【《有源滤波器的设计与MATLAB仿真研究》13000字（论文）】

有源滤波器的设计与MATLAB仿真研究摘要：由于国民经济和电力科技的迅猛发展，电力负载变得越来越多样化，使得电网中的非线性负载（特别是电力电子器件）日益增多，向电网中注入了许多的谐波分量，使谐波带来的坏处日渐明显，其给电力环境带来的污染已经严重危害到了系统本身及广大用户，因此谐波治理工作刻不容缓。在诸多消除谐波的方法中，有源滤波器由于其良好的功效脱颖而出，成为研究谐波治理的一个重点。本论文根据毕业设计任务书的要求，利用所学内容对有源滤波器的理论进行了详细的研究，并在理论研究的基础上，筛选出了有源滤波器结构中各个环节的具体实现方法，提出了有源滤波器的设计方案，并借助MATLAB/SIMULINK科研软件根据此方案构造出了有源滤波器的具体模型。此外，本文还将搭建好的有源滤波器模型应用在了三种不同的谐波源场景下，在针对不同的谐波源，对有源滤波器模型各个环节的参数进行相应的计算和调整后，对这三种不同的场景逐个进行了仿真分析，最终检验并证实了本文所构建出的有源滤波器实际模型的正确性及有效性。关键词：有源滤波器谐波检测PI控制SIMULINK仿真目录第1章绪论 11.1谐波的概念、产生原因及危害 11.1.1谐波的基本概念 11.1.2谐波的产生原因及危害 21.2现存谐波治理的方法及比较 31.3有源滤波器的发展及我国的研究现状 31.4本文的主要研究内容 4第2章有源滤波器的理论基础 42.1有源滤波器的分类 42.2有源滤波器的结构 52.3有源滤波器的基本原理 52.3.1有源滤波器的工作原理 52.3.2谐波电流的检测模块 62.3.3电流的跟踪控制模块 82.3.4补偿电流产生模块（APF的主电路） 9第3章有源滤波器的仿真研究 103.1MATLAB/SIMULINK概述 103.2有源滤波器模型的建立 113.2.1谐波电流检测模块模型 113.2.2电流的追踪及控制模块 123.2.3补偿电流产生模块 123.3不同谐波源下验证有源滤波器的滤波效果 133.3.1常规谐波源下（谐波源为整流电路） 133.3.2有源滤波器在高压直流输电系统中的应用 173.3.3有源滤波器在TCR电路中的应用 19第4章结论与展望 224.1主要内容和结论 224.2展望 23参考文献 24绪论如今的社会，我们的生活已经十分依赖于电能，电能的使用已经渗透到了各个行业。正是由于电能的广泛应用，导致我们对于电能质量的要求变得越来越高，但是近些年来由于电力电子技术的大力发展和广泛投入使用，电网的大环境遭受到了严重的破坏，谐波治理已是我们必须要开展的工作。本章重点介绍了关于谐波的一些内容，同时也简单的介绍了当前存在的几种谐波治理的方法，并对其相互间做比较，显示了有源滤波器特有的优势，此外本章还介绍了有源滤波器的发展。谐波的概念、产生原因及危害谐波的基本概念 谐波是指电压、电流波的形状发生了一定的变化，不再是严格的正弦波，从严格的角度来说，指的是对一个畸变后的电气量进行傅里叶分解，最终得到的大于基频且为基频整数倍的其它次分量，都称其为谐波[1]。下述式子表示标准电压波形[2]：(1.1)其中U-电源电压的有效值此刻若在非正弦电路两端加上正弦电源电压，则产生的电流波形会发生改变而变为非理想的正弦波形，对此波形进行傅里叶级数（FFT）分解后，可得：（n=1、2、3…）(1.2)式中：若取：则这时式子（1.2）变成：(1.3)从式子（1.3）可知，例如我国电网工频为50Hz，则频率与50Hz不一致的，理论上都可称之为谐波分量。接下来为方便后文对仿真结果的分析，引入一个用来比较含有谐波多少的量——电流谐波总畸变率,其定义为:(1.4)(1.5)式中：谐波的产生原因及危害非线性负载投入使用的过程中，其电压和电流的相互关系是一直在发生改变的，所以对于它的普遍使用是产生谐波的重要原因。非线性负载投入电网中会由于产生谐波分量而改变电流的波形，该电流流入到整个电网中，导致电网电压波形也会发生相应的改变，从而污染整个电力大环境。我们比较常见的非线性负载主要有功率较大的可控硅整流器、节能环保型的一些家里的电器、电石炉以及高频感应的加热炉等等[3]。在早前，谐波问题不明显，人们对谐波问题并不关注。但近代由于电力电子等非线性负载的大量使用，因谐波问题导致的故障越来越多，已严重的影响到了电力系统的正常生产和运行，这就急需我们将谐波治理问题提上日程，改善电网的大环境。