【优秀硕士博士论文】并联型有源电力滤波器补偿混合型非线性负载谐波放大的研究1

TM464分类号密级621310486UDC编号武汉大学硕士学位论文并联型有源电力滤波器补偿混合型非线性负载谐波放大的研究研究生姓名学号指导教师姓名、职称电力系统及其自动化专业名称微电网的建模与仿真研究方向二一五年五月摘要随着电力电子技术的发展，越来越多的开关器件被应用到各种电器和设备中去，而包含这些设备的负载被称为非线性负载，非线性负载又可以分为电压型非线性负载和电流型非线性负载。非线性负载在的运行会产生大量的谐波电流，这些谐波电流最终会注入电网中去，而并联型有源电力滤波器可以用来补偿电压型非线性负载，而串联型有源电力滤波器可以用来补偿电压型非线性负载。由于在实际中串联型有源电力滤波器结构复杂，造价较高，没有被普遍和大量的应用，主要应用的有源电力滤波器为并联型有源电力滤波器，而并联型有源电力滤波器补偿电压源型非线性负载时会使负载的谐波电流放大，并影响电网的电流波形的质量。本文介绍了不同的谐波电流检测方法，同时对不同的谐波电流控制策略进行了简述和对比，选取了PR控制作为并联型有源电力滤波器的控制方法。对并联型有源电力滤波器的模型进行了对比和分析，主要分析了开关函数模型，动态相量模型以及输出阻抗模型。并选择输出阻抗模型对并联型有源电力滤波器进行分析。通过分析并联型有源电力滤波器的输出阻抗模型，得出影响并联型有源电力滤波器补偿混合型非线性负荷效果的参数为电压源型非线性负载的等效阻抗，并采用串联电感的办法提高其等效阻抗模值，以减小和抑制谐波电流在负载中的放大。通过分析容性负荷引起的谐波电流放大现象，采用虚拟并联阻抗的方法抑制系统的谐振。根据理论分析的结果，在MATLAB/SIMULINK里搭建混合型非线性负荷模型，设置不同的相关仿真参数，分别进行仿真。通过观察电网电流和负载电流的波形和谐波含量，来验证理论分析的正确性和抑制方法的有效性。仿真结果表明在负载交流侧串联适当大小的电感可以起到极大抑制电压源型非线性负载中谐波电流的放大，通过并联虚拟阻抗的方法可以抑制包含容性负荷的非线性负载的谐波电流放大现象，仿真的结果与理论分析基本一致,验证了分析的正确性和所提出方法的有效性。关键词有源电力滤波器；电压型非线性负载；电流型非线性负载；谐波放大；ABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFPOWERELECTRONICSTECHNOLOGY,MOREANDMOREOFTHESWITCHINGDEVICEISAPPLIEDTOAVARIETYOFAPPLIANCESANDEQUIPMENTS,WHICHARECALLEDNONLINEARLOADS,NONLINEARLOADCANBEDIVIDEDINTOVOLTAGESOURCETYPENONLINEARLOADANDCURRENTSOURCETYPENONLINEARLOADTHEOPERATIONOFNONLINEARLOADWILLGENERATEALOTHARMONICCURRENTS,THESEHARMONICCURRENTSWILLEVENTUALLYBEINJECTEDINTOTHEPOWERGRID,ANDSHUNTACTIVEPOWERFILTERCANBEUSEDTOCOMPENSATEFORCURRENTSOURCENONLINEARLOAD,ANDSERIESACTIVEPOWERFILTERSCANBEUSEDTOCOMPENSATEFORTHEVOLTAGESOURCETYPENONLINEARLOADBECAUSEOFTHECOMPLEXSTRUCTURE,ANDHIGHCOSTOFTHESERIESACTIVEPOWERFILTERITHAVENOTBEENWIDELYUSED,THEMAINAPPLICATIONOFTHEACTIVEPOWERFILTERISSHUNTACTIVEPOWERFILTER,ANDWHENVOLTAGESOURCETYPENONLINEARLOADISCOMPENSATEDBYSHUNTACTIVEPOWERFILTER,THELOADHARMONICCURRENTWILLBEAMPLIFIEDANDEVENTUALLYAFFECTTHEQUALITYOFTHEGRIDCURRENTWAVEFORMTHISPAPERANALYZESANDCOMPARESTHEDIFFERENTHARMONICCURRENTDETECTIONMETHODANDTHEDIFFERENTHARMONICCURRENTCONTROLSTRATEGYPRCONTROLLINGSTRATEGYISSELECTEDASTHECONTROLMETHODFORSHUNTACTIVEPOWERFILTERDIFFERENTSHUNTACTIVEPOWERFILTERMODELSWERECOMPAREDANDANALYZED,MAINLYANALYZESTHESWITCHINGFUNCTIONMODEL,DYNAMICPHASORMODELANDTHEOUTPUTIMPEDANCEMODELANDTHEOUTPUTIMPEDANCEMODELISSELECTEDFORACTIVEPOWERFILTERANALYSISBYANALYZINGTHEOUTPUTIMPEDANCEMODELPARAMETERSOFSHUNTACTIVEPOWERFILTER,DRAWACONCOLUSIONTHATWHATINFLUENCESSHUNTACTIVEPOWERFILTERCOMPENSATINGEFFECTFORTHEHYBRIDNONLINEARLOADISVOLTAGESOURCETYPENONLINEARLOADEQUIVALENTIMPEDANCEANDGRIDEQUIVALENTIMPEDANCE,ANDBYSERISINGINDUCTANCETOINCREASETHEEQUIVALENTIMPEDANCETOREDUCEANDSUPPRESSHARMONICCURRENTAMPLIFICATIONINTHELOADACCORDINGTOTHERESULTSOFTHEORETICALANALYSIS,MIXEDNONLINEARLOADMODELTHATCONTAINSVOLTAGESOURCETYPENONLINEARLOADANDCURRENTSOURCETYPENONLINEARLOADEXISTSIMULTANEOUSLYISBUILDEDINMATLAB/SIMULINK,SIMULATIONRESPECTIVELYBYSETTINGDIFFERENTPARAMETERSTHATISRELATED,BYOBSERVINGTHEGRIDCURRENTANDWAVEFORMANDHARMONICCONTENTOFTHELOADCURRENT,SOASTOVERIFYTHETHEORETICALANALYSISRESULTOFTHEVALIDITYANDEFFECTIVENESSOFTHESUPPRESSIONMETHODSIMULATIONRESULTSSHOWTHATTHESERIESINDUCTANCEOFAPPROPRIATESIZEOFTHELOADONTHEACSIDECANPLAYASIGNIFICANTINHIBITIONOFTHEVOLTAGESOURCETYPENONLINEARLOADHARMONICCURRENTAMPLIFICATION,THETHEORETICALANALYSISANDSIMULATIONRESULTSAREBASICALLYTHESAMEWHICHVERIFYTHECORRECTNESSOFTHEANALYSISANDVALIDITYOFTHEPROPOSEDMETHODKEYWORDSAPFVOLTAGESOURCETYPENONLINEARLOADCURRENTSOURCETYPENONLINEARLOADHARMONICCURRENTAMPLIFICATION目录摘要IABSTRACTIII1绪论111谐波的产生及其危害112电力系统的谐波抑制及有源电力滤波器概述3121电力系统谐波抑制3122并联型有源电力滤波器概述413APF补偿非线性负载谐振现象综述6131谐振的定义和分类6132电力系统非线性谐波源负荷分类6133APF补偿非线性负载谐振现象综述714本文的选题依据和主要研究内容82并联型APF的控制策略及数学模型921三相并联型APF的整体结构922谐波电流检测及其控制算法11221谐波电流检测算法11222谐波电流控制算法1523含有源电力滤波器数学模型的谐振分析方法19231开关函数模型20232动态相量模型23233输出阻抗模型253并联型APF补偿非线性负载谐振放大分析2931并联型APF补偿电压源型非线性负载谐振分析3032含容性负荷时谐振放大分析34321谐振机理分析34322谐振仿真分析3533等效电路分析36331含电压源非线性负载等效电路分析36332含容性负载的谐波电流源等效电路分析374并联型APF补偿混合型非线性负载实验及仿真分析4141并联型APF补偿单一非线性负载41411并联型APF补偿电压源型非线性负载41412并联型APF补偿电流源型非线性负载4842并联型APF补偿混合型非线性负载51421补偿含电压源和电流源非线性负载的混合型非线性负载51422补偿含容性负载和电流源非线性负载的混合型非线性负载5843本章小节605总结与展望6351本文研究工作的总结6352未来工作展望63参考文献65攻读硕士学位期间发表的科研成果69致谢711绪论随着法拉第电磁感应定律等的发现，经过一个多世纪的发展，电能的应用已经深深地嵌入了社会各个行业与领域之中，对电能的应用程度可以作为衡量不同国家和地区发展水平高低的重要指标。最近几十年来，随着我国经济水平的提高，各行各业迅速的发展，极大程度的促进了我国电力工业快速发展，同时由于电力工业的高速发展，也对我国各行各业，特别是工业的高效有序生产提供了不可替代的保障。随着我国电网建设的逐步完善，和各大发电集团对新能源及可再生能源积极探索和开发，我国电能紧缺的状况基本得到解决。随着电能紧缺问题的解决，与此同时到来的是广大用户对电能质量各方面的提高。但是不同的行业、不同的设备对供电电能质量的要求不尽相同，衡量电能质量的标准一般是电流或者电压的各项参数满足符合要求的规定。