混合有源滤波器的设计

1、 中国矿业大学徐海学院毕业设计格式模板 中国矿业大学徐海学院本科生毕业设计姓 名：杜小康 学 号： 22100293学 院： 中国矿业大学徐海学院 专 业： 电气工程及其自动化 设计题目： 混合有源滤波器系统设计 专 题： 指导教师： 周娟 职 称： 副教授 2014年6月 徐州中国矿业大学徐海学院毕业设计任务书专业年级 电气10-3 学号 22100293 学生姓名 杜小康 任务下达日期：2013年10月14日毕业设计日期：2013年12月30日至2014年6月7日毕业设计题目：混合有源滤波器系统设计毕业设计专题题目：毕业设计主要内容和要求：1.了解谐波的危害及抑制措施2.熟悉并联混合有源滤

2、波器的工作原理及补偿特性3.主电路的参数设计、检测技术、控制策略及仿真分析指导教师签字：郑 重 声 明本人所呈交的毕业设计，是在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本毕业设计的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本论文属于原创。本毕业设计的知识产权归属于培养单位。本人签名： 日期： 中国矿业大学徐海学院毕业设计指导教师评阅书指导教师评语（基础理论及基本技能的掌握；独立解决实际问题的能力；研究内容的理论依据和技术方法；取得的主要成果及创新点；工作态度

3、及工作量；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 指导教师签字： 年 月 日中国矿业大学徐海学院毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语（选题的意义；基础理论及基本技能的掌握；综合运用所学知识解决实际问题的能力；工作量的大小；取得的主要成果及创新点；写作的规范程度；总体评价及建议成绩；存在问题；是否同意答辩等）：成 绩： 评阅教师签字： 年 月 日中国矿业大学徐海学院毕业设计答辩及综合成绩答 辩 情 况提 出 问 题回 答 问 题正 确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字： 年 月 日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人： 年

4、 月 日摘 要本文首先阐述了课题研究的背景、意义以及混合型有源滤波器（Shunt hybrid active power filter）的发展现状，分析了SHAPF的原理和补偿特性，对带阻感负载的三相整流桥电路进行了谐波分析；对无源部分的参数进行了设计；对调谐次数的选择也进行了分析。应用Matlab/Simulink工具进行仿真分析和计算，对直流母线电容容值、电压值的确定、器件的选型进行了探讨。为了实现精确补偿，本文主要阐述了谐波电流的检测问题和电流跟踪控制问题。谐波电流检测主要是基于瞬时无功功率理论，采用ip-iq算法。控制方法采用电网电流的反馈控制，该方法就是根据对SHAPF作用机理的分析

5、，将有源部分等效成一个阻值为K的阻抗，通过仿真分析得到比较合理的K值，最后对本文所做的主电路参数、检测技术、控制方法运用Matlab/Simulink工具进行仿真分析，仿真结果符合IEEE519标准，从而证明了本系统设计的合理性。关键词：HSAPF; 单调谐无源滤波器; 谐波检测技术; 电流跟踪控制ABSTRACTThis paper describes the research background,significance and the hybrid active power filter development present situation,analyzes the princi

6、ple and compensation characteristics of SHAPF,the three-phase rectifier circuit with resistance and inductance load makes harmonic analysis;the parameters of passive part of the design;the harmonic frequency selection is also analyzed.Application of Matlab/Simulink tools for simulation analysis and

7、calculation,the DC bus capacitance,voltage values, discussed the selection of devices.In order to realize the accurate compensation, this paper mainly expounds the tracking control problem of harmonic current detection and current. Harmonic current detection is mainly based on the theory of instanta

8、neous reactive power of non, using ip-iq algorithm. Control method using feedback control grid current, the method is based on the analysis of the mechanism of SHAPF, the active part is equivalent to a resistance to the impedance of K, the simulation analysis is reasonable K value, finally, the para

9、meters of the main circuit, detection, control method using Matlab/Simulink tools for simulation analysis, the simulation results accord with IEEE519 standard, so as to prove the rationality of the system design.Keywords：HSAPF; single tuned passive filter; detection technology; current tracking cont

