構(gòu)。目前，國外有源電力濾波器發(fā)展趨勢表現(xiàn)在:裝置方面，向提高補償容量、改善性能、降低損耗、減少研發(fā)成本；應(yīng)用方面，研究優(yōu)化有源濾波器的配置、電磁兼容及停電和瞬間保打；逐漸提高諧波補償次數(shù)，逐步提高APF單機裝置容量，逐步使其應(yīng)用范圍從單純的補償電氣設(shè)備的諧波向提高電網(wǎng)電能質(zhì)量的方向發(fā)展。國外生產(chǎn)APF的公司有ABB、TOSHIBA、SIEMENS等。研究有源電力濾波器主要在電力電子新器件的選用和控制策略上的進行改進。APF 的結(jié)構(gòu)多樣，可以按照不同的方式進行劃分，常見的劃分方式有：按變流器直流側(cè)所采用的貯能元件不同，APF 可以分類為電壓型及電流型兩種。電壓型有源濾波器的變流器直流側(cè)所采用的貯能元件為電容，它在正常工作時保持電壓恒定，其優(yōu)點是線路損耗較小、經(jīng)濟實用、效率高，可以用于對電網(wǎng)的諧波進行抑制。電流型有源濾波器的變流器直流側(cè)所采用的貯能元件為電感，當(dāng)電路中的電流通過電感時會產(chǎn)生不小的損耗， 使 APF 效率降低， 所以電流型有源濾波器不適用于大容量系統(tǒng)。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，采用電容作為變流器直流側(cè)貯能元件的電壓型 APF 更具現(xiàn)實意義。依照不同的接入電網(wǎng)方式，APF 可分類為串聯(lián)型、并聯(lián)型及統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，如圖 1-1 所示：圖1-1有源濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類1）串聯(lián)型 APF串聯(lián)型 APF 與負載串聯(lián)。 諧波電壓檢測模塊檢測出電網(wǎng)中存在的諧波電壓成分，控制APF 以輸出與諧波電壓大小相同、 方向相反的補償電壓，從而補償系統(tǒng)中存在的諧波電壓。串聯(lián)型 APF 的主要作用在于對諧波電壓進行調(diào)節(jié)和補償。但由于串聯(lián)型 APF 所需的功率和產(chǎn)生的損耗都比較大，所以目前很少被單獨使用。串聯(lián)型 APF 又可以分為獨立串聯(lián)型和混合串聯(lián)型兩類，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖 1-2 所示： (a)獨立串聯(lián)型APF (b)混合串聯(lián)型APF圖1-2 串聯(lián)型APF拓撲結(jié)構(gòu)2）并聯(lián)型 APF并聯(lián)型 APF 與負載并聯(lián)，主要對負載的諧波電流進行補償。 諧波電流檢測模塊檢測出負載中存在的諧波電流，控制 APF 以輸出與諧波電流大小相同、方向相反的補償電流，以達到對諧波電流進行抑制的目的，并聯(lián)型 APF 也可以同時對負載的無功功率進行補償。因此，并聯(lián)型 APF 與串聯(lián)型 APF 有所不同，它是一個有源的諧波電流發(fā)生器，一般對電流型的負載比較適用。并聯(lián)型 APF 也可以分為獨立并聯(lián)型和混合并聯(lián)型兩類， 其拓撲結(jié)構(gòu)如圖 1-3 所示： （a）獨立并聯(lián)型APF （b）混合并聯(lián)型APF圖1-3并聯(lián)型APF拓撲結(jié)構(gòu)并聯(lián)型有源電力濾波器作為一種新型的補償諧波和無功的電力電子設(shè)備，己經(jīng)過專家和學(xué)者幾十年的討論、研究和總結(jié)，APF的關(guān)鍵技術(shù)在于它的三個重要組成部分3：諧波和無功電流的實時檢測技術(shù)、補償電流跟蹤控制策略和直流側(cè)電容電壓控制技術(shù)。