毕业设计—并联型有源电力滤波器的设计

1、本科毕业设计说明书（题目 ： 并 联 型 有 源 电 力 滤 波 器 的 设 计学 生 姓 名 ： xx学系专班院 ： 信 息 工 程 学 院 别 ： 自 动 化 系 业 ： 自 动 化级 ： 自 动 化 0 3 - 3指 导 教 师 ： xx二 七 年 六 月摘要随着电力电子装置的广泛应用，电力系统的无功及谐波问题日趋严重。传统 的无功补偿及谐波抑制方法已难以满足现代电力系统的需要。作为一种新型的补 偿装置，有源电力滤波器以其对电网负载、系统参数变化的自适应能力和较高的 反应速度被认为是目前最具发展潜力的无功和谐波补偿方法。本文以并联电压型有源电力滤波器为研究对象，系统地分析了并联电压型有

2、源电力滤波器的工作原理、补偿特性、谐波电流检测方法、补偿电流控制策略等 问题，并对并联型有源电力滤波器进行了设计。最后，利用 matlab 提供的电力 系统仿真工具箱对并联型有源电力滤波器整个系统进行了建模和仿真分析。仿真结果表明，并联型有源电力滤波器对带有阻感的三相二极管桥式整流负 载产生的谐波具有较好的补偿效果。关键词：谐波抑制；并联型有源电力滤波器；瞬时无功功率；仿真- i -abstractthe substantial increase in the use of power electronic equipment results in harmonic pollution and

3、 reactive burden above the tolerable limits. many conventionalsolutions to the power quality issues cant meet the conditions of modern power system. active power filters are known as a dynamic,adjustable and potential solution to the power quality problems.the shunt voltage-type apf has been analyze

4、d in this paper, in terms of the working principle, the compensation characteristics, the harmonic current detection approaches and the current compensation strategies ，the shunt active power filter are designed.at last,the simulation models are built up by the simpowersystems toolbox of matlab.the

5、results show that the designed shunt apf can well suppress the harmonic distortion generated by a three-phase diode rectifier.key words ：harmonic elimination; shunt active power filter; instantaneous reactivepower; simulation- ii -目录引 言 .1第一章 绪论.21.1 谐波问题及研究现状 .21.1.1 谐波的基本概念 .31.1.2 谐波分析 .31.1.3 谐波

6、的产生和危害 .61.2 谐波的抑制 .71.2.1 谐波抑制技术 .71.2.2 有源电力滤波器技术的发展 .71.3 研究并联型有源电力滤波器的现实意义 .7第二章 有源电力滤波器的基本原理和结构.92.1 三相电路瞬时无功功率理论 .92.2 有源电力滤波器的工作原理 .142.3 有源电力滤波器的系统构成 .152.3.1 有源电力滤波器的分类 .152.3.2 有源电力滤波器主电路的结构 .162.3.3 单独使用的并联型有源电力滤波器 .172.4 有源电力滤波器的特性 .182.4.1 双向补偿特性 .182.4.2 其他特性 .192.5 有源电力滤波器的控制方法 .192.5

7、.1 滞环比较方式 .192.5.2 三角波比较方式 .202.5.3 空间矢量控制 .212.5.4 本文采用的控制方法 .21第三章 并联型有源电力滤波器的设计.223.1 概述 .22 3.2 系统电路的设计 .223.2.1 主电路(变流器)设计 .22- iii-3.2.2 主电路交流侧电感的计算 .253.2.3 直流侧电压计算和电容选取 .263.3 电流电压检测设计 .283.3.1 电流检测电路的设计 .283.3.2 电压检测电路的设计 .28第四章 并联型有源电力滤波器的仿真.294.1 仿真环境 .294.2 仿真模型的建立 .294.2.1 并联型有源电力滤波器系统仿

