【电气工程及其自动化】电力系统谐波产生机理及抑制研究

本科生毕业论文（设计）电力系统谐波产生机理及抑制研究二级学院信息科学与技术学院专业电气工程及其自动化完成日期2015年5月24日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录1绪论111研究的目的和意义112国内外研究现状213本文的主要工作22电能质量及电力系统谐波321电能质量322电力系统谐波6221电力系统谐波的概念6222谐波的危害823本章小结83电力系统谐波抑制的理论及方法831引言832被动型谐波抑制技术9321无源滤波器9322有源电力滤波器10323混合型有源滤波器1433主动型谐波抑制技术1634本章小结174并联型有源电力滤波器系统仿真1741引言1842APF的系统仿真建模18421仿真模型参数18422谐波电流检测电路的仿真模型建立19423PWM波生成模块的建立21424有源电力滤波器主电路仿真模块的建立22425有源滤波器整体仿真模型2243仿真波形及结果分析2344本章小结255结论26参考文献27致谢电力系统谐波产生机理及抑制研究摘要本文论述了课题研究的目的和意义，对电能质量的基本概念及标准作了介绍，阐述了电能质量与电力系统谐波之间的关系，最后，讨论了电力系统谐波常用的抑制方法即被动型谐波抑制技术和主动型谐波抑制技术，并构建了三线三相制并联型有源电力滤波器，进行了MATLAB仿真，仿真结果验证了该滤波装置的良好补偿性能。关键词电力系统；电能质量；谐波；抑制；MATLABAPPLICATIONRESEARCHONPOWERSYSTEMHARMONICDETECTIONANDSUPPRESSIONABSTRACTTHEPAPERDISCUSSESTHERESEARCHPURPOSEANDSIGNIFICANCETHESECONDPARTOFTHETHESISANDTHENONTOTHEELECTRICQUALITYOFBASICCONCEPTSANDSTANDARDSWEREINTRODUCED,ANDELABORATEDTHERELATIONSHIPBETWEENQUALITYOFELECTRICENERGYANDELECTRICPOWERSYSTEMHARMONICFINALLY,THEPAPERMAINLYDISCUSSESTHEPOWERSYSTEMHARMONICSUPPRESSIONMETHODBASEDONCOMMONLYUSEDPASSIVEHARMONICSUPPRESSIONTECHNOLOGYANDACTIVEHARMONICSUPPRESSIONTECHNOLOGYTHENTHISTHESISDEVELOPSATHREEPHASETHREELINEPARALLELACTIVEPOWERFILTER,ANDCONDUCTSSIMULATIONEXPERIMENTSWITHMATLAB,WHOSERESULTSVERIFYTHEGOODCOMPENSATIONCHARAETERISTICSANDPERFORMANCEOFTHEFILTERINGDEVICEKEYWORDSPOWERSYSTEMPOWERQUALITYHARMONICSUPPRESSIONMATLAB1绪论11研究的目的和意义随着电力电子技术的迅速发展，大量非线性负荷（如电气化铁道牵引负荷、整流负荷、电力机车、电弧炉、变频调速装置等）接入电力系统，这些非线性负荷在系统电压的作用下，供电电流发生畸变，含有大量谐波成分。非线性负荷的谐波电流注入系统后，在系统阻抗上产生谐波电压，引起电网电压畸变，造成电力系统谐波污染。目前，电力系统的谐波问题日益严重，不但降低了电能质量，还威胁到电力系统的安全运行。所以，对电力系统的谐波问题进行计算、分析和研究，并采取相应的抑制措施，是一项非常迫切的任务。改善电能质量，既需要供电部门提高供电质量，同时在也有必要在用户侧就地改善电能质量，相关标准明确指出用户的非线性负荷、冲击性负荷、波动负荷、非对称负荷对供电质量产生影响或对安全运行构成干扰和妨碍时，用户必须采取措施加以消除。本文研究的主要就是如何在用户侧抑制用户产生的谐波电流以及电流不对称等电能质量问题。谐波研究的意义，是因为谐波的危害十分严重，谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁，还会引起供电电压畸变，增加用电设备消耗的功率，降低系统的功率因数，增加输电线路的损耗，缩短输电线寿命，增加变压器损耗，对电容器有很大影响，造成继电保护、自动装置工作紊乱，增加感应电动机的损耗，使电动机过热，造成换流装置不能正常工作，引起电力计量误差，干扰通信系统，对其它设备造成影响1。谐波研究的意义，还在于其对电力电子技术自身发展的影响。但是，目前电力电子装置产生的谐波污染己经成为阻碍电力电子继续发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效的研究。谐波研究的意义，还可以上升到治理环境污染、维护绿色环境来考虑。对电力电子而言，无谐波就是“绿色”的主要标志之一。因此消除谐波污染，己成为电力系统，尤其是电力电子技术中的一个重大课题。