(1諧波和無功電流的實時檢測技術(shù)諧波和無功電流實時檢測是實現(xiàn)APF最關(guān)鍵第一步，APF能否實時動態(tài)的補償電力系統(tǒng)諧波和無功功率，與檢測模塊能否快速準(zhǔn)確的檢測諧波和無電流密切相關(guān)。近年有關(guān)檢測技術(shù)發(fā)表了大量的論文4，主要有：基于傅里葉分析的時域變換法及基于傅里葉變換改進的方法、瞬時無功功率理論及基于瞬時無功功率理論改進的算法、小波變換、同步檢測法、自適應(yīng)檢測法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、重復(fù)控制等智能控制算法。現(xiàn)階段，基于瞬時無功功率理論的檢測方法，因其具有很好的精確性、快速性且能同時檢測出諧波和基波無功電流，是目前研究最成熟的技術(shù)也是應(yīng)用最為廣泛的檢測方法。(2)補償電流跟蹤控制策略通過良好的檢測技術(shù)得到實時準(zhǔn)確的補償電流指令信號后，APF能否產(chǎn)生與諧波和基波無功的幅值等大、相位反向的電流對系統(tǒng)補償，以達到濾波效果，與補償電流對期望電流的跟蹤情況緊密相關(guān)。補償電流跟蹤技術(shù)的好壞直接關(guān)系到APF濾波器性能的高低。目前應(yīng)用較多的補償電流跟蹤控制策略主要有5：三角波比較方式、滯環(huán)比較器的瞬時值比較方式、周期采樣控制、無差拍控制等。三角波比較方法實現(xiàn)簡單，對主電路參數(shù)和結(jié)構(gòu)的依耐性小但開關(guān)損耗大；滯環(huán)比較器的瞬時值比較控制法實現(xiàn)簡便、響應(yīng)迅速、魯棒性佳及實時性好。(3)直流側(cè)電容電壓控制技術(shù)電壓型并聯(lián)有源電力濾波器的直流側(cè)采用直流電容作為儲能元件，由于功率器件、電容電感元件的損耗及負載電流變化影響系統(tǒng)對有功能量的需求變化，使電容過壓或欠壓，引起直流側(cè)電容電壓的突變，影響對諧波電流的補償效果，嚴(yán)重時危及濾波器的穩(wěn)定運行，因此確保直流側(cè)電容電壓的恒定是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)控制直流側(cè)電容電壓的方法是為電容供電，提供一個單獨的直流電源，通常采用二極管不控整流電路來實現(xiàn)，這種方法雖然能使電壓穩(wěn)定在某個適當(dāng)值，但增加了一套電路，使系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，成本和損耗也增加了。而現(xiàn)實情況中，我們只需要對主電路采用適當(dāng)?shù)目刂扑惴?，就能穩(wěn)定直流側(cè)電容電壓，因此，為電容單獨提供電源沒有必要。通常的控制方法是PI調(diào)節(jié)控制法，即將直流側(cè)電容電壓與給定的參考電壓進行比較得到的差通過比例積分(PI)調(diào)節(jié)后得到的調(diào)節(jié)量，再次疊加到指令信號中，以此實現(xiàn)對電容電壓的穩(wěn)壓控制。為得到良好的補償效果，需要選擇適合的積分和比例系數(shù)，這兩個系數(shù)的選擇需在調(diào)試過程中根據(jù)工程經(jīng)驗逐步調(diào)整。APF發(fā)展趨勢體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）諧波檢測對象的實時性。以前基本停留在穩(wěn)態(tài)諧波檢測上，目前電力電了設(shè)備受非穩(wěn)態(tài)諧波的影響己不容忽視。諧波檢測結(jié)果向高精度、高可靠性方向發(fā)展。隨著DSP的出現(xiàn)，因其運算處理能力優(yōu)勢而成為首選可編程器件。諧波檢測逐步智能化和復(fù)雜化。瞬時無功功率、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波變換檢測法等新檢測法將得到廣泛應(yīng)用。（2）提高有源電力濾波器的控制精度。