在日常生活中，谐波给整个大电网带来的的危害大致可体现在这几个方面[2]：（1）谐波掺杂于电网之中，会使一些电力元件对电能的消耗变大，严重降低设备对于电能的利用率和电网投入使用的经济性，还会使元件产生许多的热量，可能会烧毁设备，特别是当中性线中存在3次谐波分量，甚至会引发火灾。（2）当电网中有采用谐振原理滤波的元件（如电容器、无源滤波器）时，谐波掺杂于电网之中，不仅可能引发谐振从而使继保等装置失去保护作用，而且还可能会使整个系统谐振，威胁系统稳定运行。（3）谐波会干扰电网，使供电的质量严重降低、一些设备无法实现精密加工，还会缩减设备寿命,破坏家用电器的正常工况。（4）谐波还可能会干扰电力系统中一些测量设备（如电压表、电路表、功率表）的测量准确性，使最终的结果有着相当大的误差，严重影响测量的后续工作。（5）谐波还会对其周围通信信号产生较大的影响，使通信线路受到音频干扰，甚至使部分通信信号失真或丢失，使通信系统无法进行正常工作。（6）当线路中有高次的谐波时，由于集肤效应的缘由，会使长距离输电线路过热，影响线路的使用寿命，增加线路建设的成本。（7）谐波会使变压器和电力系统中的电机产生较大的噪音，造成噪音污染。综上所述，谐波给电网的正常运行带来了非常大的坏处，所以为了保护电力环境、建设绿色电网，谐波治理工作已是刻不容缓。现存谐波治理的方法及比较 目前消除或减弱谐波的手段一般有两种[4]，一种是主动治理：这种方法是从根源上去解决问题，即找到产生谐波的用电设备，然后利用高新技术对电力设备进行改进和完善，使该电力设备产生的谐波大大降低，甚至不再产生谐波，目前这种方法主要有：增加变流装置的相数、改进电网的整体结构或利用换流变压器；还有一种是被动治理：这种方法是在电力系统中加入一些专门用来减少谐波的装置，利用这些装置来减少谐波。该方法主要包括在电网中加入和有源滤波器（APF）。 主动治理的这几种方法一般较难实现，要么会增大设备的体积，要么只能应用在一些特定的领域。所以接下来，我们主要分析被动治理的几种方法。无源滤波器一般是通过电感L和电容C串联或者并联，使其在某个特定次数的谐波下发生谐振，从而实现滤波的作用，在实际投入使用中，无源滤波器虽有一定的优势，但其不足之处也不可不提，如无源滤波器不够灵活，由于其自身设计参数的限制，它只能滤除已知某一次数的谐波分量，同时无源滤波器对电网的某些参数的变化十分的明锐，滤波效果不太稳定，另外无源滤波器使用不当还可能与电网发生谐振，反而又进一步增加了电网中的谐波含量。[2]为了弥补PF的缺陷，从而引出了APF，近些年来，由于有源滤波器优异的性能，使其逐渐成为治理谐波的重点内容。有源滤波器的优点主要有[5]:（1）动态补偿性能较好，能够快速响应谐波的变动（2）受电网一些参数改变的影响小，对阻抗变化不敏锐，滤波效果稳定（3）在实际投入使用时，有源滤波器的贮能元件容量小（4）有源滤波器使用相对便捷，不用另外加装其他辅助设备（5）有源滤波器特有的自适应功能，可对时刻改变的谐波分量进行跟踪补偿，可控性好（6）有源滤波器不仅可以消除或减小谐波，同时它还可以补偿无功及其它次序电流。 鉴于有源滤波器以上的优势，所以它在谐波治理问题上有着不可替代的作用，从而证明了本文的研究是非常有意义的。有源滤波器的发展及我国的研究现状 APF的理论最早出现在等人在1969年发表的论文中，文中提出可主动向电网中注入三倍于基波频率的谐波电流从而用来减少电源侧的谐波含量，1971年，和在其论文第一次较系统的介绍了APF的结构和原理。其后在1976年，美国的一个学者提出具体的基于PWM逆变器的APF实现方案，但因技术短板而未能被应用在实际中[6][7]。最终直到20世纪80年代，日本学者先后提出了一个检测理论和并联型APF，再结合当时PWM控制技术的进步，才使得APF的研究取得了巨大的进展。在90年代以后，APF的研究逐渐放在如何应用于实际的工业场景中。 我国对于APF的研究起步相对较晚，一直到80年代末期，我国才有了少量滤波器的文献。通过很长一段时间的发展，直到时代的脚步迈入到21世纪，我国才在APF的研究上逐渐步入了正轨，研究的范围在不断的扩展。目前，主要有一些知名的大学开展研究，并和企业合作开发产品。总体来说，对于APF的各种研究已初具规模，但国内APF研究还主要以理论上的研究和实验为主，还没有达到国外APF的研究水平。