在上个世纪九十年代以前，应用在电力系统中的大多数设备对供电质量的要求并不是特别高，大多都能在额定的电压电流值上下偏差在一定范围内仍然可以保持持续正常的工作。但是在二十世纪最后十年中，随着计算机的普遍应用，特别是随着信息处理技术的不断进步和发展，各种基于微处理器控制的用电设备大量投入使用，这些设备对电能质量的波动比较敏感，电压或电流的波形、幅值及频率的波动可能影响这些设备的正常运行，导致设备发生故障停运，导致直接经济损失，甚至导致严重的间接经济损失，带来的破坏难以估计。随着电机大量应用和电力电子器件的发展，工业领域、农业领域、轨道交通、IT及通信领域甚至家庭中都已广泛使用由电力电子器件作为主要元件的用电设备，如近一两年成为热点的居民光伏并网发电、国家对电动汽车的大力推广等等。这些新型电气设备虽然在改善居民日常生活质量，提高各行业的生产效率和生产良品率，节约电能以及净化工作、学习、生产环境等许多方面都有着极其重要的作用和意义，但是因为这些新型负载所具有的非线性的特点，它们会在不同程度上产生一定的谐波，这些谐波最终会注入到电力系统中。电力系统中的谐波相关问题带来的影响已经逐渐引起了许多学者的研究兴趣。特别是最近几年来，被大量的应用非线性负荷和含电力电子接口的装置设备，谐波问题已经成为城市公用电网主要的问题之一。一方面，随着大量谐波电流注入电网，会引起电网电压的闪变和电压波形的畸变，同时也会引起三相电压的不平衡问题，造成电能质量严重降低。另一方面，电力系统中的谐波还会对各种工业、商业、公共及居民电力设备的正常运行有较大影响，与此同时，电力系统自身的安全运行也会受到不可忽视的影响1。11谐波的产生及其危害在接入电力系统的不同类型的负载中，根据运行的电气量特性可将其分为线性和非线性。其中具有非线性电气特点的负载在运行时会产生大量的谐波电流，根据特性的不同可以成为电压源型谐波源和电流源型谐波源2。非线性负载在吸收基波能量的同时会产生谐波能量，并将谐波注入到电网中去，当谐波含量超出一定范围会产生谐波污染，对电力系统本身的可靠、高效、经济运行产生严重的危害3。在材料科学不断进步的今天，开关器件性能也日趋完善。电力电子装置也被大量地应用到日常生产和居民生活中4，然而随之而来的是其产生的谐波问题，已成为电网谐波的主要来源。含电力电子接口的设备可以有效地将能量的应用效率提升到较高的水平，但也会带来不容忽视的谐波问题5。电力系统谐波会对电网的正常运行造成影响，并会对其他用户和设备产生影响，其危害可以概括叙述为以下几个方面6（1）污染城市公用电网当电力系统中的用电设备产生的谐波电流含量较高时，会对公用电网产生严重污染，当公用电网中含有大量谐波电流时，接入该电网的各种公用和家用用电设备无法正常工作例如各种服务器，交通信号电源，电视机，空调，计算机等，严重时会造成设备故障，甚至损害用电设备，进而造成之间和间接的经济损失。（2）危害输电线路安全电流流过输电线路具有集肤效应，电力系统的输电线路的线路阻抗也会随着输电频率的升高而升高，当流过输电线路的电流含有谐波时，会使输电线路的电能损耗增大，从而增大电网的网络损耗；谐波电流还会引起输电线路过流和过热，不仅会增大损耗，也会对线路的电能输送能力造成下降，浪费了电网的电能输送容量，使电网中的电能传输不能经济有效的进行。（3）形成谐振放大由于输电线路存在分布电容和电感，电容和电感会与设备之间形成串联或并联回路，当流入系统的的电流频率在这个回路的固有谐振频率附近时，会产生谐振放大，使得电流或电压突然增大数倍，谐振放大的现象一旦发生，其过程一般很难加以控制，这无疑会导致设备和电力系统的继电保护等设备误动作甚至损坏。（4）影响旋转电机运行由于谐波电流的频率高于电流的工频基波频率，磁滞损耗、涡流损耗等随着频率的升高而增大，即这样会使电机的铜耗和铁耗大大增加，使得设备温度过高，进而影响设备的绝缘水平，谐波的存在还会引起电机的振动，产生大量的噪声，长时间的振动与噪声，对机械、金属及居民生活工作环境造成极大影响。（5）增加变压器工作损耗在以三角形作为连接方式的变压器中，三次谐波电流及其频率倍数的电流会在变压器绕组中形成电流环流，不仅会增加变压器铜耗，还会使变压器发热增多，影响工作寿命和其稳定性。（6）使电力电容器加速老化谐波电压会使电力电容器介质的老化加快，使其故障增多，并使其工作寿命大大减小；且由于电容器会与电网分布参数形成谐振回路，谐波的存在可能使谐波电压和电流放大，这样会对电力电容器的稳定运行带来影响。（7）影响继电保护设备和电力系统自动装置的稳定性继保设备和自控设备能够可靠工作依据是工频的电压电流和标准的正弦波形，谐波使设备偏离了正常的工作点。（8）影响计量与测量精确性电力系统的各种电能测量仪器是以50HZ的工频正弦波作为基准波形的，谐波叠加后的波形一般为非正弦，而这会对计量装置的精确度带来较大影响，导致电能计量的不准确。另一方面，随着信息处理技术的快速发展，随着互联网思维在各行各业的尝试与运用，现代重工业和轻工业的生产、现代商业的运营、农业的生产及普通居民用户的日常生活都已经或者即将要步入数字化的信息时代。在这种情况下，对供电质量的要求以后会越来越高，正因如此，电力系统谐波和无功补偿问题已经成为我国电气工程领域面临的又一个巨大挑战。如何治理电力系统中的谐波电流，提高供电质量，会使电网的建设与发展面临新的机遇，成为输配电及供配电技术中急需解决的重要问题之一。