采用PWM調(diào)制和多重化技術(shù)來提高開關(guān)器件的效率，降低開關(guān)損耗，實現(xiàn)對高次諧波的有效補償。改善有源濾波裝置的補償性能。諧波電流檢測、電流跟蹤控制和主電路脈沖信號的產(chǎn)生等是有源電力濾波器補償性能的重要因素。因此，控制算法和諧波電流檢測方法理論等方面的研究仍是未來研究的方向。增加補償裝置的容量。隨著電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，大容量的諧波補償裝置的研制必將是未來研究趨勢。(3)降低有源電力濾波器的制造成本。優(yōu)化濾波電路的參數(shù)。目前，APF裝置的成本較高，可以采用APF與LC無源濾波器相并聯(lián)的裝置，減小APF的容量，從而降低濾波裝置的成本并且提高補償效率。1.5 諧波標(biāo)準(zhǔn)諧波對電網(wǎng)的不利影響嚴(yán)重削弱和干擾了電網(wǎng)的經(jīng)濟運行，使供用電設(shè)備的安全性降低，因此各國家和相關(guān)權(quán)威機構(gòu)制定了諧波標(biāo)準(zhǔn)，對用戶注入電網(wǎng)的諧波進行限制。1）諧波電壓國際電工委員會（IEC）制定了 IEC 61000 系列標(biāo)準(zhǔn)文件，其中 IEC 61000-2-2公用低壓供電系統(tǒng)中低頻傳導(dǎo)干擾和信號的兼容性標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了中、低壓電網(wǎng)電壓各次諧波允許值。 IEEE Std. 519-1992 標(biāo)準(zhǔn)也對諧波電壓進行了限定，其在諧波電壓的限定上對奇次諧波的限制比 IEC 61000 標(biāo)準(zhǔn)要嚴(yán)格，而后者更加注重于諧波的次數(shù)，次數(shù)越高要求越嚴(yán)格；參照國外諧波標(biāo)準(zhǔn)，國家技術(shù)監(jiān)督局頒布了國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 14549-1993電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波6如表 1-1 所示。國家標(biāo)準(zhǔn)中，將奇次諧波和偶次諧波分開限定，偶次諧波的限定更嚴(yán)格，基本為奇次限定值的 50%。對于低壓供電系統(tǒng)，國家標(biāo)準(zhǔn)與 Std. 519-1992基本一致，要求電壓總畸變率不超過 5%。表1 GB/T14549-1993公用電網(wǎng)電壓（線電壓）限值電網(wǎng)標(biāo)稱電壓/KV電網(wǎng)總諧波畸變率奇次諧波電壓含有率偶次諧波電壓含有率0.385.0%4.0%2.0%64.0%3.2%1.6%104.0%3.2%1.6%353.0%2.1%1.2%663.0%2.1%1.2%1102.0%1.6%0.8%2）諧波電流電壓的畸變是由于諧波電流作用在系統(tǒng)阻抗或線路阻抗上引起的，因此各標(biāo)準(zhǔn)對諧波電流的限定更加詳細。IEC 61000-3-2 與 IEC 61000-3-4 分別對額定電流小于 16A 和額定電流大于 16A 的低壓設(shè)備做了諧波限定，并根據(jù)設(shè)備類型或短路比級別進行進一步的細分。IEEE Std. 519-1992 標(biāo)準(zhǔn)在標(biāo)稱電壓 120V VN69kV 時對諧波電流進行了規(guī)定。 國標(biāo) GB/T 14549-1993 規(guī)定公共連接點的用戶向系統(tǒng)注入的諧波電流有效值不應(yīng)超過限值，如表2所示，給出了 380V 低壓系統(tǒng)各次諧波電流的允許值，最小短路容量與基準(zhǔn)短路容量（10MVA）不同時，需要按式（1-1）進行換算。