10、rol目 录1 绪论11.1谐波的危害及抑制措施11.2有滤波器的发展现状21.2.1有源电力滤波器的研究现状21.2.2混合有源电力滤波器的研究现状21.3常用混合型有源电力滤波器结构31.4谐波检测技术51.5公用电网谐波电压和谐波电流限制61.6论文工作安排72 并联混合型有源电力滤波器的工作原理及补偿特性92.1有源电力滤波器的工作原理92.2并联混合型有源滤波器的补偿特性分析92.3并联混合型有源电力滤波器的滤波特性112.4并联混合型有源电力滤波器的基波特性122.5本章小结133 混合型有源电力滤波器主电路的参数设计143.1主电路结构和负载电流谐波分析143.2无源滤波器的设计

11、163.2.1LC滤波器分析163.2.2LC滤波器调谐次数的选取173.2.3L和C参数的选取173.3有源部分的设计193.3.1直流母线电容电压的选择193.3.2直流母线电容值的选择213.4器件参数的选取233.5本章内容小结244 基于瞬时无功功率理论的谐波检测技术254.1瞬时无功功率理论254.2谐波信号的提取及仿真分析294.3本章小结315 SHAPF控制方法分析与仿真验证325.1PWM调制技术与仿真分析325.1.1PWM调制的基本原理325.1.2PWM逆变电路的控制方法325.2控制方法355.3 仿真结果395.4本章小节426 总结和展望436.1总结436.2

12、对本文研究内容有待改进的地方436.3展望44参考文献45附录47翻译部分49英文原文49中文译文59致 谢69 中国矿业大学徐海学院2014届本科生毕业设计（论文）1 绪论1.1谐波的危害及抑制措施随着工业化程度的不断发展，各种电力电子设备的应用领域也在不断地扩大，由于这些电子设备存在严重的非线性，它们在实现高效能的电能转化和供给的同时，也产生了大量的谐波，影响了各种电器设备的正常工作，对周围的通信系统也或多或少的产生了一定的干扰，谐波逐渐成为了电力系统的最大公害。谐波的危害主要表现在1-5：（1）谐波会使变压器的局部过热，使电容器、电缆等设备绝缘老化、寿命缩短甚至损坏；会对电机产生机械振动

13、、噪声和过热，影响设备的正常工作。（2）谐波会造成电网中元器件的附加损耗，降低输电的效率。（3）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量:重者会导致信息的丢失，使通信系统无法正常工作。（4）谐波会使继电保护和自动装置误动作，使电能的计量和仪表的测量不准确。从上面的分析可以看出谐波的危害不容忽视，必须采取措施对电网中的谐波进行治理。传统的治理方法是采用无源滤波器，虽然它具有结构简单、运行费用较低等优点，但是它只能对特定次数的谐波进行抑制，滤波性能受系统参数的影响较大，而且特定频率下有可能发生与电网阻抗谐振的现象，造成谐波的放大。为了克服上述缺点，有源滤波器应运而生，它能够实现动

14、态补偿，能迅速响应谐波的变化，对无功功率进行实时的补偿，滤波性能不再受系统阻抗的影响，具有多功能补偿特性，不仅能补偿谐波，还能够抑制闪变、补偿无功功率和负序电流的功能。6-8虽然有源滤波器在对电网中的谐波进行补偿时，存在较多的优点，由于其成本比较高，在工业场合应用还没有太大的优势。既然有源滤波器和无源滤波器各有优缺点，很容易让人们想到将这两种结合起来使用构成混合型有源电力滤波器，来承担谐波治理和无功补偿的任务，其中，无源滤波器承担大部分的谐波和无功补偿，有源部分可以起到改善无源滤波器特性的作用，这样就避免了无源滤波器与电网阻抗发生谐振。通过选择合适的无源和有源滤波器的串并联结构，有效地降低有源