谐波研究及其抑制技术已日益成为人们关注的问题。12国内外研究现状随着电力电子以及相关技术的不断发展和完善，20世纪60年代的末期，BMBIRD和JFMARHS在他们的论文中首次提出了向交流电网中注入一个大小相等、方向相反的三次谐波电流来减少电网中的谐波成分，虽然有源滤波器这一词在文中并没有出现，但是文中的描述却是当今有源滤波器的萌芽2。随后于1976美国西屋公司的ECSTRYCULA与LGYUGUI以PWM技术为基础，在理论上证明了有源电力滤波器可以作为一个理想的谐波源，同时也在文中提出了有源滤波器的拓扑结构和实现方法。但是直到以日本著名学者HAKAGI提出的三相电路瞬时无功功率理论为基础的谐波检测算法得到实际的应用以后，有源电力滤波器才真正意义上在全世界范围内得到了广泛运用。目前从世界各国对有源滤波器开展的研究工作来看，主要的研究热点与关注点基本上都集中在结构选型的对比、谐波提取算法的改进以及控制策略的优化三个方面。一般来说，目前研究的有源滤波器其结构拓扑方式主要有并联型拓扑、串联型拓扑以及混合型拓扑。采用并联型拓扑的APF有源滤波器主要应用于谐波负载源为谐波电流的情形，采用串联型拓扑的APF有源滤波设备主要应用于谐波负载源为电压谐波的情形，混合型拓扑结构的APF有源滤波器集中两者的优点主要用于改善普通有源滤波器的工作性能。我国和国外相比开展有源电力滤波器的研究工作相对来说要晚一些，但是随着电力电子器件的广泛使用带来日益严峻的谐波问题，国家在这方面投入了不少的人力物力。13本文的主要工作本文首先对谐波问题及其现状进行了描述，并简单介绍了抑制电网谐波的主要方式，由传统的LC滤波装置到有源电力滤波装置（APF）的发展过程及其今后APF的发展趋势。本文的主要工作如下（1）对电能质量的基本概念及标准作了介绍，并阐述了电能质量与电力系统谐波之间的关系。（2）调查了解电力系统中谐波的产生机理及危害。（3）通过对谐波抑制方法研究，对谐波治理方法中的被动治理进行了深入研究，并对谐波抑制的各种方法进行对比。并进行了MATLAB仿真。2电能质量及电力系统谐波21电能质量（1）电能质量的基本概念3电能质量，是指我们能保证安全、高效、精确的分配、输送和使用电能的品质。能够输送标准的电压，输电信号的所有参数不受传输过程中负荷的影响，并提供稳定的正弦波形和稳定的频率是理想的电力系统所必须的。各相电压和电流的幅值大小一样，各相电流和电压间的相位相差为120度这种相对称的状态是三相交流电力系统所具有的特点，但由于该特点在实际传输情况下也不是理想状态，因为三相交流电力系统中各元器件的参数也并非具有理想的对称性和线性。此外，还因为现在一些调控的技术手段也是有不足的。使得电力运行过程中出现了一些因各种故障或因负荷的随机性变化造成的电能质量问题。电能质量是描述各方面电能质量的具体参数指标。电能质量问题可解释为电压、电流、频率偏差等因电气设备的故障使这些电信号不能正常工作。就实际造作和实际传输过程上产生的问题可知，优质的供电系统就是保证电能质量高效的基础。研究电能质量需要从以下几个方面进行分析。1）电压的质量实际过程中是计算理想电压与传输的实际电压之间的偏差，计算结果反映了电压质量是否符合用电客户的使用标准。考察电压质量通常是对这些指标进行测量电压偏差、电压频率偏差、电压不平衡、电压暂态现象、电压波动与闪变短时电压波动、电压缺口、欠电压、过电压、电压谐波、电压间谐波等。2）电流的质量电流质量是确保能够使输电过程中产生的负荷降低，减少电能损耗，有效提高电能的质量。电流的质量是与电压质量有一定的关系的，电流的波形要保证与电压的相位相同，才能使电力系统运行保持在高功率因数。前提是要求交流电源有稳定的正弦波形和恒定的输电频率。3）供电的质量供电质量在技术含义层面上是指供电的可靠性和电压的质量，在非技术含义层面上是指供电能服务的质量。4）用电质量用电的质量多是指用电客户对使用电能的评价，也有供电方面的因素，是双方共同作用的责任和义务。用电的质量在技术层面上的含义是指电能质量的标准和要求与影响。在非技术层面上的含义是指用电的用户在规定的时间内如数、按时的缴纳使用电能的费用，是履行用电客户的职责。国际上的一些组织和机构也对电能质量进行了标准的定义。国际电工委员会对电能质量标准的定义做出了概括性的总结，在不中断和不干扰用户使用电力的物理特性的情况下使用的电能的标准叫做电能质量。（2）电能质量的影响因素1）电力负荷构成的变化电力系统中由于存在着大量的非线性负荷，如节能装置、直流输出设备、电气化铁路、大功率电力拖动设备炼钢电弧炉（交，直流）。电化工业设备、感应加热炉及其它非线性负荷等。2）大量谐波注入电网新型电力设备中同时具有冲击性负荷电压波形严重变形时有非线性。由于含在满足功率难免产生时脉冲以及具有非线性，往电网控制和处理的同时植入谐波电流的同时往往使公共连接点产生的正弦波形的电流瞬间对其他的质量干扰。3）电力设备及装置的自动保护和正常运行当大型电力设备发生启动、停运、跳闸及重合的情况发生时，均会对电能质量产生很大的影响，尤其是使额定电压发生变化，当额定电压暂时降低，电压波动与闪变的现象会发生。