表2 注入公共連接點的諧波電流允許值標(biāo)準(zhǔn)電壓/KV基準(zhǔn)短路容量23456789101112130.3810786239622644192116281324標(biāo)準(zhǔn)電壓/KV基準(zhǔn)短路容量1415161718192021222324250.38101112101891689714612 （1-1）式（1-1）中，為公共連接點的最小短路容量（MVA），為基準(zhǔn)短路容量（MVA），為表1-2中的第h次諧波電流允許值（A），為短路容量為時的第h次諧波電流允許值。1.6本文主要研究的內(nèi)容本文以低壓配電網(wǎng)中并聯(lián)三相三線有源電力濾波器為研究對象，對有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)及工作原理進行理論分析，主要研究的是主電路參數(shù)及電流環(huán)跟蹤控制策略。通過三相三線并聯(lián)型有源電力濾波器的數(shù)學(xué)模型，討論了主電路參數(shù)的設(shè)計方法及確定參數(shù)的大小，包括：功率開關(guān)器件的選取、直流側(cè)電容、直流側(cè)電壓、交流側(cè)電感。電流環(huán)控制環(huán)節(jié)要求補償電流無誤差的跟蹤指令電流信號，針對無差拍控制方法具有實時性和準(zhǔn)確性的特點，論文采用無差拍控制與SVPWM相結(jié)合的控制方案。通過無差拍控制方法得出的電壓信號經(jīng)SVPWM調(diào)制產(chǎn)生控制主電路開關(guān)器件的通斷的PWM脈沖，產(chǎn)生補償電流。最后在MATLAB/SIMULINK的仿真平臺下搭建無差拍與SVPWM相結(jié)合的仿真模型，驗證主電路參數(shù)設(shè)計方法是合理的，分析交流側(cè)電感值、直流側(cè)電壓值對 APF 性能的影響。仿真結(jié)果表明采用無差拍與SVPWM相結(jié)合的控制方法能快速的跟蹤補償電力系統(tǒng)中的諧波電流，具有良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。2有源電力濾波器結(jié)構(gòu)及諧波電流檢測方法2.1有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)及工作原理 有源電力濾波器原理圖如2-1所示，圖中是交流電源，非線性負載相當(dāng)于諧波源，它產(chǎn)生諧波并消耗無功功率。概括的說APF是由：指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路兩大部分構(gòu)成。補償電流發(fā)生電路又包括電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路及主電路三部分，指令電流運算電路的功能是檢測出非線性負載產(chǎn)生的諧波電流及無功電流分量；補償電流發(fā)生電路是根據(jù)電壓和電流互感器檢測的非線性負載產(chǎn)生的電壓和電流，經(jīng)指令運算電路計算得出諧波電流指令信號，該信號在補償電流跟蹤控制電路經(jīng)放大驅(qū)動變流器的開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷，得到補償?shù)闹C波電流，由此產(chǎn)生的諧波電流與負載電流中的諧波電流分量抵消，得到期望的正弦電源電流。主電路采用PWM變流器，當(dāng)產(chǎn)生補償電流時，PWM變流器作為逆變器產(chǎn)生正弦電流；當(dāng)電網(wǎng)向APF直流側(cè)電容充電時，作為整流器工作，它既工作于逆變又工作于整流狀態(tài)，因此稱之為變流器。圖2-1有源濾波器原理圖APF工作的基本原理:檢測非線性負載中諧波電壓或諧波電流的瞬時值，將得到的瞬時值經(jīng)指令電流運算電路的運算得出需要補償?shù)碾娏髦噶钚盘?，然后通過補償電流發(fā)生電路的控制策略和PWM技術(shù)，產(chǎn)生與系統(tǒng)中的諧波幅值大小相等、極性相反的實際補償電流，經(jīng)交流側(cè)電感注入電網(wǎng)中，與諧波相抵消，最后得到期望的標(biāo)準(zhǔn)正弦波波形。 