15、部分的电压和电流等级，从而降低器件的选择要求，降低了成本。混合型有源滤波器在可行性和经济性上比纯有源滤波器更具有吸引力，更适合应用于大功率场合，提高了系统的性能。随着技术的快速发展，混合有源滤波器的容量可以做的很大。基于以上原因，研究混合型有源滤波器具有十分重要的现实意义。1.2有滤波器的发展现状1.2.1有源电力滤波器的研究现状有源电力滤波器的概念和基本原理是由日本学者H.sasakai于1971年首次提出的，但是它不但效果不太理想，而且损耗太大以及成本较高，这主要是因为它是采用线性放大的原理来产生谐波的，之后1976年，美国西屋电气公司的L.Gyugyi教授提出，采用大功率晶体管组成的PW

16、M逆变器来构成有源电力滤波器。但是，一方面当时的半导体器件研制水平较低，另一方面没有先进的有源滤波器的控制方法，因此，那时人们对有源滤波器的研究一直处于试验阶段。到了1983年，有源电力滤波器已经能够在实验室中得到实现，一方面是因为日本学者H.Akagi提出了“瞬时无功功率理论”9.10,与此同时，电力电子半导体器件研制水平得到了较大的提升，以及数字信号处理技术也得到了飞速的发展。20世纪90代以后中国也在这方面做了很大的贡献，例如：1991年12月华北电科院、北京供电局和冶金部自动化研究所研制成功了中国第一台400V/50KVA的有源滤波器；北交大王良博士也1991年研制出3KVA的有源无功

17、和谐波综合补偿器实验装置。华北电科院将其容量提高到10KV/480Kvar11。西安交大的王兆安等运用多重化技术研制出了120KVA并联混合型有源电力滤波器的试验样子12-17。清华大学朱东起18-19、浙江大学的钱照明20-21等也对有源滤波器展开了深入的理论研究与实验验证工作。1.2.2混合有源电力滤波器的研究现状如何在获得对谐波电流的动态补偿的同时，又能减少有源部分的容量，降低成本提高效率，一直是广大学者都在研究的内容。随着1987年，Takeda.M提出的将有源和无源相结合的装置，降低了有源部分的容量，这是混合有源电力滤波器的初期方案。H.Akagi又提出了通用电能质量控制器（UPQC

18、）。在配电网的公共点接入通用电能质量控制器，能够防止负载引起的电能质量问题向电网扩散，避免了在不同地点装设不同装置造成成本增加和设备维护麻烦的问题，从而提高了电能的质量和可靠性。随着电力电子技术的飞速发展，混合有源电力滤波器已经在对电动机车闪变、冲击、电压不平衡进行了成功的补偿。由5MVA串联型有源电力滤波器和25MVA的无源滤波器被成功的运用在日本磁悬浮列车上。随着电力系统负荷的不断增多和电力电子装置的不断运用，电能质量问题也会越来越面临严峻的考验，混合型有源电力滤波器的发展具有广阔的前景和实际意义。1.3常用混合型有源电力滤波器结构随着并联型有源电力滤波器的应用的不断深入，为了实用各种不同

19、的应用场合，人们也提出了有源滤波器与无源滤波器相结合而构成的混合滤波器，根据不同的工业需要，来选择不同的拓扑结构。常用的拓扑机构有如下几种：（1）并联有源与并联无源相结合的混合型有源滤波器此结构就是1987年M.Takeda提出的混合型结构方案，此结构中绝大多数的谐波都是有无源部分滤除，有源部分只需补偿无源部分未能补偿的谐波。也就是说有源部分只需要提供很小的补偿电流即可，因此有源部分的容量不需要做的很大。但该种结构也存在一定的缺陷，在电源与有源部分以及无源与有源之间都存在着谐波通道，尤其是在有源与无源之路之间，有源部分产生的补偿谐波电流有可能会流入无源支路。图1-1 混合方式一（2）串联混合型

20、电力滤波器此机构就是1988年F.Z.Peng提出的，该结构中无源部分承担谐波补偿，有源部分只是对无源进行性能的改善。有源部分对基波的阻抗为零，对谐波阻抗为高阻抗。从而阻止了谐波电流流入电网，对电网与无源部分起到了一定的隔离作用，避免了无源支路与电网发生谐振。图1-2 混合方式二（3）有源与无源部分串联的混合有源滤波器此结构就是1990年H.Fujit等人提出的混合型结构方案，此结构中大部分的谐波和无功功率都是由无源部分来承担，有源部分的作用只是用来改善无源部分的性能，克服无源部分的固有缺点：易受系统阻抗的影响和易于与系统发生谐振。有源部分也不会承受电网的基波电压，容量可以做的很小。由于变压器