12电力系统的谐波抑制及有源电力滤波器概述121电力系统谐波抑制在二十世纪六十年代，已有学者发现了谐波电流污染给电网带来的供电质量问题，特别是随着电力电子相关技术的急速发展，近几十年来，其带来的谐波污染问题也变得严重起来。世界各国和众多国际学术组织都对谐波相关问题投入了极大的关注。制定了很多限制电网电压和电流谐波及用户负载谐波的各项标准，并根据最新的研究成果，对电能质量的标准不断进行改进和完善。国际电工委员会在两千年前后发布了电能质量的IEC61000系列标准，该标准对电网电压总畸变率，各次谐波电压含量，以及谐波电流含量做了限值规定7。美国电气与电子工程师协会颁布了IEEESTD5191992电力系统中谐波控制的要求和应用实施导则8，在此次颁布的标准中规定了对不同电压等级的用户谐波电流的限制要求用来防止非线性负载产生的谐波电流大量注入电力系统，对接入电网的其他设备造成危害9。IEEE11592009电能质量检测推荐执行导则对电力系统谐波的相关规定进行了更新10。我国对于电能质量相关标准的建立也紧随其后，其中最新电能质量国家标准是GB/T243372009，该标准提出了对电网中谐波电压和谐波电流含量进行限定的强制性要求。对电网谐波的治理一般可以从两个方向着手一是对产生谐波的设备进行改造，减少电力电子装置向电网输送的谐波，如增加整流装置的相数、应用新型脉宽调制技术和增加功率因数校正电路等11；二是在有高电能质量需求的地方接入滤波装置来抑制谐波。其中对现有投产设备进行改造难度较大，改造后可能带来新的问题，而且不经济。增设滤波装置可对既有谐波源进行补偿，适用于已经存在谐波电流污染的场合中12。为了治理电网中的谐波，各种有源电力滤波器ACTIVEPOWERFILTER,APF以及无源滤波器PASSIVEPOWERFILTER,PPF被研制并应用于电网13。PPF需要对特定次谐波进行参数计算，不同次的谐波需要设计不同的PPF参数。相比于PPF，APF对电网谐波的治理不易受到系统参数的影响14。（1）无源滤波器无源滤波器是治理电网谐波的传统装置，其主要组成元件为电感与电容器。通过将设计的无源滤波器并联在待补偿负荷附近，能吸收某些特定频率的谐波15。这种传统的谐波补偿方式因其构造相对简单、工作稳定、维护便捷，在我国各级电网中都有使用。但同时，随着谐波污染越来越严重，只具有固定补偿频率的无源滤波器在许多现实场合的应用收到限制；同时采用的无源器件会与输电线路发生并联谐振，造成谐波放大，不仅会损坏无源滤波器，更会危及电力系统的安全稳定运行。综上所述，无源滤波器的应用限制条件较多，且易收运行环境影响，补偿效果不稳定。（2）有源电力滤波器针对无源器件的不足，人们研制出了有源电力滤波器。有源电力滤波器是研制出的新型的专门用来抑制电力系统谐波的设备，其在进行谐波电流抑制的同时还可以对系统的无功进行补偿16。有源电力滤波器的一般工作过程是通过实时地对谐波补偿对象进行谐波电流的检测，然后由主电路输出一个与检测到的谐波电流大小相等但是相位互差180的补偿电流，这样就可以达到消除电网谐波电流的目的。和无源的滤波器件相比，有源电力滤波器可以实现对变化的谐波电流进行快速的补偿，而且其工作特性稳定，不易受到电网参数和谐波频率变化的影响，也不易与电网发生谐振。相对于无源滤波器只能补偿单一频率的谐波，如果要实现多谐波的补偿，需要配置不同组数的滤波器，设计较复杂。有源电力滤波器可以实现较大频率范围内的补偿，在功率开关管的正常工作频率范围内，各次电流谐波都能被稳定的补偿。同时当负载谐波电流较大时，有源电力滤波器也会继续正常稳定工作，不会出现过载问题。此外有源电力滤波器还具有体积较小、重量也较轻等优点17。由于其所具有的优点，有源电力滤波器受到了学者和工程师极大关注，成为国内外电网谐波治理研究的热点。122并联型有源电力滤波器概述1221APF的发展历史如前文所述，基于有源电力滤波器的特点及优点，其作为解决电力系统谐波问题，改善电力系统供电质量的一种相当可靠的方案，在全世界都得到了推广和应用。早在二十世纪60年代末，BMBIRD和JFMARSH18就在其论文中提出了向电网中注入谐波电流的思想，通过将三次谐波电流注入到电网，消除交流电网中的三次谐波，达到改善电流波形的目的19。但此时两位作者还没有提出有源电力滤波器的明确概念。并联有源电力滤波的相关概念首先是由美国威斯汀豪斯公司的两位工程师LGYUGYI和ECSTRYCULA20在1976年提出，在论文中两位作者较为明确的表达了有源电力滤波器的本质是谐波电流源的观点，同时也在文中提出了有源电力滤波器的拓扑结构和实现方法，初步提出了有源电力滤波的概念。但限于当时的技术水平，即全控型的电力电子开关器件的功率一般较小，开关频率也相对较低，有源电力滤波器基本是用于实验室的实验研究，并无实际应用。在进入了二十世纪八十年代以后，随着电力电子功率器件的日益成熟和自动控制理论的日趋完善，对有源电力滤波器进行全面研究的各种条件也逐渐完善。在1983年，HAGAKI21等人提出了“瞬时无功功率理论”，并且以三相对称电路的瞬时无功功率理论为基础，使得电力系统谐波电流与无功功率的瞬时检测问题迎刃而解，并证明此理论可以应用于有源电力滤波器。“瞬时无功功率理论”的提出和实际应用，极大地推动了谐波抑制的研究和各种补偿装置的研制应用。