當(dāng)補償諧波電流時，APF檢測出負載電流中諧波電流為，將其反極性后，作為補償電流指令信號，由補償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的與幅值大小相等、方向相反的實際補償電流，因此，電源電流中只含有基波成分。此種方式達到抑制電源電流中諧波的效果，具體公式如式（2-1）所示， （2-1）式中，為負載電流的基波分量當(dāng)APF在補償諧波的同時要求補償系統(tǒng)的無功功率，則需要在補償電流的指令信號中增加取與的基波無功分量幅值相等、極性相反的成分。這樣電源電流與的基波有功分量相。由APF的基本工作原理可知，APF包括兩大部分，即指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路。有源濾波器主要包括諧波檢測和無功電流檢測，有源濾波器性能的好壞取決于是否能精確的檢測出需要補償?shù)闹C波分量，并能動態(tài)跟蹤。諧波檢測不是將各次諧波分量分解出來，而是檢測諧波電流或基波無功電流。當(dāng)三相電流不對稱時，需要檢測出除基波正序有功分量之外的諧波電流。為了防止電網(wǎng)中的諧波污染，各國紛紛頒布了限制電力系統(tǒng)無功和諧波的法規(guī)。因此，電網(wǎng)中的諧波和無功進行檢測、抑制及補償是治理電網(wǎng)中諧波污染的途徑。2.2諧波電流檢測方法 諧波電流的檢測有多種方法，下面對目前常用的諧波電流檢測方法進行簡單綜述。(1)基于頻域分析的傅立葉變換（FFT）檢測法。用傅立葉變換檢測法檢測諧波和無功分量是幾個常用的方法之一。通過電網(wǎng)系統(tǒng)中負載電流信號的FFT分析，得到負載電流中各次諧波分量。隨著數(shù)字信號處理芯片的運算速度不斷提高，用FFT分析檢測諧波用時越來越短，提高了實時性。FFT檢測方法的不足可以概括為，當(dāng)信號不是周期性信號時，用FFT分析就會帶來較大誤差；需要進行FFT變換及反變換兩次變換，計算量大；當(dāng)電網(wǎng)電壓畸變或者頻率波動時，非同步采樣誤差變大，從而產(chǎn)生柵欄效應(yīng)和頻譜泄漏效應(yīng)，降低檢測精度。（2）模擬帶通或帶阻濾波器檢測法。大多數(shù)情況用50Hz的帶通或帶阻濾波器濾除負載電流中的50Hz基波分量，獲得諧波電流分量。該檢測方法的優(yōu)點：電路結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、易于調(diào)整。缺點:濾波器可能相移致使輸出信號畸變，出現(xiàn)檢測誤差；元件參數(shù)影響濾波器的中心頻率，很難獲得理想的幅頻、相頻特性；當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生波動時，過多的基波分量會在檢測的諧波電流中，影響檢測精度，相應(yīng)的需要增加APF的補償容量；不能單獨分離基波有功和無功電流。(3)基于Fryze功率定義檢測法。這種方法是將負載電流分解為與電網(wǎng)電壓波形一致的有功電流分量和垂直于電壓波形的無功電流分量兩個正交分量。該方法的缺點是得計算出負載的有功功率和電網(wǎng)電壓的有效值，并且有一個工頻周期以上的時間延遲，不適用于負載頻繁變化的電力系統(tǒng)；無法分離基波無功和諧波電流，因此該方法不適合僅補償基波無功電流或者諧波電流的電力系統(tǒng)。(4)基于三相瞬時無功功率的諧波檢測方法。1984年，日本學(xué)者首先提出了瞬時無功功率理論，隨后研究者們分別提出了兩種諧波電流檢測方法:法和法。這兩種方法都能準(zhǔn)確地檢測出三相三線制對稱電路中的諧波電流。這兩種方法的區(qū)別是：當(dāng)電網(wǎng)電壓對稱無畸變、負載電流對稱時，都能準(zhǔn)確地檢測出諧波電流分量、基波電流的有功分量、無功分量；當(dāng)電源電壓和負載電流均對稱畸變時，運算方法仍能準(zhǔn)確地檢測出諧波電流，而運算方法就存在誤差。