本文的主要研究内容 本文最开始先介绍了谐波的由来及其带来的一些害处，通过比较现存的抑制谐波的方法，从而展现了有源滤波器的优点，然后进一步的介绍了APF的结构、不同标准下的分类和基本原理，同时也分别对谐波检测、跟踪控制以及主电路模块进行了进一步的探讨和理论研究，下面对各个模块最终采用的具体实现方法进行说明：快而准的谐波检测是APF的第一个环节，是有源滤波器能够正确工作的先决条件，本文谐波检测模块采用的是算法，下文会对这种算法进行详细的介绍；跟踪控制是整个研究的灵魂所在，本文介绍了几种常用的控制模块，最终采用了传统的PI控制法控制PWM产生器产生相应的脉冲来驱动主电路的IGBT元件，使其发出合理的补偿电流；主电路是整个研究的执行环节，本文的主电路为，结构采用的是三相三线制并联型。 最后本文采用MATLAB/SIMULINK软件,对研究所得的最终方案进行了模拟分析，依次搭建了检测、控制、主电路模块的具体模型，并最终封装组合成有源滤波器的整体模型，仿真验证了各个模块的作用，证明了所选理论的合理性。另外又将APF模型放在三种不同的谐波源系统中，逐个进行仿真分析，对比了在各系统中加装APF前后，电网电流畸变率的变化，从而验证了整个有源滤波器的功效。有源滤波器的理论基础有源滤波器的分类站在不同的角度，APF有着不同的分类，对于APF的分类大致可概括为如下几个方面[8]，如图2-1：图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s11不同角度下对APF的大致分类有源滤波器的结构 虽然APF的种类很多，但并联型APF由于其方便接入电网，且易于扩充容量等优点成为了目前最普遍应用的有源滤波器，所以本文主要探讨这种结构形式的APF，其结构如图2-2[7]：图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s12 从图2-2可知整体的拓扑结构大致可以划分成三大块：第一块是三相电压源，它是用来产生三相正弦电压电流的；第二块是谐波源，采用以整流电路作为谐波源，用来产生谐波；第三块是有源滤波器，这是本文设计仿真的主要环节。下面大体介绍以下图中的参数： 另外从图2-2可以看出本文设计的APF主电路采用的是PWM变流器，它有两种工作状态：将其当逆变器使用时，是APF在向电网中发出所需的补偿电流；将其当整流器使用时，是电网在反方向给APF的电容充电。正是由于这两种不同的工作状态相辅相成，才使得主电路可以正常的进行工作。有源滤波器的基本原理有源滤波器的工作原理 其原理如下图2-3：图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s13 图中虚线框圈住的部分即为有源滤波器的整体结构，归纳起来说，有源滤波器主要包括两大电路或三大模块。两大电路：一是谐波分量的检测和运算电路；二是生成用于抵消谐波电流的电路。三大模块：一是谐波电流检查测量模块，含有谐波分量的负载电流经此模块可以将其中的谐波抽取出来。二是电流追踪控制模块，此模块可精准跟踪检测出的谐波分量的变化，然后将控制信号给到主电路。三是补偿电流产生模块，主电路接受到控制信号后，向电网发出补偿电流。 下一步利用公式对有源滤波器的工作原理进行进一步的说明，其公式如下[4]： 由这些式子能够看出，在交流电网中接入APF后，它会先将交流电网的电压和电流测出来，得到负载电流后，经APF的检测模块将其中的谐波分量检测出来，并制造一个与谐波分量大小幅值相等、正负极性相反的指令电流，然后控制主电路生成与指令电流一样的电流用于抵消谐波，就得到了我们所希望的电流，从而实现了改善电网电流波形的目的，这便是APF的工作过程。谐波电流的检测模块此模块的正常运行是整个有源滤波器最终能实现滤波效果的先决条件，若没有很好的检测策略，就不能很好的从负载电流中提取出谐波分量，APF后续环节的工作将无法开展，所以找到迅速、灵敏、精准的检测方法是十分有必要的。目前，针对谐波的检查与测量在不断的进步，其主要的方法有：基于无功功率理论的检测方法（主要包括算法和算法）、FFT变换法以及模糊理论检测法等等。本文有源滤波器的检测环节主要采用算法，此方法具有电路结构相对简易、检测速度快、延时短的优点，因此下面对其进行重点讨论。1、p-q算法三相瞬时无功功率理论的产生对有源滤波器有着至关重要的作用，该方法大体思路为：首先对检测出的交流电网的三相电压和三相电流分解到相互正交的坐标系下，得到和，然后由定义算出p和q，再经只允许低频率通过的滤波器得到中的直流分量，由于这里的直流分量追其根源是由基波电流所产生的，所以可以利用检测出的先算出坐标系下的电流再经过逆变化变为坐标系下的基波电流，最后用交流电网的三相电流减去基波电流，即可算出高次谐波电流。