自此以后的几年时间里，日本的工业界研制出了不同容量和类型的有源电力滤波器。而且从此时开始，有源电力滤波器才实质上引起研究者的兴趣，同时也在全世界范围内开始了快速发展并被应用到实际工业场合。1222APF的国内外研究现状作为提高电力系统电能质量的重要技术，世界各国都对APF技术给予了足够的重视。在欧洲、美国和日本等工业先进的发达国家和地区，APF得到了极大重视和大量推广。目前如ABB、西门子、施耐德、三菱电机等国际知名电气技术公司都投入了大量的资金和研究人员，并有相关的APF装置被应用在各类工业和民用设备上。且随着技术的进步和需求的增加，APF单机容量不断扩大，同时还具有改善电力系统整体电能质量的功能。由于我国电力工业起步相对以上发达国家较迟，国内学者开始关注有源电力滤波器始于二十世纪八十年代，并有相关论文发表；进入九十年代后，高校和各科研机构开始进行有源电力滤波器的系统研究，此时已经有不同容量等级的的APF样机被研制出来。进入二十一世纪后，国内对有源电力滤波器的研究更加活跃，特别是对并联型有源电力滤波器关注较多，同时无源滤波器与有源电力滤波器共同使用的混合型电力滤波器也吸引了许多研究人员的关注。目前有源电力滤波器的研究已经进入一个稳步发展的时期，一般中小功率的应用场合采用的拓扑基本是三相全桥逆变电路，在一些中高压大功率应用场合普遍采用多电平或者多重化技术，功率器件主要采用绝缘栅双极晶体管ISULATEDGATEBIPOLARTRANSISTOR，IGBT,IGBT综合了电力晶体管GIANTTRANSISTOR，GTO耐高压、电流容量大和电力场效应管METALOXIDESEMICONDUCTORFET，MOSFET的开关速度相对快、稳定工作频率较高等特点。从目前的研究热点来看，世界各国不同学术组织和科研机构针对有源电力滤波器关注的研究点来看，主要注意力基本都集中在了以下几个方面主电路拓扑结构的对比与选择、谐波电流检测和提取算法的优化以及对相关控制策略的改进等几个方面。总的概括来说，研究人员关注地较多的有源电力滤波器及其入网结构有串联型系统拓扑结构、并联型系统拓扑结构以及混合型系统拓扑结构。采用串联型系统结构的APF应用的场合一般是谐波源为电压谐波的情况；并联型系统拓扑结构的APF使用场合为谐波源为电流源的场合；混合型拓扑结构的有源电力滤波器综合了串联型系统和并联型系统的优点并用于改善其有源电力滤波器的工作性能及补偿效果。在谐波电流提取算法方面，研究的热点在瞬时无功功率理论方法及其改进上，也有许多先进的算法如神经网络、小波变换及自适应算法等被学者应用到谐波与无功电流的检测中。13APF补偿非线性负载谐振现象综述131谐振的定义和分类在物理学中，当外部作用力的作用频率，与系统本身固有频率相等或者非常接近时，系统进行受迫振动的幅度将达到最大，这种现象叫共振。电路中谐振的概念与共振类似，当电路的某个回路中含有电感线圈和电容器时，如果这时在这个回路中存在某个特定频率的电源，可以使感性电抗和容性电抗数值相等，使得电路对外呈现纯电阻特性，那么此时就称这个电路发生了谐振，这个外加电源的频率就称为该电路的谐振频率。当电路中发生谐振时，会出现远远超过正常值的电压和电流，会对电路的元件造成极大的影响，在电力系统中尤其需要预防谐振现象的发生。根据电路中电气元件组成回路方式的区别，可以分为并联型谐振和串联型谐振，串联型谐振发生时，谐振元件电压之和为零，因此呈现低阻抗特性，并联谐振发生时谐振元件电流之和为零，因此呈现高阻抗特性。根据电感特性参数不同进行的分类一般有三种参数恒定的线性谐振，如电机和变压器等的漏感，导线的电感等引起的谐振；由于铁心饱和时发生的铁磁谐振；参数会随电量产生周期性变化的参数谐振。根据谐振的分类及并联型有源电力滤波器的特点，其补偿非线性负载时发生的谐振主要为线性的并联或串联谐振。132电力系统非线性谐波源负荷分类根据负载的非线性特性的不同，谐波来源主要可以按照以下不同类型进行划分（1）各种含电力电子接口的电力变换设备随着近几十年来电力电子技术的飞速发展，电力电子器件被应用在各种逆变装置、整流装置、晶闸管及可控开关等设备中，这些设备在正弦交流周期中从电网吸收能量，在产生非正弦电流的同时，也会导致电压的畸变。（2）以放电电弧作为工作介质的用电设备交流电弧焊机和各种类型的气体放电灯等设备，这类设备在工作时，主要依靠电弧，电弧的工作过程为非线性，而这会导致电流的波动极其不规则，带来很多电流谐波，同时由于应用电弧的场合的特点，电弧一般通断频繁且不具规律，会引起流畸变和波动等影响电能质量的问题。（3）各种含铁心设备由于电动机、变压器、电抗器等设备是根据电磁感应原理进行设计和工作的，而铁心的磁饱和曲线具有非线性特性，这会导致电流发生畸变，能够产生大量的谐波，影响设备的正常运行。（4）日常生活设备日常生活设备虽然普遍功率等级较小，工作电压较低，但由于用户数量极多，其产生的谐波也是不可忽略的。各类日常照明灯具等；各种家居用制热制冷电器，例如电磁炉、取暖器、冰箱、空调等；各种办公自动化及不同开关电源等设备。133APF补偿非线性负载谐振现象综述有学者研究发现当APF在对非线性负载进行补偿时，补偿效果也受到谐波源特性的影响。