8、真模型 .294.2.2 主电路的仿真 .304.2.3 谐波电流检测电路的仿真 .314.3 仿真结果 .324.3.1 补偿前电网电流仿真波形与分析 .324.3.2 补偿后电网电流仿真波形与分析 .334.3.3 数字低通滤波器截止频率对指令电流精度的影响 .354.3.4 仿真结果 .38结论及展望.39参考文献.41致 谢 .43- iv-1引 言随着电力电子技术应用的日益广泛，电力电子产品广泛地应用于工业控制领 域，用户对电能质量的要求也越来越高 ，而电力电子装置已经成为主要的谐波 干扰源，它们造成的危害已经引起人们越来越多的关注。在我国，近年来由于电 气化铁道的大量发展以及化工、

9、冶金、钢铁、有色金属、煤炭和交通等工业部门 电力电子装置的大量应用，使电力系统中谐波问题已经日趋严重，对电力系统和 用电设备产生了严重危害和影响，必须认真加以研究和采取相应的限制措施。因 此，谐波抑制已成为电力电子技术、电气自动化技术及电力系统研究领域所面临 的一个重大课题，正在受到越来越多的关注。所以，面对我国目前电网结构薄弱 和输配电技术普遍存在的技术落后、自动化水平低的现状，针对谐波问题，研究 电网谐波治理和无功补偿新技术，具有十分重要的理论和现实意义。谐波是指电压、电流波形发生畸变，这主要是负荷的非线性造成的，为抑制 非线性设备谐波污染，出现了许多方法。设置无功补偿电容器和 lc 滤波

10、器是传统 的补偿无功功率和谐波的主要手段，已获得广泛应用。但这种无源补偿装置的补 偿性能较差，难以对变化的无功功率和谐波进行有效的补偿。晶闸管获得广泛应 用后，以晶闸管控制电抗器（tcr）为代表的静止无功补偿装置（svc）有了长足 的发展，可以对变化的无功功率进行动态补偿。近年来，随着以 gto、bjt 和 igbt 为代表的全控型器件向大容量化、高频化方向的不断发展，采用电力电子技术的 各种有源补偿装置发展很快。主要用于补偿谐波的有源电力滤波器比lc 滤波器具 有更优越的性能而得到发展和应用，是一种很有发展前景的谐波抑制技术。因此， 本文就并联型有源电力滤波器进行了设计和研究。- 1 -第一

11、章 绪论由于电力电子装置的广泛应用，使得电网中谐波的含量大量增加，它替代了 传统的变压器等铁磁材料的非线性引起的谐波，成为主要的谐波源，对电力系统 的安全运行和电气设备的正常使用产生严重的危害。因此，谐波治理成为了电能质量问题的核心内容之一，也是现代电力生产发展的迫切要求。2有源电力滤波器（active power filterapf）是一种用于动态抑制谐波、 补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都发生变化的谐波以及变化的 无功进行补偿，其应用可克服 lc 滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺 点。有源电力滤波器的控制技术是有源电力滤波器的关键之一。传统有源电力滤 波器主要采用模拟

12、控制。但模拟控制存在电路复杂、控制性能差、易受环境干扰 等缺点。近年来随着高速数字处理器dsp 的出现及其性价比日益提高，有源电力 滤波器的数字控制方案引起人们的重视，相对于模拟控制有很多优点，在实际系 统中被广泛采用。1.1 谐波问题及研究现状“谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在18 世纪和 19 世纪已经奠 定了良好的基础。傅立叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛使用。电力系统的谐波问题早在 20 世纪 20 年代和 30 年代就引起了人们的注意。 到了 50 年代和 60 年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起 电力系统谐波问题的大量论文。70 年代以来，由于电力

13、电子技术的飞速发展，各 种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成 的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分的关注。不少国家和国际学 术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。制定限制谐波的标准是解决电力系统谐波危害的影响的重要措施。在国际 上，各个国际组织，如国际电气电子工程师协会（ieee）、国际电工委员会（iec） 和国际大电网会议（cigre）也纷纷推出了各自建议的谐波标准，其中较有影响的 是 ieee519-1992 和 iec555-2。参照国外标准，我国先后于 1984 年和 1993 年分别制定了限制谐波的规定和 国家标准。我国