（3）电能质量分类及主要参数指标为了保证电能质量指标应运而生，保护电气环境，以及安全经济运行电力用户，保证电能质量正常使用，以及为维护供用电双方和监督管理合法权益。世界针对电能质量近年来比较完备的标准己经在许多发达的工业国家相继制定了电能质量标准，尽管是世界上各个国家制定的和不同权威制定的不完全相同的标准，但基本框架是相接轨的。这六项标准整体来说，可被总结为两种大的电能质量问题的类型，分别是暂态类型和稳态类型。产生稳态电能质量问题的因素主要是因为输送电能的时间长，输电电压和电流变化较慢，产生这一问题的根源是负荷功率变化。产生暂态电能质量问题的原因是输电持续时间较短且变化速率较快，产生这一问题的根源有大负荷投入和设备故障等。通过研究我国电能发展质量的历程，我国的电能质量和欧美国家标准以及电能的质量相对照的标准，可将电能问题分为两大类问题即暂态问题和稳态问题，其相关电能质量指标参数及现象如下。1）因稳态电能质量而产生的问题谐波谐波自身整数倍的频率通常为基波的频率。GB/14549T1993制定的标准有各次谐波含有率（HR）和总畸变率谐波（THD）。间谐波间谐波是指频率不是基波频率整数倍的谐波。间谐波主要由静止变频器，感应电动机和电弧设备等产生。另外电力载波也可以认为是一种间谐波。电压波动与闪变电压波动是电压均方根值一系列相对快速变动或连续改变的现象，其变化周期大于工频周期，其电压幅值变化通常为额定值的09到11倍之间。闪变定义为工程中常常用电压闪变由于人眼对灯光闪烁所引起的电压波动主观感受。由于约定俗成，来描述闪变、电压波动现象。2）暂态电能质量问题电压暂降电压暂降是指由于故障干扰造成供电电压均方根值在短时间内突然下降到额定值的1090的事件，其典型的持续时间为0530周波。标称电压暂降最重要的三个特征量是电压暂降的幅、持续时间和相位跳变。电压中断电压均方根降低到接近于零时，称为电压中断。电压中断分为长时间中断和短时间中断。IEC定义长时间中断持续时间最少为3分钟，小于3分钟的中断称为短时间中断；IEEE标准则将大于1分钟的中断定义为长时间中断。电压暂升电压暂升是指工频条件下电压均方根值上升到1118倍的额定电压之间，持续时间小于1分钟的一种短时间电压变动现象。且它的起因是由系统故障所引起的。瞬时脉冲瞬时脉冲表示两个连续稳态之间在极短时间内发生的一种突变现象或数量变化。电压切痕电压切痕是一种电压扰动时间小于1/2周波的，它是由参与换相电路瞬时的短路引起的。22电力系统谐波221电力系统谐波的概念国际上目前对谐波的定义是谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。由于谐波的频率是基波频率的整数倍，根据法国数学家傅里叶分析原理证明可知，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。一般来说，奇次谐波同偶次谐波相比，前者所引起的危害比后者造成的危害更多更大。在平衡的三相系统中由于对称关系偶次谐波己经基本被消除，只有奇次谐波存在。目前电力系统中的谐波源，我们依其非线性特征划分为依据，大致可以将其划分为三大类（1）铁磁饱和型。主要包括变压器和其他一些带有铁芯的电磁设备以及电机等，它们的非线性磁化特性将会引起谐波的产生；（2）整流装置，通常为各种交直流换流装置以及电力电子开关设备等；（3）电弧型，常见的装置主要有交流电弧炉电焊机4。（1）谐波含有率HR谐波含有率定义为第H次谐波分量与基波分量两者之间的比值。谐波电压含有率（210UHRH1）UH，IH分别表示第H次谐波电压，电流的有效值。谐波电流含有率（22）10IHRH且U1，I1分别表示基波电压，电流的有效值。（2）总谐波畸变率THD总谐波畸变率是用来表示因谐波引起的偏离正弦波形的行程。谐波电压总量为（22223NNUUU3）谐波电流总量为（22223NNIIII4）电压总谐波畸变率为（210UTHDU5）电流总谐波畸变率为（210II6）电力系统谐波可分为两大类暂态谐波电力系统中使用的电气开关操作所产生的谐波称之为暂态谐波，此外电力系统或是使用电力的生产设备发生故障，暂态谐波也会产生。稳态谐波电力系统中非线性负荷所产生的谐波称之为稳态谐波。常见的这些非线性负荷主要有以下几类1）电流源谐波主要为大功率交流装置，如大型电解电源、电力机车、中高频加热炉、大型电化电源、轧钢机械设备。这些装置的共同点是都含有大功率的电力半导体器件。2）电压源谐波主要是指含有铁芯的大容量变压器、铁芯电抗器、电动机、电焊机、电压互感器等装置。3）其它类型的例如电视、电池充电器、荧光灯等装置。由于电流源谐波对电网造成的影响最大，电压源谐波对电网产生的影响相对来言很小，论文后面讨论的对象是电流源谐波。222谐波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，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化。近三四十年来，随着各种电力装置的迅速发展使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性引起了人们的高度关注。