一种的有源电力滤波器的设计

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制谐波和无功污染的有效措施。

由电阻器、电抗器和电力电容器组合而成的LC无源滤波器是传统抑制谐波和补偿无功的主要手段，无源滤波器结构简单、投资成本低、技术成熟、运行可靠且维护便利，是目前采用的较普遍的抑制谐波和补偿无功的方法。由于PPF为谐波提供了一个低阻抗并联电路，通过该方法达到滤波作用，系统和滤波器的阻尼比决定了滤波的特性，但存在一下不足之处：

系统参数决定了谐波的频率，主要谐波成为滤波的主要对象，不能对谐波和无功功率进行补偿，滤波特性改变了LC的参数，导致滤波特性不稳定，难以协调滤波特性、无功的补偿、电压调理要求；

只能针对特定谐波进行消除，而谐波分量放大可能是由于电网参数与LC产生的并联谐振引起的，由电网提供的电流质量下降。

电网的参数决定了滤波的特性，电力系统的运行状况决定了谐频和电网阻抗的变化，因而增大了设计的困难；

谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可能造成滤波器过载。由于无源滤波器存在以上自身难以战胜的缺点，因此单独使用时难以满足现代电力生产和生活需要。

1.4.2有源滤波器的优势

目前谐波抑制的一个重要趋势是采用有源滤波器，有源滤波器是一种电力电子装置。这种滤波器能对幅值和频率都变化的谐波进行跟踪补偿，并且补偿特性不受电网阻抗影响。既可以对一个无功源和谐波进行补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿，因而受到广泛的重视。

有关有源电力滤波器今后研究及发展的方向主要集中在以下几个方面：（1）谐波电流检测方法的进一步研究；

（2）有源滤波器功能的进一步完善。除了补偿谐波电流及无功功率的要求外还要使有源滤波器能够抑制谐波电压、抑制电压波动、抑制不平衡电流等功能；（3）通过PWM调制和提高开关器件的等效开关频率实现对告辞谐波补偿。

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2有源电力滤波器基本原理

有源电力滤波器（activepowerfileter,APF）是一种用于动态抑制谐波，补偿无功功率的新型电力电子装置。它能对大小和频率都变化的谐波及变化的无功功率进行补偿，进而战胜无缘滤波器等传统谐波抑制和无功补偿方法的缺点。基本原理是从补偿对象中检测出谐波源，由补偿装置产生一个与谐波电流大小相等但极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量，从而达到实时补偿谐波电流的目的。有缘电力滤波器具有补偿对象瞬态响应快，受电源阻抗影响不大，且不易和电源阻抗发生谐振等优点。此外，它在补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需储能元件容量也不大。有缘电力滤波器作为一种新型的谐波抑制和无功补偿装置。

2.1有源滤波器的工作原理

并联型有源滤波器结构图如图2.1所示，有源电力滤波器的基本工作原理表达如下：当需要补偿负载产生的谐波电流时，有源电力滤波器的指令运算电路会检测出需要补偿对象的负载电流iL的谐波分量，由电流跟踪控制电路使得主电路产生补偿电流ic与is谐波分量相等、相位相反，从而使得电源电流i只含基波不

s含谐波，达到了抑制谐波补偿无功的目的。

图1APF原理结构图

可用公式（2-1）（2-2）（2-3）（2-4）表示：

i?i?i（2-1）i?i?i（2-2）i??i（2-3）i?i?i?i（2-4）其中，i为APF检测出的负载电流谐波分量；i为负载电流中的基波分量。

sLcLLfLcsLhLcLLhLf脉宽调制变流器应用于主电路里，补偿电流出现时，充当逆变器来工作。但

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是并不是仅仅充当逆变器的作用，若APF直流侧的贮能元件由电网充电时，当做整流器来运行。换言之，他工作于两种状态中，一个是逆变状态，一个是整流状态，但无法确切区分。假使要求APF在补偿谐波的同时，补偿负载的无功功率，通过增加负载的基波分量来补偿电流指令。负载中的电流谐波与补偿电流相互抵消，电源供电电流与负载中的电流基波分量相等。