14、原水利电力部于 1984 年根据国家经济委员会批准的全国供用电 规则的规定，制定并发布了电力系统谐波管理暂行规定（sd126-84）。国家- 2 -0222技术监督局于 1993 年又发布了中华人民共和国国家标准gb/t14549-93电能质 量-公用电网谐波1.1.1 谐波的基本概念1822 年，法国数学家傅立叶指出，一个任意函数都可以分解为无穷多个不同频 率正弦信号的和。基于此，国际电工（iec:international electrotechnical commission）标准(iec555-2，1982)定义谐波为：谐波分量为周期量的傅立叶级数 中大于 1 的 h 次分量。把谐波次

15、数 h 定义为：以谐波频率和基波频率之比表示的整 数。电气和电子工程师协会标准（ieee 标准 5191981）定义谐波为：谐波为一个 周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。总结二者，目前国际普遍定义谐波为：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。1.1.2 谐波分析设正弦电压可表示为u (t ) =2u sin(wt +a)(1-1)式中u 电压有效值；a初相角；w角频率。当正弦电压施加在非线性电路上时，电流就变为非正弦波，非正弦电流施加在电网阻抗上产生压降，使电压波形也变为非正弦波。对于周期为 u( wt )，非正弦电压一般可分解为如下形式的傅立叶级数：t

16、=2p/ w的u(wt ) =a + (a cos nwt +b sin nwt )n nn=1式中：(1-2)a =012 p0pu ( wt ) d ( wt )a =nb =n1p1p00ppu ( wt ) cos nwtd ( wt )u ( wt )sin nwtd ( wt ) ( n =1, 2,3, )- 3 -cnn或u ( wt ) =a +0c sin( nwt +f ) n n(1-3)n =1式中， 、 f 和 a n nn、b 的关系为 ncn=a 2 +b 2 n nf = arctan( a / b )n n na = c sin fn n nb = c co

17、s fn n n在式（1-2）或（1-3）中，频率为 1/t 的分量为基波，频率为大于 1 整数倍 基波频率的分量为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。 以上公式 对于非正弦电流也适用。n 次谐波电压含有率以 hrun（harmonic ratio un）表示uhru = n 100% u1u 第 n 次谐波电压有效值（方均根值）； n(1-4)u1基波电压有效值。n 次谐波电流含有率以 hrin 表示ihri = n 100% i1(1-5)in第 n 次谐波电流有效值；i1基波电流有效值。谐波电压含量 u 和谐波电流含量 i 分别定义为h hu =hu2n(1-6)n =2i =h

18、i2n(1-7)n =2电压谐波总畸变率 thdu（total harmonic distortion）和电流谐波总畸变 率 thdi 分别定义为- 4 -bc3 3 ，3u thdu = h 100%u1ithdi = h 100%i1(1-8)(1-9)下面讨论对称三相电路中的谐波分析。以相电压为例，三相电压可表示为 u =u ( wt )a2pu =u ( wt - )32pu =u ( wt + )3设 a 相电压所含的 n 次谐波为u = 2u sin(nwt +f)an n n 2p u = 2u sin n(wt - ) +fbn n n 2p u = 2u sin n(wt +

19、 ) +fcn n n（1）n=3k(k=1,2,3,下同)，三相电压的谐波大小和相位均相同，为零序谐 波。（2）n=3k+1,b 相电压比 a 相电压滞后2p 2pc 相电压比 a 相电压超前 ，这 3 3些次数的谐波均为正序谐波。对称三相电路的基波本身也是正序的。（3）n=3k-1,b 相电压比 a 相电压超前 这些次数的谐波均为负序谐波。2p 2p c 相电压比 a 相电压滞后3 3，对于各相电压来说，无论是三相三线电路还是三相四线电路，相电压中都可 以包含零序谐波，而线电压中都不含零序谐波。对于各相电流来说，在三相三线 电路中，没有零序通道，因而没有零序电流；在三相四线电路中，零序电流