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面（1）导致电网谐振。一旦发生电网谐振，整个系统都将被破坏，甚至会烧毁电容器与电抗器，导致系统工作质量的降低。（2）破坏保护系统。谐波的产生危害到多个系统，同样对安全保护系统也将造成极大的损失，可能导致继电保护系统工作失常，导致供电系统的无故中断，影响用户用电。（3）增加线损。目前节能降损己经成为公众关注的热点，但是电力系统谐波的产生将会导致线损率上升，降低电力设备工作的质量，如果发生大量的三次谐波流过中线的事故，极有可能引起电路火灾，危害极大。（4）危害设备。谐波的产生将会威胁到部分电气设备工作的正常运转，导致设备发生故障，导致设备的使用期限缩短，导致设备损毁。（5）影响通信系统。谐波产生干扰波，对一些距离较近的通信系统产生一定的强干扰，一般会产生噪音危害，但是在严重的情况下将会影响整个通信系统的工作，使其无法正常运。（6）威胁电子设备。电子设备在工作过程中有可能造成数据的丢失或者是造成死机，影响整个系统的工作。（7）影响电力其它设备的运转。（8）造成经济损失。谐波将会对电气测量的仪表产生威胁，导致计量的数据出现错误，对供电与用电都会造成经济上的损失5。23本章小结本章主要是介绍电能质量以及电力系统谐波，使我们对其有一个清醒的认识，以及他们之间的关联，使我们明白能否及时有效的抑制电力系统谐波直接关系到电力系统电能质量的好坏。3电力系统谐波抑制的理论及方法31引言在工业产业化和信息产业化迅速发展的今天，人们对电能质量的要求也在同时提高。但电子装置由于会受到自身非线性因素的干扰，使得电子器件、电力设备己成为电网中最重要的一类谐波源，电流、电压波形和不对称对电网造成更严重的失真，进而造成的后果比较厉害。将电流谐波控制在限定值之内并且能够控制或者消除注入系统的电压谐波。这就是我们对谐波进行处理和完善的目的。对系统中的谐波进行抑制主要有两种思路6。一种是被动型思路，通过利用谐波补偿装置来对系统进行谐波补偿；另一种是主动型思路，即对设备本身进行一定程度的改造，使谐波在设备中不能够产生，进而使其与功率有关因素控制在1内，目前这仅适用于最为主要谐波源的电力电子装置。在目前现有的谐波抑制技术当中，无源滤波器（PPF），有源电力滤波器（APF），混合有源滤波器（HAPF）等通常称呼为被动型抑制，而对电力电子设备自身进行升级改造以及开发新型的低谐波变流器则是称为主动型抑制。32被动型谐波抑制技术321无源滤波器LC无源滤波设备我们通常又称为无源滤波设备，是一种非常容易见到的并能对谐波进行处理的设备，其构造为拓扑形状，并按照特定的某些参数进行配置而结合成的。通过为谐波提供高的抗阻路径，并在有所保留的前提下而使基波短路，不注入系统但要通过滤波器。由各种电器原件适当组合而构成的滤波设备在与基波源串联的情况下，将需要消除的间谐波次数与滤波器振动次数设为一样的，该次基波大部分便会注入到滤波设备中，既可用于弥补不利波形，同时电感还可以弥补功率的有效部分，进而改善系统的因素和功率效果。单调谐滤波器，高通滤波器和双调谐滤波器是无源滤波设备常见的三种类型。图31单调谐滤波器图32双调谐滤波器单调谐滤波设备主要是根据电容的谐振、电感的并联等原理而设计的，见图31，要想使流入到滤波设备的不利波能被消除，只需将要滤除部分的基波次数与滤波设备的振动次数保持一致便行，从而达到清除的效果。高通滤波设备同时又可分为以下几类一阶，二阶，三阶以及C型高通滤波器，见图32。针对两个单调滤波我们主要采用双调滤波器来代替，由于该滤波器能够减少基波损耗，并且成本具有成本低的优点，在高通直流输电工程中因而可以被广泛应用，见图33。图33高通滤波器无源滤波器由于结构简单，设备的投资较少，运行可靠性较高，运行费用较低，因而被广泛应用。但其主要缺点是由于补偿频带窄，且只能消除特定的几次谐波，并且会对其他某些次谐波产生放大作用；补偿特性容易受运行状态和电网阻抗的影响，并且容易同系统一起发生并联谐振，并导致谐波放大，从而使得滤波器过载，严重甚至会烧毁。此外，滤波装置自身笨重，体积较大，损耗也大。322有源电力滤波器7有源电力滤波设备简称为APF，是电力系统中一类电子重要的电力设备，并且其弥补特性不再会受到系统电力抗阻的干扰。（1）有源电力滤波设备运行的原理及工作方式有源滤波器的工作原理实质就是对信号检测单元中检测到的负载电流进行实时电流分离，从而得到谐波电流分量和基波无功电流分量，控制单元将其反相后，然后再将其作为补充电流的指令信号，主电路产生补偿电流跟踪指令信号，控制单元计算出经驱动电路后，并给功率单元的驱动供给触发脉冲，补偿功率单元的主电路会产生有效的补偿电流，使得电网中电流部分仅含有基波分量，从而达到无功补偿和消除谐波的目的。有源滤波器的结构原理见图34所示。（2）有源滤波设备常见的类型及其原理按照连接方式来对APF进行串一并划分将其概括为三类型，并联、串联型和串一并联型。就目前而言应用的最为广泛的是第一种，其结构见图35。其工作原理是弥补对象中检验出电流后，经电流运算电路计算得到补偿电流的指令信号，该信号经补偿电压后，电路中电压被放大，从而得出弥补电流。而由补偿装置产生的补偿电流与谐波电流大小相等并且极性相反，当补偿电流与谐波电流相加后，电网中只含有基波电流分量。