2.2APF的类型

APF可以依照所使用的拓补结构、变流器类型及电源相数进行分类。按其与负载连接的拓补类型分为三类：串联型、并联型及串并联混合型；还可根据其使用场合电源相数来分可分为单相、三相三线制和三相四线制等；按其变流器类型还可分为电流型和电压型。

2.2.1按变流器类型分类

APF的主电路类型主要有两类，电流型脉宽调制变流电路和电压型脉宽调制变流电路。直流一端的储存能量的元件不同是区分二者的标准。电流型PWM电路的直流侧储能元件是大电感，具有较高的可靠性，但却有较高的损耗，因此在一般场合下使用较少。而电压型PWM电路有一个容量大的电容在其直流一端，它的作用是产生电流来补偿非线性负荷产生的谐波电流，它便捷且特性较好，故应用较为广泛。

2.2.2按拓扑结构分类

最初的APF为力图单独应用并联型APF，为了尽量发挥APF的特长、让其性能提高，于是出现了串联型APF、串联混合APF、并联混合型APF等。根据APF接入电网方式的不同，将其系统构成分为串联型、并联型和混合型三大类。它们又分别包括不同的类型，具体划分为如图2.2所示。每一种类型的有源电力滤波器结构不同，因而其工作原理和特性也各有不同。

图2.2有源滤波器类型

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2.2.2.1并联型APF

并联型APF是滤波器中使用最为广泛的一种。包括单独使用方式，与PPF混合使用方式，注入方式和与旋转电机并用等多种方式。

（1）单独使用的并联型APF

单独使用的并联型APF，制造谐波的谐波源是负载，APF的主电路是由变流器、电感以及直流侧一段的电容一起组成的。与AFP并联的小容量一阶高通滤波器，作用于消除APF产生的其它元件产生的谐波。

由于电网是APF中的主电路并联在负载上的，故称并联型。又由于APF提供补偿电流，为了区别其它方式，称其为单独使用的方式。这是APF中最基本的形式，也是目前应用最多的一种。

在这种方式中，为实现多种补偿效果可以使用适当的控制方法，它可以实现各种丰富灵活的功能。但是变流器收到交流电压基波影响，由于变流器提供补偿电流，因此变流器的容量必需很大，这一缺点是这一方式主要不足。

（2）与PPF混合使用方式

这种方式是用来解决容量大这个不足才提出来的。大体思路是用PPF来承受APF的一定补偿。由于PPF与APF比，构造简单、实现成本较低，而APF的优点是补偿性能好。同时利用两者，不仅解决了APF容量较大、成本较高的问题，而且保持了系统良好的特性。并联型APF与PPF混合使用的类型有两种，一种是APF并在PPF上，另一种是APF串联在PPF上。

但是，电网阻抗发生谐振的可能性是由LC滤波器引起的，因此在APF与LC滤波器混合使用的方式中，需对APF进行有效的控制，来抑制可能发生的谐振。

（3）注入电路方式

电感和电容共同组成了注入电路方式，电容电感电路的谐振性能被其利用，使得APF只承受很小部分的基波电压，从而极大的减小APF的容量。

在注入电路方式中，补偿电流流进的电网和负载的连接处必需有所保障，

对流入电网中的电感和电容参数需要进行合理的配置。根据电感电容谐振特性的不容，串联谐振注入电路和并联谐振注入电路是注入电路的两种不同的方式。

（4）与旋转电机并用方式

采用了与绕线转自异步电动机构造一致的旋转电机，通过控制转自侧所接

的逆变器来控制电机的励磁电流，从而向电网中注入补偿电流。这种方式的特点也是可以减小变流器的容量。

2.2.2.2串联型有源电力滤波器

串联型有源电力滤波器包括单独使用方式和LC滤波器混合使用方式两种。（1）单独使用的串联型有源电力滤波器

将APF串联在电压源与负载之间是这种方式的特点。串联型APF与并联型APF不同，主要用于电源侧谐波的补偿。

（2）与LC滤波器混合使用方式

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APF是在并入的负载和LC滤波器两者之间的，谐波基本上由LC滤波器补偿，改善滤波器的滤波特性是APF的主要作用。可将有APF看做一个可变阻抗，它对基波的阻抗为零，而对谐波表现出高阻状态，抗争谐波流入电源电网中，从而强迫谐波流入滤波器。换句话说，APF的作用就是隔离谐波流入电网。同时降低了滤波器收到谐波的影响，以及抑制电网与LC滤波器之间可能发生的谐振，从而极大地改善LC滤波器的性能。