20、可以 从中性线中流过。- 5 -41.1.3 谐波的产生和危害电网谐波来源于三个方面：其一是电源质量不高产生谐波；其二是输电网产 生的谐波；其三是用电设备产生的谐波。其中以用电设备产生的谐波最多。具体情况如下:1. 整流设备。由于晶闸管整流的广泛应用(如电力机车、铝电解槽、电池充电 器等)，给电网造成大量的谐波。2. 电弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平 的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流经变压器注入电 网。3. 变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，它含的输入电流波 形为尖峰状，其谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次

21、谐波，随 着变频调速的发展，对电网造成的谐波也很严重。4. 家用电器。如电视机、录像机、电子调光灯具、调温炊具等，因具有调压整 流装置，会产生的谐波。洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡 电流的变化也能产生谐波。谐波对电网及其它系统的危害有以下几个方面：1. 谐波使电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电和用电设备 的效率。2. 谐波影响了各种电气设备的正常工作。谐波会使电机产生机械振动、噪声和 过电压，使变压器局部严重过热；还会使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、 寿命缩短，以致损坏。3. 谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，大大增加 了上述的危害

22、，并可能引起严重事故。4. 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表测量不准 确。5. 谐波对通信系统和电子设备会产生严重的干扰。对谐波进行研究，其意义一方面在于对谐波影响及危害的分析，另一方面在 于其对电力电子技术自身发展的影响。电力电子技术是未来科学技术发展的重要 支柱。有人预言，电力电子连同运动控制将和计算机技术一起成为21 世纪最重 要的两大技术。- 6 -1.2 谐波的抑制1.2.1 谐波抑制技术为抑制和消除电力电子装置和其它谐波源的谐波，基本思路有两种：一种是 装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的；本文主要讨论此类 补偿方式。另一条是对电力电子装置本

23、身进行改造，使其不产生谐波，且功率因 数可控制为 1，这只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。装设谐波补偿装置的传统方法是采用 lc 滤波器。这种方法既可补偿谐波， 也可补偿无功功率，而且结构简单，被广泛应用。但是这种方法的主要缺点是， 补偿特性受电网阻抗和运行状态的影响，容易和系统发生并联谐振，导致谐波放 大，使 lc 滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果 也不是很理想。目前，采用有源电力滤波器，已经成为谐波抑制的一个趋势。有源电力滤波 器是一种用于动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置。它能对幅度和频率都变 化的谐波以及变化的无功进行补偿，补偿特性不受电网阻抗的影响，

24、是一种很有 前途的谐波抑制方法。1.2.2 有源电力滤波器技术的发展有源电力滤波器的基本思想在六七十年代就已经形成，但由于受到当时功率 半导体器件水平以及控制策略的限制，有源电力滤波器的研制一直处于试验研究 阶段。八十年代以来，由于大中功率全控型半导体器件的成熟，脉冲宽度调制技 术的进步，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，有源滤 波器才得以迅速发展。国外有源电力滤波器的研究以日本为代表，已步入大量实 用化的阶段。随着容量的逐步提高，其应用范围也从补偿用户自身的谐波向改善 整个电力系统供电质量的方向发展。我国在电力有源滤波器方面的研究起步较 晚，目前很多大学及科研机构正积极进

25、行这方面的相关研究，部分单位已经研制 出样机并投入试运行。但由于用电机制以及成本等因素，在我国广泛应用 apf 还 需要一段时间。1.3 研究并联型有源电力滤波器的现实意义电力电子技术的快速发展给人们的生产与生活带来巨大变化，但是同时给电- 7 -网带来严重污染，影响了供电质量。电力系统中非线性负载种类繁多，不同类型 的有源电力滤波器对不同类型非线性负载的补偿特性也不相同。当今，大型整流设备、冶金工业和电力机车等大型的谐波源都是典型的非线 性负载，它们在运行时给电网注入了大量谐波，而这些大型的谐波源一般都采用 大电感滤波的电流源谐波负载，适合用并联型有源电力滤波器进行补偿。因此， 研究并联型有