图34有源电力滤波器结构框图图35并联型有源电力滤波器系统构成框图由于它与系统相并联，可以将其又等效为受控电流源，该系统主要适用于具有电流源性质的谐波源，例如说含有阻感负载的整流电路。由于它能够对无功电流和谐波进行动态补偿，并且其补偿特性不会受到电网阻抗的影响。其容量主要取决于补偿电流有效值与母线电压有效值的乘积。目前这类APF技术己经相当成熟，工业运行的APF大多属于这类滤波器。从APF主电路中可知，当各桥臂开关器件高频开通和关断的时候，会在工作频率附近产生高次谐波。为了消除这种高次谐波，需要在系统中并联由电感，电容等组成的高通滤波器，然而随着高通滤波器的引入，可能带来谐振并且电网侧电流及公共连接点处的电压波形会发生畸变等一系列问题。此外，国外成熟的APF产品用检测电网侧电流的方式工作，组成一个闭环系统，将消除因自身原因带来的畸变和谐振等问题。系统与串联型有源电力设备两者之间呈串联关系，且该类型的结构要比一般并联型的构造复杂，这是由于投切作用的存在，使得系统为应对故障产生后的保障措施要比并联型的多，由于设备较多，使得产生的耗损也比较严重，因而该类型单独使用的情况比较少见。如图36所示。图36串联型有源电力滤波器系统构成框图串并联型APF主要是指串联型APF和并联型APF的混合使用，如图37所示。由于其功能丰富，并且结合了两种滤波器的优点，通常我们也称之为通用电能质量控制器，它既能够补偿负载侧的谐波，同时也能够补偿电网侧所引起的谐波问题；并且还能够补偿电压谐波，电流谐波以及各类电压质量问题。串联的APF1使电源与负载相隔离，并阻止电源谐波电压流入负载端，同时也能够阻止负载中的谐波电流污染电网的情况发生；并联的APF2则为其提供了一个低阻抗的谐波电流支路，并主要用于吸收负载中的谐波电流，以便阻止负载中谐波电压因谐波电流的影响下在电源端产生。其主要缺点是控制方法负载，并且成本比较高。现阶段虽处于试验阶段，但它以后将会是一种很有发展前途的滤波装置。（3）APF的主电路拓扑APF的主电路目前大多采用PWM逆变器，根据逆变器直流侧储能原件的不同，可以分为电压型和电流型两大类电压型APF直流侧接有恒压的大电容；电流型APF的直流侧接有恒流的大电感。其中电流型APF能够更容易的跟踪补偿负荷的谐波电流，由于电流型APF的主电路损耗大，在交流侧需要加装更大滤波电容来滤除不需要的谐波电流，并且由于电流型结构不利于多重化，因而限制了整个滤波器的容量。相反，电压型却具有结构简单，重量轻，损耗小，价格便宜以及容易多重化等多数特点，从而降低开关器件的开关频率。图37串一并联有源电力滤波器系统框图其中电流型APF能够更容易的跟踪补偿负荷的谐波电流，由于电流型APF的主电路损耗大，在交流侧需要加装更大滤波电容来滤除不需要的谐波电流，并且由于电流型结构不利于多重化，因而限制了整个滤波器的容量。相反，电压型却具有结构简单，重量轻，损耗小，价格便宜以及容易多重化等多数特点，从而降低开关器件的开关频率。此外，由于电压型变流器的交流增益较高。因此在目前实际应用的装置中，90以上都是电压型，为了保证其具有良好的补偿电流跟随性能，必须将变流器直流侧电容的电压控制在一个适当的范围内。由于电流型APF能够直接输出谐波电流，不仅可以用来补偿正常的谐波，而且还可以用来补偿分数次谐波和超高次谐波，并且不会产生由主电路开关器件的直通而发生短路故障现象，因而在保护上与可靠性上具有较大的优势。随着目前对超导储能磁体的研究，一旦超导储能磁体能够实用化，必定可以取代大电感器，进而促使电流型APF应用增多。工程化的有源电力滤波器多是采用模拟和数字相结合的控制方式。实践表明，当涉及到电流反馈控制的时候，模拟控制方式总是优于数字控制方式，随着DSP芯片的出现，使得人们有可能对以往的使用控制电路进行优化，但应用于APF上，目前的DSP芯片的性能还有许多限制。有源功率滤波器的优势有很多，最常碰到的是，我们可以通过一台装置来实现对一个甚至是几个高次数的谐波进行滤波处理。滤波器自身同时具有控制电流的功能，高次谐波数量的增加不会使得装置的电流超过额定值的情况发生。因而我们不用担心设备的过载和损坏。与有源功率滤波器的优势与相比其劣势同样很多装置自身的损耗很大，且滤波器自身的装置损耗比与功率呈正比关系，损耗会随着功率的增加而发生急剧的上升。而且其价格昂贵，使得推广应用的成本提高，造成难以推广，由于受电子设备功率容量的限制，使得现阶段滤波器自身的容量造的不是很大。323混合型有源滤波器有源电力滤波器在一定程度上虽然能弥补无源滤波器在谐波抑制中存在的技术缺陷，但目前想要在完全取代无源滤波器在电力系统中的地位还是不太容易现实。在现有的功率器件水平下，难以实现大容量的有源电力滤波器；并且二者相比，前者比后者成本要高。同无源滤波器相比较，为了提高前者的成本和容量。将并联型或者串联型有源电力滤波器与无源LC滤波器混合使用生成混合型的有源电力滤波器能够改善前者容量低成本高的缺点。理论上混合型有源电力滤波器的组合方式有多种，根据应用场合的不同，我们特地介绍几种常见的混合型有源电力滤波器的组合方式8。（1）并联型APF并联型PPF该组合结合而成的混合有源电力滤波器的结构见图38所示。