[4]原理图如2-4：图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s142、算法算法是由由上述算法经过改动和完善后而得的，采用算法不用去检测电网的电压，因而即使电网电压由于某些原因波形发生了严重的变化，也会对最终检测出的谐波分量产生影响。所以本论文将采用这种方法实现谐波检测。[9]算法的大体思路与p-q算法大同小异，下面将利用具体的计算公式对算法进行进一步的说明：先将三相电流变换到相互正交的坐标系下，公式如（2-1）：式中（2-1）与p-q算法不同的是，算法是构造了一个与电网中a相电压相位一致的的正余弦量sinωt、−cosωt取代了算法中的，并与一起，得出瞬时有功、无功电流，公式如（2-2）[10][11]：（2-2）计算得到的经滤波器LPF过滤后，得到所需的直流分量，这里的直流分量和算法一样是由正弦电流产生的，因此可利用其计算出基频正弦电流，公式如（2-3）：（2-3）最终谐波电流由电网的三相交流电流减掉基频正弦电流而得，如式（2-4）：（2-4）算法的原理如下：图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s15电流的跟踪控制模块电流的跟踪控制模块是有源滤波器最为关键的一个环节，也是目前有源滤波器研究的重点、难点。它主要起到使APF主电路发出与我们检测出的谐波电流的矢量和恰好为零的补偿电流，并且补偿电流可以根据谐波电流的变化而快速的进行变化。一般的控制方法有[12]：（1）滞环控制 这种方法在各种控制系统中比较常用，它的关键是采用了滞环比较器。这种方法需要先给定标准电流和容许误差（带宽），然后以标准电流为基准，以容许误差为界限，在标准电流附近形成一个误差上下限，构造出我们所需要的滞环。用实际电流与标准电流作比较，当实际电流与标准电流的差值超出了规定的容许误差，滞环比较器就发出脉冲信号，控制主电路电力电子开关元件的开关状态，以达到最终的控制目标。其缺点是控制的准确度会受所选择的滞环带宽的影响，当确定好带宽后，开关元件的动作频率会受主电路发出电流的影响，导致开关元件的动作噪音较大。[13]（2）三角载波控制法 由于有PWM变流器，因此可采用利用载波（三角波）与调制波（正弦波）作大小比较后再进行调制的方法进行控制。该方法是将给定的电流与实际的电流作大小比较之后得到的差值，经某些元件放大后，和已知频率的载波作进一步的比较，通过两种波的相对大小关系，从而发出对应的脉冲对主电路进行控制的方法。其缺点是会产生与载波同频的谐波电流，使损耗变大。（3）谐振控制 顾名思义，谐振控制就是利用电路的谐振原理而进行的控制，采用这种控制方法可对特定频率的波形进行无差的跟踪控制。但是谐振控制的局限性也很大，它只能对特定频率的波形起作用，要想对各次谐波都起到一定的作用，就需要对各次谐波分别打造适宜的控制器，这就使得整个装置体积巨大，结构复杂，生产的成本也大大增加。（4）重复控制 这种控制方法的核心理论是内模理论，即闭环系统的反馈控制器需要有外面扰动的动态模型，只有这样才能使系统不因外部干扰而变得不稳定。这种控制具体的做法是被控对象除了输入偏差信号外，还要输入上一周期对应时间的偏差，这样做的好处是即使输入信号为0，仍会续叠加与上个周期相同的信号，这样就可以把它当做任意波形的发生器。它的缺点是延时长、响应慢，当谐波电流变化大的时候，重复控制最少经过一个周期才能做出反应。（5）PI控制 PI控制包含两个模块[14]：一个是比例模块，它的作用是反应偏差，只要输入信号存在偏差，就可以保证PI控制器立刻可以起到相应的控制作用。越大，稳态误差越小，快速性越好。另外一个是积分模块，它是用来是彻底消除误差，从而实现系统的无差调节，只要有偏差，积分模块就会开始工作，直到偏差消失，积分模块才会停止工作。 如今，国内外对于PI控制的研究已经比较成熟，PI控制的关键在于对PI参数的整定。目前，整定方法有很多，并且对于像MATLAB等仿真软件，已经有了PI控制器参数的自整定功能，这都极大的方便了我们对于PI控制器的使用和研究，另外PI控制结构也较简单，所以本论文主要应用PI控制的方法对电流进行跟踪控制。PI控制表达式如下：（2-5）补偿电流产生模块（APF的主电路） 根据APF装入电网的连合形式分类，可分为并联形式的APF和串联形式的APF，由于本文谐波源采用整流电路且带有阻感性负载，故本文采用可表现出电流源特性的并联型APF；根据实际电网系统结构分类，APF有三相三线形式和三相四线形式两种结构，本论文APF采用应用较多的三相三线制拓扑结构，根据主电路的PWM变流器直流侧所使用的元件分类，元件为电感的称为电流型；元件为电容的称为电压型，由于电流型APF中的电感元件始终在耗费电能，这样就会使得主电路额外消耗的电能增大[4]，另外电流型APF单台容量小且不能级联使用，所以目前广泛应用的是电压型APF，故本论文也主要研究电压型APF。 