當(dāng)三相電壓或三相電流畸變時，方法或運算方法都存在檢測誤差，不能實現(xiàn)無功分量和諧波電流的完全補償。瞬時無功功率理論的提出以及法和法的出現(xiàn)，極大的推動了APF的發(fā)展。這種方法的缺點是需要用到很多模擬乘法器，計算量大，對參數(shù)依賴性大，調(diào)整困難，易產(chǎn)生誤差。這種檢測方法當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變時，檢測精度不理想，因此多用于三相平衡電路系統(tǒng)。(5)自適應(yīng)諧波檢測方法。該方法利用的是自適應(yīng)噪聲對消原理，原始輸入是負載電流，參考輸入為電網(wǎng)電壓，將負載電流中與參考輸入的電網(wǎng)電壓波形相同的有功分量消去，剩下的就是所有諧波與無功電流的和。此檢測系統(tǒng)是一個閉環(huán)連續(xù)調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，其運行特性幾乎不受元件參數(shù)的影響，對器件特性依賴不大；因此，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生頻率波動和波形畸變時，檢測系統(tǒng)仍能正常工作，具有比較強的自適應(yīng)能力，能較好地跟蹤信號，但需要得到電網(wǎng)電壓的相位，因此動態(tài)響應(yīng)速度較慢。自適應(yīng)諧波檢測方法的優(yōu)點是原理簡單、實現(xiàn)方便，實時跟蹤檢測信號的變化，具有自適應(yīng)性，然而該算法是在知道電網(wǎng)電壓的相位信息的前提下。這種算法的局限性：它需要選擇合適的步長，在動態(tài)響應(yīng)速度與穩(wěn)態(tài)精度之間進行折衷選擇。下圖是檢測原理圖，用到了由一個鎖相環(huán)PLL和一個正余弦信號發(fā)生電路產(chǎn)生的與a相電網(wǎng)電壓同相位的正弦信號和余弦信號。由瞬時無功功率理論計算出瞬時有功電流和瞬時無功電流，經(jīng)過低通濾波器得到直流分量、后，再經(jīng)反變換得出基波有功分量、，與負載電流相減得出諧波分量、。圖2-2是檢測方法的原理圖。 圖2-2 法的檢測過程框圖諧波檢測方法的發(fā)展趨勢：由上分析可得，諧波檢測方法的發(fā)展趨勢可以歸結(jié)為以下幾點：（1） 諧波檢測算法向智能化、實用化發(fā)展，求解方法也將從函數(shù)解析向信號處理過渡；（2）隨著硬件的精度、速度和可靠性的不斷提高，高性能檢測算法將會應(yīng)用到檢測方法中；（3）諧波檢測效果主要體現(xiàn)在精度、速度和實時性。改善現(xiàn)有方法中檢測精度高則速度慢，檢測速度快則精度低的弊端。研究新的諧波特性辨識方法，提高檢測精度；（4）諧波檢測、分析與控制集成在一起，實現(xiàn)測量、分析與控制一體化；（5）完善現(xiàn)有的諧波檢測理論體系，提出新的更過高效諧波檢測方法。本章小結(jié)：本章介紹了有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)及工作原理，分析幾種常用的檢測方法，給出了基于瞬時無功功率的檢測法的原理圖。最后通過對常用的諧波檢測技術(shù)的分析，給出了諧波檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢。3 并聯(lián)型有源電力濾波器主電路參數(shù)設(shè)計方法主電路參數(shù)對有源電力濾波器的補償效果有重要影響。元器件的參數(shù)的合適與否不僅關(guān)系到有源濾波系統(tǒng)能否正常運行，而且還會影響有源濾波器的補償性能指標(biāo)以及濾波器的成本因素。APF主電路參數(shù)設(shè)計內(nèi)容包括：確定直流側(cè)電容和電壓、交流側(cè)電感、計算主電路開關(guān)器件的額定參數(shù)等。3.1有源電力濾波器容量的選取有源電力濾波器容量與補償對象容量大小和補償目的有關(guān)。