26、源电力滤波器有着重要的现实意义。- 8 -aeeae3 b caiiai3 b c第二章 有源电力滤波器的基本原理和结构 2.1 三相电路瞬时无功功率理论三相电路的瞬时无功功率理论作为谐波电流实时检测算法的理论基础，首先 于 1983 年由赤木泰文提出，此后该理论经不断研究逐渐完善。赤木泰文最初提 出的理论亦称 pq 理论，是以瞬时有功功率 p 和瞬时无功功率 q 的定义为基础的。 在以瞬时有功电流 i 和瞬时无功电流 i 为基础的理论体系中，设三相电路各相电p q压和电流的瞬时值分别为 e 、 e 、 e 和 i 、 i 、 i 。为分析问题方便，把它们变a b c a b c换到 - 两相

27、正交的坐标系中研究。由下面的变换可以得到 、 两相瞬时电压 e 、 e 和 、 两相瞬时电流 i 、 i a b abe bi b= 1 1 1 - - 2 2 2 3 3 0 - e 2 2 1 1 1 - - 2 2 2 3 3 0 - i 2 2 （2-1）（2-2）在这里，令：c32 1 1 1 - -2 2= 3 3 0 - 2 2 在图2.1所示的矢量 a b 平面上， e 、 e 和 i 、 i 分别进一步合成为旋转电压a b a b矢量 e 和旋转电流矢量 i 。e =e +e =ej a be（2-3）i =i +i =i j a bi（2-4）式中， e 、 i 为矢量电压

28、和电流的模; j 、 j 为矢量 e 、 i 的幅角。e i定义(1)三相电路瞬时有功电流 i 和瞬时无功电流 i 分别为矢量 i 在矢量p qe 及其法线上的投影。即：i =i cos j p- 9 -=qaa=ciipq（2-5）i =i sinqj（2-6）式中， j =j -j。e i图 2.1a b坐标系中的电压、电流矢量定义(2)三相电路瞬时有功功率 p （无功功率 q ）为电压矢量 e 的模和三相电路瞬时有功电流 i (三相电路瞬时无功电流 i )的乘积。p qp =eip（2-7）q =eiq（2-8）将式（2-3）和（2-4）代入上面即可写出矩阵形式：p e ea be -e

29、b ai i b b（2-9）其中 cpq=eaebeb-ea。把式（2-1）、（2-2）代入上式，可以得出 p 、 q 。可以看出，三相电路瞬时有 功功率就是三相电路的瞬时功率。q =13p =e i +e i +e ia a b b c c(e -e )i +( e -e )i +( e -e )i b c a c a b a b c(2-10)(2-11)定义 (3)a、 b相的瞬时无功电流 i 、 i （瞬时有功电流 i 、 i ）分别aq bq ap bp为三相电路瞬时无功电流 i （瞬时有功电流 i ）在 a、 b 轴上的投影，即:q p- 10-pqiap=i cospje=e

30、ea i = a e e 2 +e 2a bp(2-12)ibp=i sin j = p eebei =peb e 2 +e 2a bp(2-13)iaq=i sinqje=ebei =qebe 2 +e 2 a bq(2-14)ibq=-i cos jqe=-e -e a i = a qe e 2 +e 2a b(2-15)从上面定义得到如下性质：i2 +i 2 =i 2 ap bp pi2 +i 2 =i 2 aq bq q（2-16）（2-17）iap+iaq=ia（2-18）ibp+ibq=ib（2-19）定义(4)a、 b 相的瞬时无功功率 q 、 q （瞬时有功功率 p 、 p ）

31、分别a b a b为 a、 b相瞬时电压和瞬时无功电流（瞬时有功电流）的乘积，即p =e ia a ape 2= a p e 2 +e 2 a b(2-20)p =e ib b bp=e 2ae 2b+e 2bp（2-21）q =e ia a aqq =e ib b bq=e ea be 2 +e 2 a b-e ea b e 2 +e 2a bqq（2-22）（2-23）从中可以看出， p + p = p ， q +q =0 。a b a b定义(5)三相电路各相的瞬时无功电流 i 、i 、i （瞬时有功电流 i 、i 、aq bq cq ap bpi ）是 a、 b两相瞬时无功电流 i 、