综上所述，本文研究的APF结构采用能够并联接入电网的三相三线制结构，且主电路使用电压型的变流器，其结构图如图2-6所示：图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s16主电路结构图在实际应用中，开关元件的种类多种多样，图2-6中电力电子开关元件采用的是性能较好的IGBT，在设计有源滤波器时，还应特别关注的问题是直流侧电容值的选取。APF的工作过程中，直流侧电容会一直不断的重复充、放电的过程，为保证有源滤波器的良好的滤波效果，就必须要使其直流侧电容两端的电压基本保持不变，所以对于电容值的选取是至为关键的，电容值大小会直接关系到电压的波动。其取值越大，电压越稳定，APF的性能也越好。但随着电容值的增大，使电容器制造的成本也在不断的增大。[15]有源滤波器的仿真研究在第二章部分，本文已经对有源滤波器各个模块的具体实现方法进行了详细的理论研究，并通过比较，最终确定出了有源滤波器各个模块所采用的具体方法。此外，本文还将利用所选择的理论借助MATLAB\SIMULINK软件搭建出各个模块的具体模型，并组装成最终的APF整体模型，接下来，本文分别在三种场景下对该模型进行模拟仿真，由此验证了APF模型的有效性，以及各个模块所用方法的正确性。MATLAB/SIMULINK概述 MATLAB由美国发明的一个软件，其除了具有优异的计算能力外，它还具有专业的文字信息处理、模型建立与仿真等功能。[16]一直以来，MATLAB凭借其优异的数学计算和仿真等功能，被国际学术界广泛应用，成为如今国际上十分先进的科研软件。MATLAB的工具箱有很多，SIMULINK就是MATLAB的众多工具箱之一，它是MATLAB的一种可视化、操作方便的仿真工具，主要的功能是对一些系统建立模型，并对所建模型进行仿真分析。SIMULINK大致包括两个部分，即仿真基础平台和仿真模型库，其致力于研究用一些常用函数表示的系统。SIMULINK使用起来也非常的简单、方便，用户在使用是时，对于一些简单的模块，可直接利用鼠标从SIMULINK库中找出并拉到模型窗口上进行使用，丰富的SIMULINK库大大减少了用户的工作量。当建立好所需模型后，再使用该软件对其进行仿真分析，实现我们的科研目标。随着当前计算机软件的大力发展，越来越多的学习软件可以与MATLAB/SIMULINK软件结合使用，为MATLAB/SIMULINK软件提供辅助功能，这更加促进了该软件的发展，SIMULINK的发展必将开创崭新的一页。在有源滤波器整个仿真研究中，我们也主要用到了MATLAB的SIMULINK工具箱,通过该软件对各个模块搭建出具体的模型，并对最终的动态模型进行仿真分析。有源滤波器模型的建立 通过前几章对有源滤波器的理论研究，已经很清楚的知道了有源滤波器的基本组成结构，明白了有源滤波器模型的建立实质上就是三个模块模型的建立，下面本文将对各个模块的模型一一进行搭建。谐波电流检测模块模型 检测模块是用来检查测量出谐波含量，为之后的模块提供所需的控制模板，其基本实现理论采用的是算法，该模块的核心是三相锁相环PLL和滤波器参数的计算及整定，此处滤波器采用的是低通滤波器，其截止的临界频率取40Hz。该模块的仿真模型如图3-1：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s11 将图3-1所展示的APF的谐波检测模型加装在下文3.3.1常规谐波源下进行仿真分析后，得到的谐波分量以及基频正弦电流波形由图3-2所展示：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s12图3-2中上下两图分别表示图3-7所示三相电流经检测模块后，被分解出的谐波电流和基波电流波形图。图中横轴为进行仿真模拟的时间（s），纵轴为示波器所示的电流大小。为了方便观察，图中分别用黑、红、蓝三色来表示A、B、C三相。由图示结果可知，利用算法和滤波器可以较准确的抽取出常规谐波源（图3-6所示）系统中负载电流（图3-7所示）所含的谐波分量，从而验证了有源滤波器检测模块的有效性。电流的追踪及控制模块 该模块所使用的理论为传统的PI控制理论，对于PI控制器比例常数和积分常数的整定，本文主要采用临界比例度法并经多次调整，最终确定出来适宜的参数。