APF的容量為： （3-1） 式（3-1）中，U為APF在電力系統(tǒng)中接入點相電壓的有效值；為APF產(chǎn)生的最大補償電流有效值。由上式可得，與的大小和U有關(guān)。采用APF補償諧波時，補償電流為負載電流中諧波成分。當(dāng)有源電力濾波器只補償諧波時，有。由于電力系統(tǒng)中的非線性負載為三相橋式全控整流器，其。當(dāng)系統(tǒng)中負載電阻為10時，不接入有源電力濾波裝置時測得系統(tǒng)中負載電流約為55A。計算得出補償諧波電流值為13.75A，通過式（3-1）得需要采用的有源電力濾波器的容量為10KVA。3.2主電路直流側(cè)電壓的選取直流側(cè)電壓的穩(wěn)定是保證系統(tǒng)正常運行的條件之一，如果直流母線電壓不穩(wěn)定，就會導(dǎo)致補償?shù)臒o功電流和諧波電流不準(zhǔn)確，還有可能造成電壓過高，使開關(guān)器件擊穿。因此直流母線的控制至關(guān)重要。當(dāng)APF正常工作時，實際補償電流跟隨指令電流 的呈鋸齒波形狀變化，相對于原理圖，以A相為例則： （3-2）式中，Ka是開關(guān)系數(shù)，表3-1中是主電路中各個工作模式相應(yīng)的開關(guān)系數(shù)，1”表示上橋臂導(dǎo)通，下橋臂截止；0”表示上橋臂截止，下橋臂導(dǎo)通。表3-1主電路工作模式下對應(yīng)的開關(guān)系數(shù)的值工作模式主電路各相的工作狀態(tài)開關(guān)系數(shù) 1 1 0 0 0 1 1-2/31/31/3 2 0 1 0 1 0 11/3-2/31/3 3 1 1 0 0 0 1-1/3-1/32/3 4 0 0 1 1 1 01/31/3-2/3 5 1 0 1 0 1 0-1/32/3-1/3 6 0 1 1 1 0 02/3-1/3-1/3當(dāng)時，需要使得補償電流增大，APF中A相橋壁上橋壁應(yīng)導(dǎo)通，下橋臂應(yīng)關(guān)斷，由表5-1得，為-2/3或-1/3，如果取為-1/3，則， （3-3）要使跟蹤，應(yīng)使得增大，要求 （3-4）根據(jù)上式得 （3-5）其中為電網(wǎng)相電壓的峰值。由上式得出，直流側(cè)電容電壓的取值應(yīng)該是電網(wǎng)系統(tǒng)相電壓峰值的3倍。在保證3倍的情況下，電壓值越大，補償性能越好。但是相應(yīng)的對開關(guān)耐壓的要求越高，成本也將增加，因此在選擇直流側(cè)電壓時要綜合考慮。直流側(cè)電壓取900V時，APF的補償效果最好。3.3功率器件的選擇在有源電力濾波器的主電路中，功率開關(guān)器件的選擇要求決定了有源濾波器諧波補償電流的跟蹤能力，功率開關(guān)器件的選擇需要綜合考慮直流側(cè)電壓以及補償電流等相關(guān)參數(shù)。在選擇功率開關(guān)器件之前應(yīng)當(dāng)先考慮到其容量以及工作頻率。參考有源濾波器容量以及逆變器直流側(cè)電壓來決定IGBT的型號。其次，根據(jù)補償諧波頻率的高低來選擇器件的工作頻率。器件工作頻率的選擇應(yīng)根據(jù)實際要濾除負荷電流最高次諧波的次數(shù)來確定，根據(jù)采樣定理，開關(guān)頻率必須為最高次諧波頻率的 2 倍以上。但實際上，當(dāng)頻率調(diào)制比（器件的開關(guān)頻率與最高次諧波頻率之比）低（比如低于 7 11）時，會造成鄰近譜瓣互相重疊，發(fā)生所謂混疊，使得波形出現(xiàn)明顯失真。 理論上，器件的開關(guān)頻率越高，有源濾波器對諧波的補償能力越強，補償諧波的效果越好， 但隨著開關(guān)器件開關(guān)頻率的增高，開關(guān)損耗也會增加，器件工作時對散熱的要求也越高，同時器件的價格也會越高。最后，應(yīng)根據(jù)器件的耐壓水平、電流水平、開關(guān)頻率及散熱要求，綜合考慮主電路的成本，選擇合適的開關(guān)器件。目前普遍應(yīng)用的電力電子開關(guān)器件主要有三 類 ：MOSFET 器件、IGBT 器件和 GTO/IGCT 器件，