并联型有源电力滤波器的Matlab仿真
摘要：并联混合型有源电力滤波器能够很好地实现谐波抑制和无功补偿。给出了有源电力滤波器系统结构，建立了数学模型，
还给出了主电路直流侧电容电压值和交流侧电感值的选取方法，利用Matlab＼simulink＼PsB构建了仿真模型，得到了仿真结果。
关键词：有源电力滤波器；直流侧电容电压；交流测电感：Matlab／simulink
Abstract ：Shunt hybrid active power filter can commendably achieve hannonic suppression and reactive power compensation．In this paper,it shows the APF’s architecture and sets up amathematical model．And the way ofchoosing the value ofthe main circuit’s voltage ripple of DC side capacitor and the AC side inductance is proposed．MA TLAB＼Simulink＼PSB is used to build simulation model and then get the simulation results．
Key words：APF；V oltage of DC side capacitor；AC side inductance；Matlab／Simulink
引言：
在谐波含量较高的配电网中，对无功功率补偿有着严格的要求。目前电力系统中无功补偿大都是采用机械开关控制的电容器投切，谐波补偿大多采用无源滤波装置，负序治理的工作尚未大范围开展。另外，无功补偿、负序电流补偿、谐波抑制是分别单独地进行的。由于不是按统一的数学模型综合地进行治理，常出现顾此失彼的情况，且响应速度慢、经济性差、安装维护工作量大，妨碍了电网污染治理工作的顺利进行。
1.有源滤波器的发展历史
有源滤波器的思想最早出现于1969年B.M.Bird和J.F.Marsh的论文中。文中描述了通过向交流电源注入三次谐波电流以减少电源中的谐波，改善电源电流波形的新方法。文中所述的方法认为是有源滤波器思想的诞生。1971年日本的H.Sasaki和T.Machida完整描述了有源电力滤波器的基本原理。1976年美国西屋电气公司的L.Gyugyi和E.C.Strycula提出了采用脉冲宽度调制控制的有源电力滤波器，确定了主电路的基本拓扑结构和控制方法，从原理上阐明了有源电力滤波器是一理想的谐波电流发生器，并讨论了实现方法和相应的控制原理，奠定了有源电力滤波器的基础。然而，在20世纪70年代由于缺少大功率可关断器件，有源电力滤波器除了少数的实验室研究外，几乎没有任何进展。进入20世纪80年代以来，新型半导体器件的出现，PWM技术的发展，尤其是1983年日本的H.Akagi等人提出了“三相电路瞬时无功功率理论”，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在三相有源电力滤波器中得到了成功的应用，极大促进了有源电力滤波器的发展。
与无源滤波器相比，有源滤波器是一种主动型的补偿装置，具有较好的动态性能。有源电力滤波器是近年来电力电子领域的热门话题。目前，有源滤波技术已在日本、美国等少数工业发达国家得到应用，有工业装置投入运行，其装置容量最高可达60MV.A；国内对有源电力滤波器的研究尚处于起步阶段。
2、APF的基本工作原理
有源电力滤波器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
和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，并可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点。
有源电力滤波器的工作原理是，检测补偿对象的电压和电流，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，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电流相抵消，最终得到所期望的电源电流。
（图1）
并联型有源电力滤波器相当于一个受控电流源，通过和谐波源并联接入电网注入补偿电流，从而达到抵消电流谐波的目的。并联型有源电力滤波器主要适用于电流源型感性负载的谐波补偿，技术上已相当成熟，工业上已投入使用的有源电力滤波器多采用此方案。
与串联型有源电力滤波器相比并联型有源电力滤波器通过耦合变压器并入系统，不会对系统运行造成影响，具有投切方便灵活以及各种保护简单的优点。但是当单独使用并联型有源电力滤波器来滤除谐波时，有源电力滤波器容量要求很大，这样会带来一系列的问题，如工程造价高、电磁干扰、结构复杂以及高的功率损耗等。
3、APF的谐波检测方法
在电能质量调节器的工作过程中，检测是一个关键环节。只有准确无误地检测出电压或电流中的畸变量，才能得到准确的参考电压值。常见的检测算法有以下几种：低通滤波器提取基波分量法、基于Fryze 时域分析的有功电流分离法、基于频域分析的FFT 法、自适应检测法等。
基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法是目前应用最广的一种检测方法，经过不断改进，它包括p -q 法、Ip-Iq 法 ，以及d -q 法。其中，p-q 法适用于电网电压对称且无畸变情况下谐波电流的检测；基于瞬时无功功率理论的ip-iq 法不仅适用于三相不对称公用电网, 而且对电网电压畸变也有效，具有较好的实时性, 在三相电路中得到了广泛的应用。本文选用ip-iq 法对系统的谐波和无功电流进行检测。 3.1、
p
i 、q i
运算方式
该方法的原理如下图所示。图中
sin cos cos sin t
t C t t ωωωω-??