其模型图如下：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s13补偿电流产生模块有源滤波器的主电路是整个有源滤波器的执行环节。，由于加在电容上的电压应基本维持不变，这不仅对电容值的要求较高，而且还需要对电容进行稳压控制，会导致主电路的结构比较复杂[11]，所以，为了简化主电路的结构，本文用直流电压源来替换了原来主电路直流侧的电容。模型中直流电压源U取100V，电阻R为0.8Ω，电感L为2mH，其具体模型如下：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s14在图3-6展示的含常规谐波源的系统中，对上图进行仿真分析后，其发出的补偿电流与上述检测模块检查测量出的谐波电流波形如图3-5上下两图所示：图中横轴为进行仿真模拟的时间（s），纵轴为示波器所示的电流大小。为了方便观察，图中分别用黑、红、蓝三色来表示A、B、C三相。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s15根据图3-5的展示可以十分明显的看出，生成的补偿电流与检查测量出的谐波电流不仅大小幅值相等，而且正负极性也相反，这两个电流恰好互为抵消。这种结果正是我们所希望的，所以其强有力地证明了本文所使用的主电路模型是满足设计要求的。不同谐波源下验证有源滤波器的滤波效果常规谐波源下（谐波源为整流电路） 整流电路可以被当做电流源，对于这种谐波源，并联型的作用比较明显，所以其被大量应用于整流电路的滤波中，本论文采用三相整流桥电路，且其后带阻感性的负载来模拟谐波源，其中负载的电阻为1Ω，电感为1mH。另外，交流电网中的三相电压U为25kV，电网的频率f为60Hz，变压器的变比n为25000/600。本文上述谐波检测模块和主电路模块所得的电流波形图，都是对此模型进行仿真得来的，所以此模型是本文研究的重点模型。其详细模型由下图所展示：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s16对以上模型进行模拟仿真后，最终得到的三相电流如图3-7：图中横轴为进行仿真模拟的时间（s），纵轴为示波器显示的电流大小。为了方便观察，图中分别用黑、红、蓝三色来表示A、B、C三相。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s17电流的基波频率为60Hz，从0.03s开始用FFT工具分析上图30个周期的波形，最终计算出THD=68.73%，如图3-8：：：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s18在图3-6所示的交流电网模型的三相电源与整流负载之间加装有源滤波器后，整体的仿真模型变为如图3-9所示：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s19加入APF后的系统仿真模型图对整体模型进行模拟仿真后，电源侧和负载侧的三相电流波形以及分别对30个周期的波形进行后，所得结果如下所示：对于波形图，其横轴为进行仿真模拟的时间（s），纵轴为电流大小，同时为了方便观察，图中分别用黑、红、蓝三色来表示A、B、C三相；对于FFT分析图，其横坐标为电流分解出的各分量的频率（HZ），纵坐标为各频率电流分量的含量，表头左侧为基波频率含量，右侧为总畸变率THD。电源侧：加入APF后，电源侧电流如下：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s110电流的基波频率为60Hz，从0.03s开始用FFT工具分析上图30个周期的波形，最终计算出THD=3.02%，如图3-11：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s111负载侧：加入APF后，负载侧三相电流如下：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s112电流的基波频率为60Hz，从0.03s开始用FFT工具分析上图30个周期的波形，最终计算出THD=16.41%，如图3-13：：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s113 由以上结果可明显看出，交流电网在未加装有源滤波器时，电源电流受非线性负载的影响较大，三相交流电流的波形均与理想波形偏差较大，计算出的THD较大；但加装有源滤波器后，电源侧电流的THD由未加装有源滤波器时68.73%（如图3-8），减小到了3.02%（如图3-11）；负载侧电流的THD也由68.73%（如图3-8）减小到了16.41%（如图3-13）。