21、的接入，方便保护和隔离，适合于高压系统的应用。缺点是：该结构对电网中的谐波电压非常敏感。图1-3 混合方式三（4）L、C并联谐振式注入电路方式此结构中，无源支路采用L和C并联的结构，在基波频率处，无源支路发生并联谐振，相当于阻值很大的电阻的串入，此时有源部分和附加的电感承受很小的基波电压，而且混合滤波支路流过的基波电流很小。图1-4 混合方式四（5）无变压器并联混合方式图1-5 混合方式五本文研究的是图（1-5）中的无变压器并联混合型结构，该结构中有源部分阻止了系统无源支路与系统阻抗发生谐振的可能，迫使谐波电流流入混合支路，由于没有用到变压器，设备体积、成本都得到了降低，无源部分承受了大部分的

22、基波电压，有源部分承受的电压很低，因此该结构可以适用于本文研究的1140V中压系统。1.4谐波检测技术混合滤波器的补偿效果在很大程度上依赖于能否检测到真实反应预补偿的谐波分量的参考信号。因此在滤波器的设计中，能否找到能够精确提取谐波电流幅值和相位的算法是很关键的。通常谐波的检测提取技术有直接法和间接法。直接法的原理是通过滤波方式，去除采样信号中不需要补偿的基波成分，将剩余信号作为作为谐波参考信号，如陷波器检测法。此种方法误差大，已很少采用。间接法的原理是先将采样信号进行解耦，然后重新将所需的分量进行组合后作为参考信号。目前较常用的谐波检测方法包括：（1）基于傅里叶变换的检测方法采用傅里叶变换对

23、电网电流进行计算，得到电网电流中的谐波分量。它是一种纯频域的分析方法，其优点是可以任意选择拟消除的谐波次数，但是计算量大，具有较长时延，实时性较差。（2）基于自适应的检测方法基于自适应干扰抵消原理，具有检测精度高和对电网电压畸变及电网参数变化不敏感的优点，但动态响应速度较慢。（3）瞬时无功功率法基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测法及其改进法。以瞬时实功率P和瞬时虚功率Q的定义为基础（即PQ理论），后又发展为以瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq为基础的理论体系。此方法实时性较好，但是由于检测时采用了数字低通滤波器，因此检测出的结果会有一定的延时。瞬时无功功率理论是目前采用较多的一种谐波检测方法。

24、检测精度和实时性是判断谐波检测方法的重要指标。各种谐波检测技术都有各自的优缺点，也都存在各自的局限。随着各种谐波检测方法的不断改进，以及新的检测方法，如基于小波变换等现代数字信号处理的方法的推出，谐波检测技术在不断进步中。1.5公用电网谐波电压和谐波电流限制表（1-1） 公用电网谐波电压（相电压）限值电网标称电压电压总谐波畸变率（%）各次谐波电压含有率（%）奇次偶次0.385.04.02.064.03.21.610353.02.41.2601102.01.60.8表（1-2） 注入公共连接点的谐波电流允许值标准电压/KV基准短路容量/MVA谐波次数及谐波电流允许值/A2345678910111

25、2130.3810786239622644192116281324610043342134142411118.5167.11310100262013208.5156.46.85.19.34.37.93525015127.7125.18.83.84.13.15.62.64.76650016138.1135.49.34.14.33.35.92.75.0110750129.66.09.64.06.83.03.02.44.32.03.7标准电压/KV基准短路容量/MVA谐波次数及谐波电流允许值/A1415161718192021222324250.381011129.7188.6167.88.97.1

26、146.51261006.16.85.3104.79.04.34.93.97.43.66.8101003.74.13.26.02.85.42.62.92.34.52.14.1352502.22.51.93.61.73.21.51.81.42.71.32.5665002.32.62.03.81.83.41.61.91.52.81.42.61107501.71.91.52.81.32.51.21.41.12.11.01.9当公共连接点出的最小短路容量不同于基准短路容量时，可按式（1-1）修正表（1-2）中的谐波电流允许值。 （1-1）式中 Sk1为公共连接点的最小短路容量（MVA）； Sk2为基准