从图中我们可以看出两者都是以并联的连接方式接入电网。图38并联型APF与并联型PPF组合开关频率会对这种结构的组合方式造成一定程度的限制，因此该组合中的有源电力滤波器部分常用对系统的低次谐波部分进行补偿，无源电力滤波器部分常用于对系统的高次谐波部分进行补偿，电网和无源电力滤波器之间的谐振还能够被有源电力滤波器滤除，因此电力系统中常常看到这种混合型的组合方式。（2）串联型APF并联型PPF该组合方式的混合有源电力滤波器结构如图39所示，在该结构中有源电力滤波器与系统呈并联关系，无源电力滤波器与系统呈并联关系。有源电力滤波器在此组合中起到一个谐波隔离装置的作用。这种组合方案将两者的优势相结合，由于实现优劣互补以前补偿容量偏小的问题随着该装置的应用而迎刃而解。并且谐波被装置内的无源滤波器部分给滤除，使得装置的有源部分数量减少，由于PPF与APF相比，前者价格更低，因而能使装置的总成本降低。图39串联型APF与并联型PPF组合（3）APF与PPF并联后并联接入电网有源电力滤波设备与无源电力滤波装置经变压器并联，然后并联接入电力系统中，其结构如图310所示。图310APF与PPF并联后接入电网在该组合中，无源电力滤波器的作用主要是起到滤除谐波的目的，而有源电力滤波器的作用主要是用来改善无源部分的滤波特性。该能对有源部分结构复杂、损耗大、成本高的缺点进行克服，使得整个系统能获得良好性能。此外，有源电力滤波器在维护过程中，无源电力滤波器仍然能够正常的工作，对系统的基本运行不会造成影响。（4）统一电能质量调节器结合串并联型有源电力滤波设备各自的优缺点，且二者的优缺点之间存在互补性，所以人们将二者结合起来，研制出了一类新的串并联谐波综合控制器，通常称之为统一电能质量调节器。在柔性交流输电中它通常被广泛应用，其结构见图311。当前，我们研究最多的是有源电力滤波器与LC串联调谐滤波器之间的串联，这种结构既不产生谐波电流同时又能对电路进行无功电流补偿，在应用的同时，并且还能降低有源电力滤波器的电压等级，因而可以说是很有应用前景的一类组合方式。图311统一电能质量调节器结构框图33主动型谐波抑制技术（1）传统方法整流器是一个将交流转换为直流的整流装置。它主要有两个功能第一，将交流电变成直流电，然后经滤波后供给负载或者供给逆变器；第二，给蓄电池提供充电电压。因此，它同时又起到一个充电器作用。反之我们则将直流电转换为交流电的装置称之为逆变器。脉冲宽度调制是一种利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的非常有效的技术。采用整流器的多重化来减少谐波的方法是最常见的方法。通常情况下只对大容量场合适用，要想获得理想的结果，可以将PWM技术与多重化技术相结合。还可以得到采用及多电平变流技术还可以得到。高功率因主要是采用PWM整流技术来制造的。对于电流型PWM整流器，可以直接多开发器件进电流型行正弦PWM控制，以PWM整流器为例，当输入电流的波形接近为正弦波形多脉冲变流技术时，输出电流中就只含有高次谐波，且整流器谐波的频率与PWM开关的频率有关。整流器的频率由于很高，因而比较容易除去。小容量整流器就是我们常见的类型。斩波加二极管是其常采用的连接方式，通常是电压型的并且需要将电抗器与电源连接起来，且小容量整流器己经在电源开关中获得了广泛应用。利用脉宽调制技术来对滤波进行清除的技术有几类1）在保证1/4波形对称的情况下，通过对输出波形的各个转换时刻进行实时控制，以傅里叶变换为基础并以此来展开输出波形。从而使得基波的幅值为给定值，滤除谐波的幅值为零，且这类技术我们称之为PWM技术，开关的通断时刻我们可以通过优化后的算法来计算。2）SPWM技术。该技术有两类，将调谐波分为若干份是这类检测技术的关键，如对SPWM进行采样或者是区段面积等值法。前者是使等分中心点上的正弦采样值与脉冲保持一致。而后者则是使等分的正弦波面积与脉冲宽度二者之间保持正比关系。3）调制或跟踪PWM通过将调制波与输出的实际波形二者之间进行对比，当检测到的值不在某一给定范围内后，通过对开关的通断状态改变，则会使测得的值变小；反之的话，实际电流将会围绕参考信号进行振荡从而使测得的值变大。（2）开发新型变流器能使电源系统的电压，频率，相数和其他特性发生变化的电器设备叫做变流器。包括整流器、逆变器、交流变流器和直流变流器。矩阵式变频电路是一种交交直接变频电路9，即不通过中间环节，直接把一种频率的交流电路变成另一种频率的交流电路。这种电路的优点是，输入电流可控制为正弦波且和电压同相位，功率因数为1，也控制为需要的功率因数；其输出电压也为正弦波，输出频率不收电网频率的限制；能量可以双向流动。实用与交流电动机四象限运行。其缺点主要是，电路复杂，每个电路至少要8个全控型器件，每个器件还要并一个二极管。此外，控制也很复杂。目前这种电路还未进入实用阶段。成本高是主动型抑制方案的主要缺点，效率偏低也是其中的缺点之一，主动型抑制方案主要适用于功率很大的电力电子设备，且在应用的同时还应添上被动型抑制措施来抑制高次谐波的产生，这样才会取得比较好的抑制结果。