这些数据都充分证明了本文所搭建有源滤波器模型的有效性，说明了有源滤波器对于这种谐波源在滤波方面有着较好的表现。有源滤波器在高压直流输电系统中的应用 由于直流输电相比交流输电有着输电线路制造的经济性好、能量损耗小、可以实现较远距离传输电能等优点，因此高压直流输电目前备受国际关注。我国幅员辽阔、东西、南北地区跨度较大，发电能源更多位于我国的北部和西部，而电能的消费中心却集中在沿海的东部，这就导致我国不得不采取“西电东送”的措施，所以发展高压直流输电（HVDC）对我国来说意义非凡。[17]由于HVDC系统的整流站和逆变站中存在着大量的电子开关器件，会生成很多的谐波分量，所以必须采用滤波器对交流侧及直流侧进行滤波，本文主要研究有源滤波器在12脉波高压直流输电系统中整流站交流侧的应用,所以将APF加装在了三相电源与整流站之间，其具体模型图如下所示：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s114高压直流输电模型图模型参数设置：三相电源：左端：UN为500kV，f为60Hz。右端：UN为345kV，f为50Hz；交流线路等效参数：左侧：电阻为26.07Ω，电感为48.86mH。右侧：电阻为6.205Ω，电感为13.96mH。有源滤波器：采用进行封装后的APF模块控制环节：高压直流输电系统的控制环节比较复杂，由于本文主要研究APF的滤波效果，故不对此处进行介绍。对所搭建的模型进行仿真分析，并用FFT工具分析得出的三相电流波形，结果如下所示：对于波形图，其横轴为进行仿真模拟的时间（s），纵轴为电流大小，同时为了方便观察，图中分别用黑、红、蓝三色来表示A、B、C三相；对于FFT分析图，其横坐标为电流分解出的各分量的频率（HZ），纵坐标为各频率电流分量的含量，表头左侧为基波频率含量，右侧为总畸变率THD。未加装APF时：整流站交流侧的电流如图3-15：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s115电流的基波频率为60Hz，从0.5s开始用FFT工具分析上图30个周期的波形，最终计算出THD=9.14%，如图3-16：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s116加装APF后：整流站交流侧的电流如图3-17：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s117电流的基波频率为60Hz，从0.5s开始用FFT工具分析上图30个周期的波形，最终计算出THD=1.28%，如图3-18：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s118 由以上结果可以明显看出，从波形上来看：当加装有源滤波器后，交流侧的三相电流波形改善效果明显，更加接近标准的正弦波。从测出的THD来看：其三相电流THD由未加装时的9.14%（图3-16所示），降低到了1.28%（图3-18所示）。这些结论都很好的证明APF在高压直流输电系统中起到了良好的滤波作用。但本文设计的有源滤波器主要体现在它的滤波功能，真正的高压直流输电系统的滤波器不仅有滤波功能，还应有对无功进行补偿的功能，所以这里要想使整个系统可以良好的运行，就要求除了在系统中加装APF外，还需要另外加装一些用于补偿无功的设备。有源滤波器在TCR电路中的应用 TCR主要是用来调节电网电压的，它是通过改变晶闸管的通断时间来改变无功功率，从而控制交流电网的电压。触发角的范围为到，只要大于，电流波形就会由于发生断续而产生谐波电流，这里的谐波分量就需采用一定的方法滤除，否则就会污染整个电网。单相TCR的原理接线图如图3-19所示：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s119单相TCR接线图 理论上，TCR电路正半轴和负半轴的电流波形是严格关于横轴对称的，因而只会产生奇次谐波，为特征谐波，但是在实际投入使用中，由于存在三相电抗器的电感参数不会完全对称、触发脉冲间隔不相等、电网三相电压不能一直保持严格对称等问题，TCR电路还会产生非特征谐波。