有学者分析了电压源型非线性负载不适合用并联型APF进行补偿的原因，提出了通过改变系统结构来改变谐振发生的频率带的或减小并联型APF补偿谐波频率范围的手段，并进行了仿真验证22。文献23分析了APF补偿电压源型非线性负载时的特性，从性质和大小角度分析了负载谐波放大效应产生的原因，提出在电路系统拓扑结构和APF系统控制等方面对谐波放大现象进行抑制。文献24研究了并联型APF对电压源型非线性负载和电流源型非线性负载的谐波补偿特性，并指出了并联型APF对两类负载的补偿均会发生不同程度的谐波放大现象，并提出通过改变谐波补偿率的方法来降低谐波放大水平。以上的分析和解决方法为并联型有源电力滤波器补偿非线性负载提供了一些新的思路和方法，但是这些相关问题的分析方法中仍有可以进一步探索的研究点。同时，由于在实际的电网中，电压型非线性负载和电流型非线性负载很可能会同时存在于同一场合中，这时候就有必要进行更进一步的分析，为解决复杂谐波源问题提供解决方法。在配电网中，用APF对非线性负载进行谐波补偿时，常常也利用静止无功补偿装置SVC来控制系统的无功功率，使得现场更为复杂。根据实际工程有学者阐述了SVC与APF联合运行的优势和必要性，并分析了由晶闸管控制电抗器TCR和固定电容器FC组成的SVC与APF联合运行的基本原理和控制方法，并通过APF与PPF的联合运行来抑制电网等效阻抗与PPF间发生的串并联谐振25。针对由于拓扑的改变引起的谐振现象，有人提出了一种基于瞬时值比较的谐波阻尼反馈控制策略，在检测负载电流的前馈控制基础上，引入了检测网侧谐波电流和谐波电压的反馈控制，通过对负载电流、网侧电流、网侧电压的复合控制，以达到对谐振的抑制和提高补偿效果的目的26。14本文的选题依据和主要研究内容根据上小节所述，随着电力电子技术的发展，越来越多的开关器件被应用到各种电器和设备中去，而包含这些设备的负载被称为非线性负载，非线性负荷又可以进一步归类为电压型非线性负荷与电流型非线性负荷。非线性负载的的运行会产生大量的谐波电流，这些谐波电流最终会注入电网中去，而并联类型的有源电力滤波器可以用来补偿电流源类型非线性负载，而串联型有源电力滤波器可以用来补偿电压源型非线性负载。由于在实际中串联型有源电力滤波器结构复杂，造价较高，没有被普遍和大量的应用，主要应用的有源电力滤波器为并联型APF，而并联型APF补偿电压源型非线性负载会使负载的谐波电流放大，并影响电网的电流波形的质量。同时，在一些实际的应用场合中，不仅仅只存在一类非线性负载，有可能会有两类非线性负载同时存在的场合，也会存在有无功补偿电容器并联在非线性负载附近的情况。并联类型的APF虽然能补偿电流源型非线性负载，但由于其对电压源型非线性负载的补偿效果非常有限，此时并联APF对这种混合型的非线性负载补偿效果有待分析。因此本文主要针对电压源型非线性负载和电流源型非线性负载同时存在的场合以及容性负荷和电流源型非线性负载同时存在的场合进行了分析研究。本文主要的研究内容有（1）本文对有源电力滤波器的模型进行了对比和分析，主要分析了开关函数模型，动态相量模型以及输出阻抗模型。并选择输出阻抗模型对并联型有源电力滤波器进行分析。（2）通过分析并联型APF的输出阻抗模型，得出影响并联型APF补偿电压源型非线性负载效果的参数，并通过改变参数来减小和抑制谐波电流在负载中的放大；通过分析有容性负荷存在的场合，并联型APF补偿非线性负载发生谐波放大的机理，采用虚拟并联电阻的方法减小和抑制谐波电流的放大。（3）根据理论分析的结果，在MATLAB/SIMULINK里搭建电压型非线性负载和电流源型非线性负载同时存在的模型，改变相关的参数，分别进行仿真；通过对包含容性负荷的电流源型非线性负载进行实验和仿真。并通过观察电网电流和负载电流的波形和谐波含量，来验证理论分析的结果。2并联型APF的控制策略及数学模型有源电力滤波器是一类装置的总称，依照不同的用户要求和应用场合，适用的有源电力滤波器类型也不尽相同。主要的类型可以划分为直流侧并联电容的电压源型有源电力滤波器和直流侧串联电感的电流源型有源电力滤波器；根据接入电网方式的不同分为与负载并联在电网中的并联型有源电力滤波器和通过变压器串联在线路中的串联型有源电力滤波器；根据逆变器与电网接线方式的不同，可将其归类为三相三线制类型APF、三相四线制类型APF和单相的有源电力滤波器。尽管有源电力滤波器有如此多的分类，但其工作的基本原理和理论基础都是相同的，同时由于实际应用的有源电力滤波器种类主要为并联型有源电力滤波器，因此本章通过最常见并联型三相三线有源电力滤波器来对并联型APF的基本工作过程和原理进行描述。21三相并联型APF的整体结构并联型有源电办滤波器SHUNTACTIVEPOWERFILTER，SAPF主要用来补偿系统谐波电流和提供无功功率，并联型有源滤波器的本质是逆变器构成的谐波电流源，通过为负载提供需要的谐波和无功功率来提高电网的功率因数和电能质量。电压型PWM主电路是目前配电网中应用最为广泛的并联型有源电力滤波器主电路形式，其直流侧接有储能电容器，通过合理的控制与调节，使其在正常运行时直流侧的电压UDC可以维持稳定。相比于直流侧接有电感的电流型主电路，电压型PWM主电路的优点是电路结构简简洁，控制简单，电路损耗低和高效率。因其具有的这些特点，电压型PWM电路是并联型有源电力滤波器电路结构中投入使用最成熟的一种主电路形式27。