34本章小结随着我国电能质量治理工作的深入开展，谐波的产生，管理与测量，谐波治理的综合动态措施，以及电网的无功功率补偿问题己经成为电力企业当前面临的一大课题，要想消除谐波对电网造成的污染，除了改善滤波措施外，同时在制造、设计以及使用非线性负载上，也应采取强有效的抑制措施，减小谐波对电网的入侵，从而真正地减少因谐波污染而带来的经济损失。要想使系统中的谐波抑制问题彻底解决，除了在严格控制谐波源的基础上同时还要想方设法提高自身的抗干扰能力，还要大力对谐波的保护性能进行改善，从而做到真正意义上的电磁兼容。4并联型有源电力滤波器系统仿真41引言有源电力滤波器系统是一个复杂的非线性、强耦合控制系统，对它进行精确的理论分析是比较困难的；而仿真试验可以验证控制系统结构的正确性，加深对其控制规律的认识和理解，而且系统一些重要电路参数和控制参数的仿真结果对试验装置参数的选择具有一定的参考作用。因此，在实际装置设计制作前有必要对控制算法的有效性以及整个系统的稳态性能和动态性能进行仿真分析。本章利用MATLAB/SIMULINK中的电力系统模块库对有源电力滤波器进行仿真和分析。42APF的系统仿真建模10421仿真模型参数本文所述的并联型三相有源电力滤波器系统模型主要有三部分组成电压源、谐波源（非线性负载）和有源电力滤波器，且仅对补偿对象中的谐波电流进行补偿；该系统各部分仿真参数如下（1）电源由于三相电网电压不能等效为理想电压源，因此三相电压源采用含有电阻RS01和电感LS005MH的线电压380V的电压源，并且忽略三相不对称的影响而采用工频对称的三相电压源。（2）变流器直流侧电容电容器的电容选择在确定了有源电力滤波器的补偿方式和补偿范围后，也就确定了PA的变化范围，以及允许UC波动的范围，在此原则的基础上，即可确定电容器的电容量为C250F（3）APF主电路交流侧电感根据电感L选取的原则，适当地选取电感L的值，可以减少由于IGBT开关动作引起的高频分量，结合仿真反复地测试后得L45MH（4）负载仿真负载采用三相可控整流负载作为谐波源，且负载电阻为RM10。为了减小负载电流突变时的上升率，在三相可控整流桥前串联三个小电抗，L1MH。422谐波电流检测电路的仿真模型建立电力电子装置已成为电力系统的主要谐波源，电力电子装置的输入端有以下几种电路整流电路、交流调压电路、或者周波变流电路（即交交变频电路）。本文的非线性负载选取三相整流桥电阻负载。这种整流电路所产生的谐波污染，影响了电网电流的质量，属于电流源型谐波源负载。利用MATLAB的POWERSYSTEM工具箱和SIMULINK的仿真环境可以得到图41所示的仿真模型。图41中的谐波检测模块对三相负载电流进行处理，其输出即为检测的三相谐波电流。图41采用的是IP、IQ运算方式，主要包括指令电流运算电路由3/2变换模块和2/3变换模块实现；设定A相电压初始相角为零，与A相电压同相位的正弦、余弦信号可直接采用初始相角为零的正弦、余弦发生器来产生；低通滤波器由数字信号处理的知识计算，并将其转化为离散传递函数，由仿真软件的离散系统模块实现。这里，低通滤波器选择二阶的BUTTERWORTH滤波器。图41IP、IQ检测法的SIMULINK仿真部分随着电力电子技术的发展，计算机能力的提高，以及对电能质量要求的提高，有源滤波器的实现方法也从模拟控制逐步发展为用DSP芯片实现的数字式控制系统。在本文有源滤波器的谐波检测中，采用IP、IQ变换的方法。这种方法需要对数据进行滤波以分离出直流分量。模拟控制系统中该低通滤波器是通过由运算放大器等模拟器件组成的模拟低通滤波器，而在DSP为核心的数字控制系统中，则要求设计动静态性能指标都比较好的数字低通滤波器，但如何设计并实现该数字低通滤波器，则取决于不同的有源滤波器的结构和参数选择。在设计该数字低通滤波器时，需考虑的几个主要因素是采样频率、截止频率和延时要求。为了保证系统的实时性和控制准确性，有源滤波器的控制采样频率很高，而截止频率很低，还要求该数字滤波器的动态响应快，延时尽可能小。对该数字滤波器类型的选择及参数的精度要求都很严格，设计的同时还要考虑在相应有源滤波器DSP控制芯片中实现的问题。数字滤波器根据结构分为无限脉冲响应滤波器（IIR）和有限脉冲响应滤波器（FIR），IIR型滤波器是一种反馈型滤波器，而FIR型滤波器是一种非反馈型滤波器。它们的特点各有不同。（1）IIR滤波器如前所述，IIR滤波器是一种反馈型滤波器。从其传递函数看，它既具有零点，又具有极点。由于需要的是一个低通滤波器（仅需滤出直流量），故可设滤波器的截止频率FC为1HZ，截止频率处幅值衰减3DB。对于IIR滤波器，由于阶数越高，延时越大，所以使用二阶滤波器。图42是四种IIR滤波器的阶跃响应及其频域幅值响应。1、BUTTERWORTH滤波器特性2、CHEBYSHEVI型滤波器特性3、CHEBYSHEVII型滤波器特性4、椭圆型滤波器特性1和5、二阶BUTTERWORTH数字滤波器2、200点FIR（矩形窗）数字滤波器3、200点FIR（汉明窗）数字滤波器4、200点FIR（BLACKMAN窗）数字滤波器图42几种IIR滤波器滤波效果比较图43各种滤波器的频域幅值响应从图42中可以看出，BUTTERWORTH滤波器的阶跃响应速度最快，频域幅值响应具有最平特性，但频域幅值响应的过渡带较宽；而CHEBYSHEVI型滤波器的阶跃响应速度最慢，其频域幅值响应的过渡带很窄，但二阶CHEBYSHEVI型滤波器对直流有明显的衰减；CHEBYSHEVII型滤波器的阶跃响应速度较BUTTERWORTH滤波器慢，但其频域幅值响应的过渡带窄，缺点是阻带内的衰减不够；而二阶椭圆滤波器的阶跃响应速度较BUTTERWORTH滤波器慢，其过渡带也较窄，缺点同样是对直流存在着衰减。