27、短路容量（MVA）； Ihp为表1-1中第n次谐波电流允许值； In为短路容量为Sk1时的第n次谐波电流允许值（A）。1.6论文工作安排本文采用七次单调谐无源和有源组成的混合型有源电力滤波器，对负载谐波进行滤除，所做工作如下：（1）介绍谐波的危害以及治理方法，比较几种混合型有源电滤波器的拓扑结构，重点分析本文所选择的结构的工作原理和补偿特性。（2）研究混合有源电力滤波器中元器件参数的设计方法，包括单调谐滤波器的参数设计、有源电力滤波器直流侧母线电容容值和电压的选择、元器件的选型等。（4）介绍了瞬时无功功率理论，采用了基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波检测方法。对调制技术进行了简单的介绍，本文

28、采用了电网电流反馈控制，提取电网中的谐波分量乘以一定的增益，通过MATLAB仿真分析选择了比较合适的K值，使控制系统比较稳定。2 并联混合型有源电力滤波器的工作原理及补偿特性2.1有源电力滤波器的工作原理图(2-1)中为电源电压，负载为谐波源，它在产生谐波的同时也消耗无功。图2-1 最基本的并联有源滤波器系统结构图基本原理为：检测补偿对象的电压和电流值，经指令电流运算电路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后，得到补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波电流及无功电流相抵消，最终得到所期望的电源电流。用公式描述为： （2-1） （2-2） （2-3） （2-4）2.2并联混合

29、型有源滤波器的补偿特性分析本文研究的是1140V的供电系统，带三相整流桥的阻感性负载，由于使用了混合型滤波器，克服了无源滤波器只能消除特定次数谐波，可能使谐波放大和有可能和系统阻抗发生并联谐振的缺点，混合型有源电力滤波器由于有源部分不会像单独使用有源滤波器时，承受过大的基波电压，从而大大减小了有源部分的容量，达到更好的滤波效果。如图2-2所示，图中Us是电网电压可以等效为电网谐波电压Ush和电网基波电压Usf，Is是电网电流，Il是负载电流，If为滤波支路电流，Zf为对应无源部分的阻抗，下标为f的对应的是相应的基波量，下标为h的对应的是相应的谐波量。若采用电网侧电流反馈控制策略时，则应提取电网

30、电流谐波分量Ish，然后与增益K相乘，作为反馈环的参考电压，所以，理想情况下有源滤波器完全补偿，则 图2-2 无变压器并联混合型滤波器单相原理图根据电路原理可以得到回路方程为： （2-5）由于设计滤波器的最终目的是对负载产生的谐波进行补偿，所以我们只需要对系统在谐波条件下的运行状况进行分析即可。图2-3谐波等效电路 图2-4对Ilh的等效电路 图（2-5）对Ush的等效电路 系统可以分解为电网谐波电压源和负载谐波电流源单独作用，运用叠加定理可以求解出。（1）当电网谐波电压Ish=0，只有负载谐波电源单独作用时，由式（2-5）可得 （2-6）整理得： （2-7）由式（2-7）可知，则滤波器的有源

31、部分相当于在电网侧串入一个阻值为K 的阻抗，其等效电路图如图2-4所示。（2）当负载谐波电流Ilh=0，只有电网谐波电压ush单独作用时，由式（2-5）可得 （2-8）整理得： （2-9）由式（2-9）可知，则滤波器的有源部分相当于在滤波支路串入一个阻值为K 的阻抗，其等效电路图如图2-5所示。运用叠加原理知，电网谐波电流Ish 可以表示为： （2-10）由于谐波抑制的最终目的是使电网的谐波电流尽量接近零。由式（2-10）可知，只要使式（2-10）等号右侧两项的分母无穷大即可。而无源滤波器的谐波阻抗Zfh，电网侧的等效阻抗Zsh都是固定值。因此，只要需要K值变大即可。因此，调节K值大小，即可实