这些谐波注入电网，会给电网带来一定的危害，所以应采用一些方法将其削弱或消除，例如加装滤波器等。普通的滤波器由于只可以对已知次数的谐波起作用，其滤波作用局限性较大，所以本文主要研究有源滤波器在三相TCR电路中的应用，所研究的TCR为三角形联结。[18]其原理图如下：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s120将封装好的APF模块加装在三相电源与三相TCR之间后，所搭建的具体模型如图3-21：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s121TCR电路模型图此模型中参数的设置：三相电源：Um为380V,f为50Hz，三个电源相角逐一设置为非线性负载：晶闸管脉冲的触发角不一样，所得的电流波形就不一样，并且触发角越大，电流的谐波含量就越多。本文以谐波含量较小的，触发角为时的电流波形为例来研究APF的滤波效果，所以6个晶闸管所给脉冲信号的延迟角依次设置为0.02*15/36；0.02*33/36；0.02*39/36；0.02*57/36；0.02*27/36；0.02*45/36。后接的阻感负载的电阻一般较小，所以此处将电阻值忽略，使负载x1、x2、x3为纯电感负载，电感值都设置为50mH。三相负载采用了常用的三角形联结方式接入电网。有源滤波器：此处的APF是对上述三个模块进行封装后，使其成为了一个整体的子系统，直接搭建在了电源和非线性负载之间。对以上模型进行仿真分析，得出的三相电源电流波形并对电源电流波形进行FFT频谱分析，所得结果如下所示：对于波形图，其横轴为进行仿真模拟的时间（s），纵轴为电流大小，同时为了方便观察，图中分别用黑、红、蓝三色来表示A、B、C三相；对于FFT分析图，其横坐标为电流分解出的各分量的频率（HZ），纵坐标为各频率电流分量的含量，表头左侧为基波频率含量，右侧为总畸变率THD。未加装APF时：电源侧的三相电流如下：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s122电流的基波频率为50Hz，从0.03s开始用FFT工具分析上图30个周期的波形，最终计算出THD=8.11%，如图3-23：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s123加装APF后：电源侧的电流为图3-24：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s124电流的基波频率为50Hz，从0.03s开始用FFT工具分析上图30个周期的波形，最终计算出THD=2.22%，如图3-25：图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s125加入APF后电源侧电流FFT分析图 由以上结果可以明显的看出加装有源滤波器后，TCR电路的THD由未加装时的8.11%（图3-23所示），降低到了2.22%（图3-25所示），并且三相电流波形也由一开始的畸变波形，变为了较标准的正弦波。这些都有效的证明了有源滤波器对TCR电路有着一定的滤波效果，也进一步证实了将有源滤波器应用在TCR电路的可行性。结论与展望主要内容和结论 当前社会，电能的用量惊人，并且随着社会的发展，电能的使用量也必将会越来越多，为了满足广大用户的需求，电力市场势必会进一步的发展和壮大，这就要求电能的生产、输送等部门一定要严格把控质量关口。所以对于如何提高电能的质量，一定会越来越受关注，成为当今和未来研究的重中之重。其中，本文所研究的有源滤波器就是致力于补偿谐波，改善的电能质量的一个重要工具，主要内容为：（1）本文先简单介绍了电力环境面临的谐波问题，对应这个问题提出并分析比较了几种解决的方法，在此基础上确定了本文要研究有源滤波器，然后对其现今的发展现状作了简单的阐述，还对有源滤波器作了大致的分类，最终确定了本文要研究有源滤波器的最终结构，并阐述了其原理和构造。（2）本文讨论并确定出APF各模块最终要使用的方法：检测模块：通过比较各种检测方法，本文确定使用基于无功功率理论的算法，因为即使交流电网电压波形发生严重的畸变，这种算法的运算过程也不会受到电压谐波分量的影响，这就使检测环节的适应性、抗干扰性较强，同时也使检测所得的结果也比较准确，此模块的关键是对低通滤波器和锁相环PLL参数的设置。控制模块：本文采用的是PI控制，因为目前对于传统的PI控制理论的研究已经十分成熟，它不仅