图21为三相三线制并联型APF系统的典型构成图。图中电压型PWM主电路通过连接电感和无源滤波器接在非线性负载处或电网入口处，通过向电力系统中性点注入与负载谐波及无功电流幅值相当且相位互差180的电流来保持电网的电能质量。UDCL1L1L2LGC1C1C1RLC0LLL2L2LGLGL1US图21三相并联有源电力滤波器主电路模型APF主要由连接电抗器、无源滤波器、主电路及驱动控制系统等组成，根据各个组成部分的功能的不同，可以分为谐波电流的检测和提取、补偿电流的跟踪控制、逆变电路直流侧电压恒定控制和PWM调制等模块。并联型有源电力滤波器的一般工作过程如下（1）非线性负荷在产生谐波电流的时候也会消耗无功功率，APF的控制系统计算出当前的非线性负荷的谐波电流和无功，这样获得的电流即为APF输出电流的指令值。（2）控制系统根据采集到的APF输出电流，通过与指令值进行比较，运行电流控制算法，得到控制输出。（3）系统计算得到的输出量在经过PWM进行调制后会进入系统驱动电路，驱动开关管动作，在输出电抗器上产生电压，从而产生输出电流，来抑制系统中非线性负载产生的谐波电流，并补偿系统所需的无功电流。（4）系统在进行谐波电流运算和控制的过程中，还会对直流侧的电压进行调节，维持直流电容的电压稳定。UDCPWM谐波电流控制谐波电流检测与提取非线性负载连接电抗电压锁相UA,BC主电路及驱动ILISUS图22并联型有源电力滤波器工作原理图图22所示为并联型APF主要系统的基本工作过程原理图，主要包括谐波电流提取电路，谐波电流跟踪与实时控制电路，PWM调制电路和功率逆变电路及开关驱动电路，非线性负载为需要治理的谐波源28。谐波电流检测与提取电路是为了获取非线性负载电流中的谐波成分和无功成分。连接电抗器是为了滤除补偿电流的高次谐波，根据不同的需要，有L型、LC型及LCL型滤波电路29。22谐波电流检测及其控制算法对非线性负载谐波电流的精确检测，是APF能正常高效工作的前提。通过实时准确地检测系统的谐波，并通过APF进行补偿，使系统的电能质量符合要求。经过学者大量的研究，现在的谐波电流检测方法很多，但主要的理论依据有离散傅立叶变换、瞬时无功理论以及小波变换、神经网络等智能算法。其中使用比较广泛的有基于离散傅立叶变换的算法和基于瞬时功率检测理论的方法。221谐波电流检测算法（1）基于离散傅立叶变换的算法对于一个周期为T，旋转角频率为的周期信号XT可以用函数表示为（21）SINCOS0为自然数NKBTATXTXKNK其中。DTNTXTBDTNTXTANSI2,COS200对此周期信号进行离散化采样，设信号采样周期为，一个周期内的信号采样点数为N，那么就可以将该周期信号XT表示如下（22）13,20SINCOSNKTAKXN其中。TIITXNBIITAN/,2,21010公式（22）就是离散傅里叶变换公式，在一个周期的时间内完成对信号的采集和计算，就可以得到各个基波频率倍数的频率分量在频域下的值，再提取出所需要的谐波电流频率，通过相关的计算公式得到时域下的谐波电流值30。离散傅立叶变换的过程简洁，算法原理简单，同时检测精度也可以达到很高，不仅可以检测出不同频率谐波的幅值，也可以计算出各频率的相位信息，可以实现针对性的补偿，但离散傅立叶变换算法也有其局限性一、计算量大；离散傅立叶变换算法需要对整个周期的N组采样数据全部进行运算与分析，运算量较大，会影响谐波电流检测的实效性。二、易产生误差；对于一个稳定的周期信号，离散傅立叶变换算法可以获得非常好的检测效果，但当信号发生突变或者不呈现周期性变化时，基于离散傅立叶变换的方法可能产生很高的偏差，影响谐波电流补偿的动态响应速度和谐波补偿效果。（2）基于瞬时无功功率理论的算法根据日本电力电子专家HAKAGI在1983年首次提出的三相对称电路的瞬时无功功率理论21，将三相ABC对称坐标系下的电压矢量和电流矢量通过CLARKE变换转换到两相正交坐标系，对得到的瞬时有功功率电流IP和瞬时无功功率电流IQ进行定义，这样就得到瞬时有功功率和无功功率的定义。对三相对称电路电压和电流的瞬时值进行CLARKE变换，得到两相正交旋转坐标系下的电压矢量和电流矢量，其基本变换公式如下（23）CBAECE2/3（24）CBAIII2/3式中，EA，EB，EC分别为三相对称系统电压，2301132/CIA，IB，IC分别为三相对称系统电流。如图23，通过一个平面矢量图来描述E，E和I，I构成电压向量和电流向量的过程。IEEIIPEIPIPIIQIQIQEI图23两相正交坐标下电压与电流向量图如图23，根据电压和电流的矢量图得IEIIE（25）定义电流相量I在电压相量E相同方向上的平行投影相量为三相电路瞬时有功功率电流IP，定义电流相量I在电压相量E垂直方向上的投影相量为三相电路的瞬时无功功率电流IQ，及根据图可得表达式（26）SINCOIQP且由以上公式可以得到三相对称系统的瞬时有功功率与无功功率，计算如下（27）QPIEQP将公式（25）和公式（26）代入表达式（27）并进行化简，可得（28）ICIEQPPQ式中，在坐标系中，IP在轴和轴上的投影相量分别为ECPQ相和相的瞬时有功功率电流IP，IP，IQ在轴和轴上的投影相量分别为相和相的瞬时无功电流IQ，IQ，三相电路的瞬时有功电流和无功电流可由两相坐标系下的瞬时有功功率电流和无功功率电流通过如下变换得到（29）PCPBAICII3/2（210）QCQBAII3/2其中。