32、现电网侧电流正弦化。2.3并联混合型有源电力滤波器的滤波特性为便于分析以及集合实际情况可知，电网电压几乎不畸变或者畸变量很小，所以式（2-10）即可转化为（2-7）。由（2-7）可知，当K=0时，混合滤波器就转化为无源滤波器的情况；当K趋于无穷大时，电网谐波电流Ish趋向于0，但是K值太大会引起系统的不稳定。所以这两种情况都不在本文研究的范围内，本文只研究的情况。当时，由上文可得到对谐波电流衰减率22为： （2-11）对谐波电流来说，有源滤波器相当于在电网侧串入了一个阻值大小为K的电阻，只要K足够大，就可以有效地对谐波进行衰减。若时，由图（2-4）和上式可知,则负载谐波电流全部流入无源滤波支路

33、，而不会流向电网侧，Ish约等于0。另外，由于K的阻尼作用，抑制了电网阻抗和无源滤波器支路阻抗发生并联谐振的可能，不会发生像纯无源滤波器时的谐波放大现象。K将是决定混合有源滤波器滤波特性的主要因素。2.4并联混合型有源电力滤波器的基波特性非线性负载的能量是由电网电压和电流的基波分量提供的，同时也为后文混合型有源滤波器中有源和无源部分的容量的计算和器件的选型做准备，所以有必要对混合有源滤波器的基波特性进行分析。根据图（2-2）可以得出混合型有源滤波器的基波特性等效电路图，如图（2-6）所示。图2-6单相基波等效电路图中，因为有源滤波器发出的电压UAF均为谐波，混合型有源滤波器被控制为谐波阻抗，所

34、以此时UAF=0，Zff 、Zsf分别为无源滤波器和电网侧等效阻抗的基波分量，负载在这里面等效为负载基波电流源Ilf。根据电路理论可得滤波支路的基波电流Iff为： （2-12）由上式可知，电网侧等效阻抗的基波分量Zsf一般很小，而无源滤波器的基波阻抗Zff是决定无源滤波支路基波电流大小的一个重要因素，我们的无源滤波支路采用的是7次单调谐LC滤波器，根据有关文献的推导24，7次单调谐LC滤波器的基波阻抗其值较大，忽略ZSf和IlfZSf两项，所以式（2-12）可以转化为： （2-13）由式（2-13）可以看出，电网基波电压和滤波支路的基波阻抗基本上决定了流经滤波器支路的基波电流，同时也表明，电网

35、电压的基波分量基本上由无源滤波器承担，而有源滤波器基本上不分担电网基波电压，故有源部分的容量可以做得很小。2.5本章小结本文主要分析以下内容:（1）并联混合型有源滤波器的基本工作原理，有源滤波器的接入等效为在电网侧串联一个阻值大小为K的阻抗，阻止负载谐波电流流入电网，迫使其流入滤波器支路，不但起到分流的作用，而且还阻止电网侧等效电感与无源滤波器阻抗发生谐振的可能，起到谐波隔离器的作用。（2）分析了并联混合型APF的滤波特性，引入谐波电流衰减率的概念，指出增益K是决定并联混合型APF滤波特性良好与否的主要因素。（3）对并联混合型APF的基波特性进行了讨论，得出流经滤波器支路的基波电流基本上由电网

36、基波电压和滤波支路的基波阻抗决定，有源滤波器基本上不分担电网基波电压。3 混合型有源电力滤波器主电路的参数设计3.1主电路结构和负载电流谐波分析电力电子装置已成为电力系统中主要的谐波源，而整流电路是其中主要的一种，带阻感负载的整流电路会造成谐波污染与功率因数滞后，它是人们应用最广、数量最多的电力电子装置23。图(3-1)：无变压器并联混合型有源滤波器系统结构图虽然近年来，带滤波电容的整流电路在很多场合的应用比较广泛，此类也是严重的谐波污染源，但是它是一种典型的电压型谐波源，而本文研究的并联混合型APF只能对电流型谐波源进行直接补偿，要想采用滤波电容器的整流电路作为负载，还需要将电压型的负载转化