=?
?--??，2332T
C C =
C 32C C 23
C
LPF LPF
a
e c
i b i a i i β
i α
q
i p
i q
i p
i f
i αf
i βaf i bf i cf
i +
-+
+
--ah i bh i ch
i PLL
sin
-cos
（图2） p
i 、q i
运算方式的原理图
该方法中，需要用到与a 相电网电压
a
e 同相位的正弦信号sin()wt 和对应的余弦信号
cos()wt -，他们由一个锁相环(PLL)和一个正、余弦信号发生电路得到。据定义可以计算
出
p
i 、q i
，经LPF 滤波得出
p
i 、q i
的直流分量
p
i 、
q
i 。这里
p
i 、
q
i 是由
a f
i 、
b f
i 、
cf
i 产生
的，因此由p
i 、
q
i 即可计算出a f
i 、
b f
i 、
cf
i 。
当要同时检测出被补偿对象中谐波和无功电流，只需要断开图2中计算q i
的通道即可。这时，由
p
i 即可计算被检测电流a i 、b i 、c i
的基波分量
apf
i 、bpf i
、
cpf
i ，进而计算出a i 、b i
、
c
i 的谐波分量和基波无功分量之和。
3.2、指令电流发生模块
指令电流发生模块如图2所示。在该模块中完成谐波和无功电流的提取。模块输入量分别为:单相电源电压信号和三相负载电流信号。其中,电压信号经过锁向环后得到t ωsin 和
t ωcos 信号，它与电流信号分别经abc/ipiq 变换和低通滤波器LPF(Lower Pass Filter)进
行信号处理后,再作ipiq/abc 逆变换,得到基波有功电流。基波有功电流与负载电流相减,便可得到期望补偿电流,即输出指令电流。仿真模型如图所示。
（图3） 4、 APF 补偿电流控制方法
目前，APF 常用的控制方法是各种PWM （脉宽调制）控制方法，最主要的方式为滞环比较法和三角波比较法。图3为采用滞环控制获得开关决策的方法。
测量与计算
滞环控制逆变器
u
d
u c
i *c
i L
i s
i c
i -
（图4）
滞环电流控制方法(Hysteresis Current Control, HCC)是目前应用非常广泛的一种非线性闭环电流控制方法。它利用滞环比较器形成一个以0为中心、H 和一H 为上下限的滞环或死区，通过把补偿电流和指令电流的差值控制到规定的滞环宽度(误差限)范围之内，来控制逆变器的开关动作。
滞环控制方式有如下特点：
(1) 硬件电路简单；
(2) 属实时控制方式，电流响应快；
(3) 不需载波，输出电压中不含特定频率的谐波分量；
(4) 若滞环的宽度固定，则电流跟随误差的范围固定，但电力半导体器件的开关频率是变化的。
滞环比较控制方式中，滞环比较器的滞环宽度(记作H )对补偿电流的跟随性能有较大
的影响，当H 较大时，开关通断的频率较低，故对电力半导体器件的要求不高，但跟随误差较大，补偿电流中高次谐波较大。反之，当H 较小时，虽然跟随误差较小，但开关频率较高。
在采用滞环比较器的瞬时值比较方式中，滞环的宽度通常是固定的，因此导致主电路中电力半导体器件的开关频率是变化的。尤其是c i
的变化范围较大时，首先，在c i
较小的时候，固定的滞环宽度可能使补偿电流的相对跟随误差过大；其次，在c i