32、 i （瞬时有功电流 i 、 i ）通过两相到 cp aq bq ap bp三相变换所得到的结果。即- 11-ap iapiaq iaqiai i =cbp cp 23i bp(2-24)i i =cbq cq 23i bq(2-25)式中， c23=c t 。32从以上各式可得到如下性质：i +i +i =0 ap bp cpi +i +i =0 aq bq cq(2-26)(2-27)i +iapaq=ia(2-28)i +ibpbq=ib(2-29)i +icpcq=ic(2-30)上述性质分别反映了 a 和 b 两相的正交性和a,b,c三相的对称性。定义(6) a、b、c各相的瞬时无功

33、功率 q 、 q 、 q (瞬时有功功率 p 、 p 、a b c a bp )分别为该相瞬时电压和瞬时无功电流(瞬时有功电流)的乘积，即 cpp =e i =3e 2a a ap a(2-31)p =e i =3e 2 b b bp bp =e i =3e 2 c c cp cpapa(2-32)(2-33)q =e i =e (e -e ) a a aq a b cq =e i =e ( e -e ) b b bq b c aq =e i =e ( e -e ) c c cq c a bpapapa(2-34)(2-35)(2-36)从以上还可以看出 p + p + p = p 和 q +

34、q +q =0 。a b c a b c从定义4和6的性质可见，各相的瞬时无功功率对总的瞬时功率(瞬时实功率) 没有任何贡献，而是在各相之间相互传递，这也正是赤木泰文给出瞬时实功率、 瞬时虚功率即各相瞬时无功功率、瞬时有功功率的依据。传统理论中的有功功率、 无功功率等都是在平均值基础或相量的意义上定义的，它只适用于电压、电流均- 12-aeai=i-cos(wt -j -coswt cosj-sinwt sinjm 2为正弦波时的情况，而瞬时无功功率理论中的概念，都是在瞬时值的基础上定义 的，它不仅适用于正弦波，也适用于非正弦波和任何过渡过程的情况。从以上各 定义可以看出，瞬时无功功率理论中的

35、概念，在形式上和传统理论非常相似，可 以看出这是传统理论的推广和延伸。当三相电压、电流为对称正弦波时，设e =e sina mwt(2-37)e =e sin(wt -2p/ 3) b me =e sin(wt +2p/ 3) c mi =i sin(wt -j)a mi =i sin(wt -j-2p/3) b mi =i sin(wt -j+2p/3) c m(2-38)(2-39)(2-40)(2-41)(2-42)代入式(2-1)，得e b=em 2sin wt-cos wt(2-43)i b=im 2sin(wt -j) sin wt cos wt -cos wt sin j (2-

36、44)式中， em 2= 3/ 2 e ， i mm 2= 3/ 2 i 。 m把式（2-43）、（2-44）代入（2-9）中可得p =3 / 2 e i cosm mq =3 / 2 e i sinm mjj(2-45)(2-46)令 e =e / 2 、 i =i / 2 分别为相电压和相电流的有效值，得 m mp =3 ei cosj(2-47)q =3 ei sin j(2-48)从上面的式子可以看出，在三相电压和电流均为正弦波时， p 、q 均为常数， 且与传统理论算出的有功功率 p 和无功功率 q 完全相同。把式 (2-42), (2-43)代入式(2-12)和(2-14)中可得a

37、 相的瞬时有功电流和瞬 时无功电流。iap=im 2cosjsinwt(2-49)iaq=im 2sinjcoswt(2-50)- 13-a可以看出，a相的瞬时有功电流和瞬时无功电流的表达式与传统功率理论中 相电流的有功分量和无功分量的瞬时值表达式完全相同，对于 b 相及三相a、b、c各相也能得出同样的结论。由上面的分析不难看出，瞬时无功功率理论包含了传统的无功功率理论，比 传统无功功率理论由更大的适用范围。2.2 有源电力滤波器的工作原理图 2.2 所示为有源电力滤波器系统构成的原理图。图中，负载为谐波源，它 产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由两大部分组成，即指令电流运算电 路和补偿电