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3谐波检测理论

确凿、实时地检测出电网中的瞬态变化的畸变电流是并联型有源电力滤波器进行确切补偿的关键，由于谐波补偿必需要先检查出所要补偿的谐波。谐波检测是APF十分关键的一环，谐波检测环节给出了APF需要补偿谐波的参考值，参考数值决定了控制系统产生相对应的驱动脉冲，控制APF产生相应补偿电流或电压

?跟踪该参考值，从而起到补偿效果。本文主要采用了ipiq法对系统的谐波和无

功电流进行检测。

3.1电流运算电路

指令电流元算电路的作用主要是依据APF的补偿对象道道需补偿的电流的指令要求。它的核心就是谐波和无功电流实时检测方法。以三相电路瞬时无功功率理论为基础，计算p?q或ip?iq为出发点即可得出三相电路谐波和无功电流检测的两种方法。

3.2ip?iq检测法

由瞬时无功功率理论可以推到出瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq的表达式为式（3-1）：

?ip??sin?t?cos?t??i???????????cos?t?sin?t??i???iq?????

???sin?t?cos?t???????cos?t?sin?t?????12??3?0???12321?????ia2??????ib?3????????2????ic???CC32?i?a???ib??????ic?(3-1)

其中C???sin?t??cos?t?cos?t??

?sin?t?ip?iq检测方法的原理如图3.1所示：

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图3.1ip?iq检测方法的原理图

该方法用了一个过零比较电路和一个正弦余弦发生电路，从而得到了与a相电网电压相位一致的正弦信号sin?t和对应的余弦信号cos?t，利用这个信号和ia、ib、ic一起计算ip、iq，再经过LPF得出ip、iq的直流分量p、q，这里的p、q是由iaf、ibf、icf产生的，因此由ip、iq就可以计算出ia、ib、

ic的基波分量iaf、ibf、icf相减，从而得出谐波分量iah、ibh、ich。

但是假使要在补偿谐波电流的同时补偿无功电流，则其原理图如图3.2所示。

图3.2谐波补偿原理图

理想电网电压的波形为正弦波，但实际的波形因各种原因会产生畸变，而这种畸变在一定限度内是允许存在的。上述两种方法均适用于三相三线制电路，当电网电压无畸变时，两者都能确凿的检测出谐波电流。ip?iq检测方法选取了与电压信号同相位的正弦信号sin?t和余弦信号cos?t参与运算，电压信号的谐波成分在运算过程中不出现，因而检测结果不受电压波形畸变的影响，能够充分保证检测结果的确凿。

除以上介绍的ip?iq方法外，还有以下几个检测方法：

（1）基于FFT的数字分析法。其原理是将检测到的一个周期的谐波信号用FFT分解，便可得到各次谐波的幅值和相位，从而也得到了各次谐波的表达式。FFT方法思路简明，原理明了，适用于各种状况。但是其缺点是由于需要对误差信号进行重构，运算较为繁杂，股具有一定的延时，实时性较差。

（2）基于现代控制理论的检测方法。就是直接根据逆变器直流侧的电压或

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电流求出所需要的电网电流的基波有功分量幅值，从而求出所需要补偿的电流值。

（3）根据神经网络模型控制的方法。

（4）自适应检测法。

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4有源滤波器的电流跟踪控制

电流跟踪控制是补偿电流发生电路中的第一个环节，其作用是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流之间的相互关系，得出控制补偿电流发生电路长主电路各个期间通断的PWM信号，使得控制的结果能保证补偿电流跟踪其指令信号的变化。

有源滤波器的电流跟踪控制系统一般由四部分组成，即控制算法部分、触发脉冲发生部分、开关器件驱动和变流器，如图4.1所示

图4.1有源滤波器控制系统

其中控制算法处理部分对谐波检测化解送来的数字信号进行处理，采用ip?iq谐波检测算法，检测出所需要的谐波同有源滤波器产生的谐波比较，根据二者的差值采用一定的控制方法产生出发脉冲信号送个触发脉冲发生部分，触发脉冲发生部分根据该信号产生适当的驱动脉冲去驱动有源滤波器的变流器，使其产生谐波电流与所需要的谐波电流一致，达到谐波补偿的效果。