（2）FIR滤波器FIR滤波器从传递函数上看，是仅具有零点而没有极点的滤波器。最为常用的便是窗函数设计法。下面就各种加窗FIR的滤波特性和BUTTERWORTH滤波器的特性作一比较。图43所示为使用MATLAB绘制的滤波器幅频响应特性。从图43可以看出二阶BUTTERWORTH型数字滤波器的幅值响应最好，在通带内衰减最快，而且阻带内呈最平特性。而FIR数字滤波器的通带带宽大，阻带内又存在旁瓣波动，因此就滤波器效果来看以IIR滤波器为优。从图中还可以看出，虽然FIR滤波器可以通过加大阶数来减小通带带宽，但阶数过大，就会引起数据存储空间的不足，给实现造成一定的不便。从结构上看，IIR滤波器涉及的参数少，实现比较简单，而FIR滤波器参数相对较多，所占存储空间大；IIR滤波器的缺点是由于结构是反馈型的，即其传递函数存在极点，所以它要求滤波器参数精度较高，否则很有可能引起振荡、发散情况，而FIR滤波器传递函数由于没有极点，不存在振荡和发散的情况，故在稳定性方面1PULSESTRIANGLEUUESELECT3UUESELECT1BUUESELECT1A1BOOLEANBOOLEANDOUBLENOTNOT1SIGNALS4OUT43OUT32OUT21OUT1VVOLTAGEMEASUREMENTSCOPE4SIGNALSPULSESPWMGENERATOR1PULSESABCPWMIGBTINVERTER99L9L2L1LIID5IID4IID1PIDISCRETEPICONTROLLER1IN1具有很好的特性。综合考虑，采用IIR型二阶BUTTERWORTH低通数字滤波器。423PWM波生成模块的建立电流跟踪控制模块的主要作用是根据检测的谐波电流产生指令电流，经过一定的计算，产生控制开关器件动作的触发信号，从而使有源电力滤波器产生所需要的补偿电流，图44是PWM整流器的SIMULINK仿真模型。图44PWM整流器仿真部分图44的PWM整流器仿真部分主要包括脉冲发生电路和主电路，其中脉冲的产生采用三角波控制方式。上图中IN1为图41中的输出谐波电流与实际补偿电流即OUT1、OUT2、OUT3的差值，OUT4为检测到的主电路直流侧电容电压值。SCOPE4显示的为实际的补偿电流。其中整流器采用SIMULIK提供的三相PWM变流器，开关器件为IGBT，开关频率根据不同的控制方法和所需控制精度选择，本系统中开关频率选择45KHZ。图44中PWMGENERATOR1采用的是空间矢量控制方法，三角波电流控制方式仿真模型见图45所示。图45中，输入信号与三角波比较生成矩形波，即六相PWM触发信号，触发有源电力滤波器主电路从而生成所需的补偿电流。图45三角波比较方式控制仿真模型三三三三IN1IN2OUT1三三三三三三三三POWERGUIDISCRETE,TS5E006SABCUNIVERSALBRIDGEABCABCIABCVABCTHREEPHASEVIMEASUREMENTOUT1OUT2OUT3SCOPE5SCOPE10SCOPE1SCOPERLIN1OUT1OUT2OUT3OUT4PWM三三三三三三三L5L4L3IID6IID5IID4IIDPIDISCRETEPICONTROLLER1DEMUX8001VBVC424有源电力滤波器主电路仿真模块的建立该有源滤波器的主电路由IGBT管组成，通过六相PWM触发信号控制主电路IGBT管的导通和关断，从而产生与谐波电流大小相等，而相位相反的补偿电流用来抵消负载所产生的谐波成分，见图44。425有源滤波器整体仿真模型图46中有源电力滤波器的SIMULINK仿真模型由三部分组成三相电源、非线性负载（谐波源）和APF。在仿真实验中的系统参数三相电源等效电阻为01、等效电感为005MH的380V的电压源；非线性负载前的平波电感1MH；三相半控整流电路的阻感负载电阻为10、电感为1MH；APF交流侧滤波电感45MH；APF直流侧电容C250F；APF功率器件开关频率F45KHZ；仿真采样时间T5E6S。其中电容电压的参考值选为800V。图46三相并联型APF的整体SIMULINK仿真模型43仿真波形及结果分析11（1）仿真波形图47补偿前三相负载电流波形图48补偿前A相负载电流（THD2521）图49补偿前A相电源电流频谱（FUNDAMENTAL3825，THD2521）图410A相实际的补偿电流波形图411三角波控制方法补偿后的A相电源电流波形从图411可以看出，三角波电流控制方法能有效地滤除负载中的谐波电流分量，达到使电源电流接近正弦的目的。（2）波形分析本文采用的仿真电压是380V三相对称的交流电压，负载是三相整流阻感负载，负载电流产生严重畸变，其THD为2521如图48所示。波形畸变原因是其中含有大量的5次、7次、11次、13次、17次