38、流发生电路（由补偿电流控制电路、隔离与驱动电路和主电路三个部 分构成）。其中，指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象中的谐波和无功等 电流分量，因此有时也称之为谐波和无功电流检测电路。补偿电流发生电路的作 用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。 主电路目前均采用 pwm 变流器。图 2.2 有源电力滤波器的基本原理图图 2.2 中，有源电力滤波器的基本工作原理为，检测补偿对象的电压和电流， 经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路 放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消， 最终得到期望的电源电流波形。例

39、如，当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象负载电流 i 中的谐波成分lilh,将其反极性后作为补偿电流的指令信号 i * ，这样由补偿电流发生电路产生的补偿电流 icc与负载电流中的谐波分量ilh大小相等、方向相反，因而两者互相抵消，使得电源电流 i 中s只含基波，不含谐波。这样就达到了抑制电源电流中谐波的目的。上述原理可用 如下的一组公式描述：- 14-ilfi =i +i s l ci =i +i l lfi =-ic lhlh（2-51）（2-52）（2-53）i =i +i =i s l c9式中 为负载电流的基波分量。负载电流 i 的傅里叶级数展开为： llf

40、（2-54）i =i sin( nwt +q) =i cos l n n 1q sin1wt +i sin 1q cos1wt +i sin( nwt +q)n nn =1n =2=i +i +ilp lqh（2-55）式（2-55）中，i =i coslp 1q sin1wt是基波有功电流；i =i sinq 1q cos1wt是基波无功电流，i = i sin( nwt +q) h n nn =2是高次谐波电流， q 为基波电流初相位，1qn为 n 次谐波初相位， w 为系统电源基波角频率。5由此可知，有源补偿装置实现的关键是：谐波电流的检测；适当的控制方法； 主电路的设计。2.3 有源电

41、力滤波器的系统构成2.3.1 有源电力滤波器的分类有源电力滤波器可以按照所使用的变流器类型、主电路结构和电源相数进行 分类。根据使用的场合电源相数可分为单相、三相三线和三相四线用有源电力滤 波器等。按有源电力滤波器在系统中的连接方式可分为串联型、并联型和两者混 合使用的统一型等。图 2.3 给出了有源电力滤波器的分类示意图。- 15-图 2.3 有源电力滤波器的系统构成分类2.3.2 有源电力滤波器主电路的结构有源电力滤波器主电路的基本结构见图2.4，储能元件(电感或电容)的作用是图 2.4 有源电力滤波器主电路结构图充当直流电源(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

42、路实为一 pwm 变流器。在图 2.2 中检测电路从系统中检测并分离出基波无功和 谐波电流，使控制电路产生开关控制信号去控制可控开关电路的开合，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，将有源电力滤波器分为电压型和电流型 两种，图 2.5 所示为电压型有源电力滤波器的主电路图，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。电压型有源电力滤波 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 要的补偿电流。图 2.6 所示为电流

43、型有源电力滤波器，其储能元件是电感，与电压型 pwm 逆 变器相比，电流型 pwm 逆变器的一个优点是，不会由于主电路开关器件的直通而- 16-发生短路故障。但是，电流型 pwm 逆变器直流侧大电感上始终有电流流过，该电 流将在大电感的内阻上产生较大的损耗，因此目前较少采用。而电压型有源电力 滤波器有能量损耗小和易于控制等优点，目前有源电力滤波器的研究方向主要是 电压型有源电力滤波器。图 2.5 电压型有源滤波器主电路图 2.6 三相电流型有源滤波器主电路2.3.3 单独使用的并联型有源电力滤波器单独使用的并联型有源电力滤波器系统构成的原理如图2.7 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