4.1采样控制理论

在采样控制理论中有一个重要的理论：冲量相等而形状不同的窄脉冲在具有惯性的环节上时，其效果一致。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本一致，是指环节的输出响应波形基本一致。如把个输出波形进行傅里叶分解，其低频特性十分接近，尽在高频段略有差异，脉宽越窄时输出响应越接近。上述原理可以称之为面积等效原理，它是PWM控制的重要理论基石。目前有源电力滤波器的输出电流控制方法主要有：三角载波线性控制法和滞环比较控制法。上述原理可以称为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基石。例如，图4.2（a）、（b）、（c）所示的三个脉冲形状不同。a为三角形脉冲，b为正弦半波脉冲、c为矩形脉冲，但它们的面积相等。当它们分别作用于同一惯性系统时，输出响应基本一致，而且脉冲越窄，输出差异就越小。

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图4.2各种脉冲示意图

4.2三角载波线性控制法

三角载波线性控制（tranglewave-linearcontrol）是一种最简单的控制方法，原理图如图4.3和图4.4所示

图4.3三角载波线性控制图

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图4.4三角载波线性控制图

由上图中可以看出矩形脉冲的宽度是依照正弦规律变化的。通过冲量相等效果一致的原理可知，PWM波形和正弦波作用在惯性环节上是等效的。有源电力滤波器采用的三角波载波PWM控制的具体方法如图4.4所示。

图4.5三角波线性控制法原理图

由上图将补偿电流指令值与补偿电流的反馈值相比较后，经比例控制乘以放大倍数K进行误差放大，误差信号与三角波进行比较。三角波比较方式虽然开关频率固定，跟随误差较大等缺点，但是输出电压中所含谐波较少，因此本设计采用三角波比较方式。

这种方式与其他三角波作为载波的PWM控制方式有所不同，它不直接将指令信号i?c与实际输出电流ic的差值?i?c经过比例环节或者比例几分环节放大后

和三角载波相比，得到脉宽调制信号，用这个脉宽调制信号控制主电路的功率开关器件，使得实际输出电流能够快速跟踪指令电流的变化。比例系数K越大，三角波的周期越小，电流跟踪的性能就越好，APF的补偿效果也就越明显。但是比

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例系数K不能太大，否则k?i*c的大小就会超出了三角波幅值，从而失去了脉宽

调制的作用，使得系统不能控制。另外，三角波频率的选取也受电力电子器件的最高工作频率的限制，在实际应用中，需要根据具体要求选取适当的K和三角载波频率。

三角载波现行控制方法有以下特点：

（1）输出电流含有较少的电流谐波，但含有与三角波一致频率的谐波；（2）开关器件的开关频率是固定的，并且等于三角波的频率；（3）电流响应速度较慢；（4）电流跟随误差较大；

（5）三角波载波控制方式电路较为繁杂；（6）属于闭环控制，具有一定的控制稳定性。

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5负载电流发生模块

非线性负载是电网中主要的谐波源。非线性负载种类好多，例如：三相可控硅整流电路、三相二极管桥式整流电路、变压器等，其中最具代表性的谐波源是带感性负载三相桥式全控整流电路，这种负载在电网中应用较为广泛，并且产生的谐波含量也较大。仿真模型如图5.1所示，触发角为30度。

图5.1负载电流发生电路

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6系统仿真模型及仿真结果

6.1系统仿真模型

并联型有源电力滤波器系统的结构模型如图6.1所示

图6.1系统仿真模型

相电压—电流检测模块向负载供电，其中在电压与负载之间设有电力滤波器。从三相电压—电流检测模块的三相电压和三相电流端口分别引出三相电压和三相电流作为谐波检测的谐波源，经谐波检测模块BLIC后将检测到的谐波与滤波器产生的补偿电流作为PWM调制的信号源，来控制补偿电流的产生，最终将产生的补偿电流加到负载，从而达到抵消负载产生的谐波。