37、为电流型的，显然比较麻烦。对于混合有源滤波器来说，其主电路参数设计的合理与否直接关系到系统的补偿性能。为了验证本文设计的混合型有源滤波器的合理性，采用了电源电压为1140V，电网容量S为50MVA，负载容量为0.5MVA的系统进行谐波抑制和无功补偿的。补偿对象是带阻感负载的三相整流桥，其电路如图（3-2）所示。图(3-2) 带三相整流桥阻感负载的主电路为了揭示带阻感负载的三相整流桥电路电流的本质，对该负载电流进行傅里叶级数分解，若以a相为例，将时间零点设在电流正、负两半波之间的中点处则：= = （3-1）式中，Id是整流侧输出电流有效值， （3-2）由式（3-1）可得电流基波与各次谐波的有效值

38、分别为： （3-3）由以上分析可得：带阻感负载的三相整流桥电路，电网谐波电流中只含有次谐波，各次谐波有效值和谐波次数成反比，和基波有效值的比值是谐波次数的倒数。通过Matlab/simulink工具分析得到电网侧电流波形和频谱分析图如图（3-3）、（3-4）所示。图（3-3）a相整流桥电流波形图 （3-4）负载侧a相电流的频谱此处R=20，L=1mH。3.2无源滤波器的设计本系统无源部分采用单调谐LC滤波器，其调谐次数，L和C的选择很重要。3.2.1LC滤波器分析系统滤波特性的好坏与LC参数的选取直接相关，LC参数的设计要考虑以下因素。首先，混合型APF相比于并联型APF最大的优点就是容量的降

39、低，所以，要求有源部分APF电流耐量越低越好，即要求流入APF的无功电流越小，而无功电流是电网基波电压作用LC滤波器在基波频率处的阻抗上的体现，所以要求LC滤波器在基波频率处的阻抗尽量高。其次，为了使系统无需在设置单独的高通滤波器以滤除变流器产生的开关纹波和其他高频纹波，应该使LC滤波器在开关频率处阻抗很高，这样系统的成本和体积就得到了进一步的降低。第三，有源部分是电压型逆变器，它发出的是电压信号，经LC滤波器才转化为所需谐波电流信号，为了增强APF的滤波性能，需要减小LC滤波器对输出谐波电流的衰减，所以LC滤波器在谐波频率处的阻抗值越低越好。定义LC滤波器特征阻抗为： (3-4)该参数决定了

40、系统在除了谐振频率点之外所有谐波频率处的滤波特性，为了获得更好的滤波特性，由上文分析可知，我们希望特征阻抗尽可能小，即LF尽量的小、CF尽量的大，则滤波性能越好。然而，当ZF较小时，即LF尽量的小、CF尽量的大时也会给系统带来一些坏的影响：（1）由上文分析可知，为了减少无源滤波支路的无功电流，要求LC滤波器在基波频率处的阻抗尽量高，即要求LF尽量的大、CF尽量的小，这与满足滤波特性的要求相互矛盾。（2）LF减少会增加APF耦合接入点（PCC）的纹波电压。根据电路知识可知，CF对开关频率电压阻抗特别的小，这是LC滤波支路就等效为电感LF，所以在开关频率处，存在以下关系式： （3-5）式中，upc

41、c、uAPF分别为开关频率处耦合点电压和APF交流侧电压。由上式可知，LF越小，upcc越大，即upcc中的纹波电压含量越高，这也是说抑制开关纹波的能力越差。因此，对于LC参数的确定，设计时要综合考虑谐波阻抗、基波阻抗、成本、体积等方面的因素，选择折中值。3.2.2LC滤波器调谐次数的选取由3.1节可知，带阻感负载的整流桥电路负载电流电流中主要含有五次和七次谐波等6K1次谐波电流，所以为了减轻APF的补偿任务，降低其容量，LC滤波器应该谐振于五次、七次。另外，需要对系统的成本、体积、可靠性以及滤波性能等进行综合考虑权衡，这样才能在实际的工业应用中取得较好的滤波效果。虽然五次调谐电流在负载谐波电