2/3/C基于瞬时无功理论的电流检测算法中，两相正交坐标系仍为相对旋转坐标系，将其通过同步旋转坐标变换DQ0变换到两相相对静止坐标系，如下式（211）ICITTIQDCOSINSI其运算检测原理如图24所示LPFC3/2PLLESINWTCOSWTCIAIBICIIIQIDC2/3CIFIFIDIQIAFIBFICFIAHIBHICH图24IDIQ谐波电流检测方法原理图采用这种基于同步旋转坐标变换的电流运算方法后，无需使对三相电压进行运算变换，而只需要计算出A相电压的频率和相位。使用锁相环就可以精确地算出A相系统电压的相位和频率信息，并获取与EA同相位的信号SINT和COST。通过式（211）计算出ID和IQ后，使用低通滤波器LPF过滤掉其中的交流量，得到ID和IQ的直流量。再通过C变换及C2/3变换后，就可得到被检测电流的基波交流分量IAF、IBF、ICF。再将被检测交流电流IA、IB、IC与基波交流分量IAF、IBF、ICF作差就可得到有源电力滤波器的指令电流。根据图24，若需要补偿谐波电流的同时还进行无功电流的补偿，只需要将IQ通道断开，得到的指令电流就是需要补偿的谐波电流和无功电流之和。采用IDIQ运算方式进行谐波电流运算检测时，由于只需要计算一相电压的相位信号参与运算，即使电源电压发生畸变，也不会影响锁相环检测的准确性。因此采用IDIQ算法的谐波电流及无功功率检测方法具有良好的检测时效性性与精确性。222谐波电流控制算法在并联型APF进行工作时，输出电流的控制算法可以直接影响APF的补偿效果31。可靠及有效的补偿电流控制算法可以使APF的响应速度和谐波补偿精确度。根据有源电力滤波器的实际的电流输出值与补偿电流指令值进行对比运算，来控制逆变器的开关的开通和关断，使得输出值尽量跟随电流指令值的变动32。正是由于谐波电流的控制算法对APF的谐波补偿结果起着至关重要的作用，目前关于电流控制算法的研究较多，目前应用成熟的控制算法有基于滞环输出的比较法，基于PI控制的传统三角载波法，基于谐振频率的PR控制算法，基于内模的重复控制算法等33。（1）滞环比较法滞环比较法是一种基于瞬时值比较的方法，通过将补偿电流得到的指令信号IC和实际输出信号IC进行实时的对比，将两者的差值作为滞环控制器的输入，并由滞环控制器的比较模块来生成PWM信号，控制开关管的开通与关断，以控制输出的补偿电流波形。在基于滞环比较法的控制器中，输出补偿电流的对指令电流的实时追踪性能主要由滞环比较器的环宽决定。当滞环的宽度较大，开关管的开通关断频率相对比较低，但是这种情况下，其跟随指令信号的误差会比较大，因此补偿电流的的追中效果不好。若滞环宽度小，则补偿电流跟踪效果好，但是开关器件工作频率也相对比较高。滞环电流比较控制逻辑简单，补偿电流的响应速度也很快。由于滞环宽度一般是固定的，随着输出电流的变化，开关器件通断频率不稳定，需要在控制器补偿效果与开关通断频率两个关键性能之间综合考虑，在不超出开关频率限制的条件下，还能得到相对比较好的补偿效果32。采用滞环比较法的控制方式有如下的特点1可以实现对负载谐波电流的快速跟踪，电流跟踪响应速度快；2谐波电流跟踪的误差范围上下限是可以确定的，可以通过设定减小输出的偏差，但还不能做到无静差电流输出；3由于设定了滞环宽度，不需要载波，控制简单；4开关频率不固定，输出的开关频率附近的高次谐波电流频率也不固定，不易于设计高次无源滤波器。IC主电路IC输出脉冲输出ICICHHOUT滞环比较器图25滞环控制比较法工作原理在采用滞环比较法的有源电力滤波器控制方式中，滞环控制器的环宽对谐波电流的跟踪控制性能影响较大。根据图25，若环宽较大，则开关器件工作频率较低，但谐波电流跟踪偏差较大；若环宽较小，则跟踪电流误差较小，但开关器件工作频率及其损耗较大；若将滞环宽度设为固定值，那么谐波电流跟踪误差范围上下限也是固定的，但这时候开关器件工作频率是变化的，变化的开关频率对半导体器件要求过高。针对以上问题，一种解决思路是设计出自适应的滞环宽度，使滞环宽度可以随着跟踪电流与指令电流的差值变化而变化，当差值大于某一上限值，减小滞环宽度；当差值小于某一下限值，增大滞环宽度。这种方法设计复杂，实际场合的应用中限制较多，不宜采用。另一种思路是采用较小的滞环环宽，但是为了限制PWM开关频率，设定一个时钟信号，使得PWM脉冲信号在一个时钟周期内最多进行一次变换，这样开关器件的开关频率上限得到了限制，避免了工作频率过高的问题，这种方法数字实现容易，但也有其不足之处，即补偿输出电流的跟随误差限值是变动不定的。（2）PI控制的三角载波控制法基于PI控制的三角载波法是目前并网逆变器使用最为常见和成熟的方法，因其简单的工作原理和可靠的控制方法，被广泛的用于各种逆变电路中。其工作原理如图26所示；相比于其他采用PWM三角载波控制方式，应用于并联型有源电力滤波器的三角载波调制控制方法有所不同将指令值IC与实际输出值IC进行实时差值比较，得到二者的差值IC，得到的差值再经过比例积分电路后可以得到逆变器输出电压的调制信号，再将其与幅值为1的三角波进行比较，控制输出的目标为使IC最小。而并非将补偿电流输出指令IC与三角波进行直接比较。这种基于PI