6.2系统仿真结果与分析

6.2.1滤波前电流波形

由于负载是一个三相桥式整流电路，且触发角是30度，故滤波前电流波形图6.2所示。

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图6.2滤波前电流波形图

6.2.2滤波之后的电流波形

图6.3滤波后的波形图

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6.3MATLAB的仿真研究

MATLAB是一个数学分析和计算机仿真的软件，建立动态系统模型、对动态系统进行仿真等是SIMULINK的主要功能。图形用户的界面是它提供的，可以构造各种繁杂的模型，分层结构被其应用，用户通过它上面所反映的状况不仅可以了解模型动态，用户还可以从中进一步了解各个器件、元件、甚至系统工作的状况。在仿真过程中，用户可以改变参数，实时观测系统变化。可以直接在SIMULINK环境中运作的工具包有好多，已覆盖通信、信号处理、控制等好多领域，设计内容好多。它支持离散、连续及两者混合的线性和非线性系统。因此，SIMULINK特别适合信号系统和控制系统的仿真分析，其中SimPowersystems是SIMULINK专门用于电力电子仿真的工具箱，可以便利快捷建立起电力电子仿真模型。

6.3.1MATLAB简介

MATLAB是用于算法开发、数据分析及数值计算等的高级计算语言，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。

MATLAB是Matrixlaboratory的简称，它可用于矩阵运算、绘制函数、创立用户界面等等，主要应用于控制设计、信号处理、图像处理、信号检测等领域。MATLAB语言有以下特点:（1）提供了便利的开发环境

MATLAB提供了一组可供用户操作函数和文件的具有图形用户界面的工具，包括主界面、命令窗口、编辑和调试、在线浏览帮助、工作空间等可视化工具窗口。

（2）编程语言简易高效

MATLAB提供了和C语言几乎一样多的运算指令,既具有结构化控制语句又有面向对象编程的特性。MATLAB程序书写形式自由，利用丰富的库函数压缩一切不必要的编程工作。程序限制不严格，程序设计自由度大，并且有很强的用户定义函数能力。

（3）提供强大的数字应用功能

MATLAB可进行包括基本函数、繁杂算法、更高级的矩阵运算等十分丰富的数学应用功能，特别适合矩阵代数。它具有大量高性能数值计算的高级算法，库函数及其丰富，使用也很便利灵活。

（4）功能强大的工具箱是MATLAB的另一特色。

MATLAB包含两个部分：核心部分和各种可选的工具箱。核心部分中有数百个核心内部函数。其工具箱又分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。扩大符号计算能力是功能性工具箱主要的作用，它还有图示建模仿真功能，文字处理和随时观测硬件的功能。多种工具箱都用功能性工具箱。专业性比较强是学科性工具箱，如control、signalprocessing、commumnication、powersystoolbox等。这些工具箱都是由该领域内学术水平很高的专家编写的，所以基础程序无用

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户自己编写，可以直接研究。

6.3.2SIMULINK简介

SIMULINK有两个特别明显的功能：仿真与连接。即可以直接利用鼠标在模型窗口中画出所需要的控制系统模型，然后再用软件提供的功能来对控制系统直接进行模拟。

SIMULINK独特之处：

（1）创立动态模型并对其进行仿真。

SIMULINK是一种图形化的仿真工具，动态系统模型的创立和制定控制规律都是由它来完成的。SIMULINK支持线性和非线性系统，连续或离散系统以及多变量系统，它可以分析任意系统。

（2）以直观方式建模

可以利用MATLAB仿真系统建立系统模型。模块包括输入信号源、动力学元件、线性非线性函数。

（3）增加定制模块元件和用户代码。

SIMULINK模块库是可定制的，能够扩展以宽容用户自定义的系统环节模块。用户也可以修改已有模块的图标，重新设定对话框，甚至换用其它形式的弹出菜单和复选框。

（4）快速、确凿的进行设计模拟。

SIMULINK较好的积分算法给非线性系统仿真带来了较高的精度。先进的常微分方程求解器可用于求解线性的和非线性的系统。

SIMULINK是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，只需要利用鼠标进行简单的操作，便可使得系统变得繁杂。SIMULINK的有点好多，它适应性强、仿真效果逼真