42、流中的含量最高，但在本文中的并联混合型APF系统中，输出LC滤波器在七次谐波频率处串联谐振。主要考虑一下几个方面原因：（1）相比于五次谐振，七次谐振LC滤波器在基波频率处的阻抗更高，这样流入APF支路的超前无功电流就较小。（2）七次谐振LC滤波器在11次、13次谐波频率处呈现的阻抗更低，所以并联混合型APF可以取得更好的滤波效果。（3）虽然在开关纹波处的阻抗上，七次谐振LC滤波器相比较于五次谐振LC滤波器低些，但是我们研究的并联混合型有源滤波器系统的开关频率为10kHz，在此频率处的单调谐滤波器已经足够抑制高频纹波以及APF产生的开关纹波,这样，系统对APF的补偿能力和补偿带宽的要求的就不那么

43、严格了。（4）七次谐振LC滤波器成本更低廉，体积较小，更适合于工业场合的应用。综上所述，本文设计的并联混合型APF系统选取七次调谐的串联LC滤波器作为变流器的输出滤波器。3.2.3L和C参数的选取根据IEEE的标准，无源滤波器设计的基本方法是根据需要补偿的基波无功来确定电容值，再根据已确定的谐振频率与电容值计算电感值24。本文就是以该思想为指导，在结合文献23提出的从无功容量的角度，针对于传统的LC单调谐滤波器组提供了一种确定滤波电容最小容量方法的基础上，再考虑到我们所用的单调谐滤波器要流过全部的谐波电流，提出了一下方法来确定LC无源滤波器的参数。根据单调谐滤波器的原理，当其调谐于第n次谐波频

44、率是存在一下关系： （3-6）式中，为基波角频率。在理想情况下，公共连接点电压不存在谐波分量，这样就只含有基波相电压U1 ，另外，LC滤波器的等效电阻非常小，其对系统几乎无影响，因此，这里也可以忽略不计，则由以上分析可知，基波电流If1为： (3-7)安装容量Sn应为基波无功容量1与谐波无功容量n之和，即： （3-8）LC滤波支路输出的基波无功容量1为： （3-9）将式（3-7）和式（3-9）带入式（3-8），得到： （3-10）式（3-10）存在极小值，取极小值的条件为： （3-11）将式（3-9）带入（3-11），消去1，解出CF-min得： （3-12）此时可以得到Sn的极小值为： （3

45、-13）式（3-12）和式（3-13）中，U1为电网基波电压，为电网基波角频率，n为LC单调谐滤波器的调谐次数，由上节可知，这里n=7，Ifk为流过LC滤波器的第k次谐波电流。理想情况下，系统完全补偿，即电网电流最终无畸变，为标准的正弦波，则负载电流ILh全部流入LC滤波器，因此对Ifk的求解就转化为对ILh的分析。针对带阻感型负载，依据表（3-1）所示的仿真参数，基于Matlab/Simulink可进行仿真计算。表3-1 带阻感负载的整流电路仿真参数电源电压us（V）负载电阻R ()滤波电感L（mH）电网侧电感LS（mH）11402010.0828由于整流负载高次谐波电流含量比较低，忽略不计

46、影响比较小，因此仿真计算时谐波仅记及49次，仿真得到： (A) (i=1,28) (3-14)由式（3-12）和式（3-13）计算得到：CF-min=4.9*10-2mF ， Sn-min=80.733KVar.结合实际的电感值大小、滤波效果以及电容制作工艺，最终电容取4.7*10-2mF，对应的基波无功容量1为6.8242KVar。将此值带入式（3-6），计算得到LF=4.9*10-2mH，这样我们就确定了参数L和C.3.3有源部分的设计3.3.1直流母线电容电压的选择 无变压器并联混合型APF的系统结构图3-1所示由图可知有源逆变器直接与LC无源滤波器串联，再与负载并联。为了分析方便，我们假设，逆变器输出电感为L1(实际是不单独存在的，而是包含在LC滤波器的电感中)，其上的电压设为uL1，无源滤波器阻抗上的电压设为uF，母线电压设为udc,混合型APF并联接入点的电压设为uPCC，三相补偿电流分别为ica、icb、icc，且满足ica+icb+icc=0,则由图（3-1）可得： （3-15） （3-16）式中，ku