较大的时候，固定的滞环宽度又可能使器件的开关频率过高，甚至可能超出器件允许的最高工作频率而导致器件损坏。
4.1、补偿电流控制模块
补偿电流控制模块如图5所示。该模块输入量为指令电流iah*，ibh*，ich*,逆变器输出电流iah,ibh,ich 。该模块输出PWM 脉冲触发有源电力滤波器的逆变主电路，使逆变主电路产生的补偿电流能够跟踪指令电流，从而达到抑制谐波电流的目的。
(图5）
除了上述主要的仿真模块外,另外还要有有源电力滤波器的逆变主电路、三相电感L 和直流侧电压,共同使用,便可得到整个有源电力滤波系统仿真模型。
（图6）
4.2、参数选取
（1）直流侧电压的选取
要使补偿电流能准确跟踪指令电流信号，必须使主电路直流侧电容电压大于供电系统电源接入点相电压峰值的3倍，且此电压越大，补偿电流的跟踪的效果越好，但同时对电容的耐压水平的要求更高。
（2）直流侧电容的选取
当主电路直流侧电容选取过小时，会使主电路直流侧电压波动过大，影响有源电力滤波器的补偿效果；而取值过大时，又会使主电路直流侧电压的动态相应变慢，电容成本过高，体积
庞大。
（3）交流侧电感的选取
它直接影响电感的跟踪性能及补偿电流的纹路大小。电感取值多小时，补偿电流出现较多毛刺；当电感取值过大时，则有源电力滤波器补偿的动态性能变差，补偿电流只能跟踪指令电
流中频率较高的谐波分量，而对高频分量无法跟踪。
5、仿真结果
图7和图8分别为并联型有源电力滤波器在投入前后的三相电流波形，谐波率分别为24.72%和2.60%。从图中可以看出, 投入APF后,有效的滤除了电网中的谐波电流。
（图7）
（图8）
6、结论
本文所设计的有源电力滤波器可以有效抑制电力电子装置所产生的谐波,具有较好的补偿特性, 在一些谐波成分复杂、多变的场合更具有优势。可以为有源电力滤波器实际的研制
工作提供参考和依据,具有重要的指导意义。
参考文献
[1]黄飚.基于MATLAB的并联型有源电力滤波器的仿真
[2] 缑新科，牟英，汪昶江，郑伟.并联混合型有源电力滤波器仿真分析
[3] 王亮，赵玲.电力有源滤波器的Matlab仿真
[4]有源电力滤波器的基本原理和分类上海以华电气技术
并联混合型有源电力滤波器的研究随着电力电子装置的大量使用，电力系统的谐波和不对称问题日益严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生。因此，需要对电网谐波采取有效的抑制措施。通常使用传统LC无源滤波器来控制电力系统中的谐波，但无源滤波器 有以下几个缺点：（1）电源及线路的阻抗影响补偿特性;(2)电源端的阻抗和无源滤波器会产生谐振，导致某些谐波放大；（3）只能补偿一定频率的谐波。电力有源滤波器可以减少上述缺点，但其初期投资运行费用较高，这主要由于它采用响应较快的PWM变流器。目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器( Active PowerFilter，APF)。APF 是一种可以动态地抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，对大小和频率都变化的谐波和无功进行补偿，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。 并联混合型有源电力滤波器(APF)由两大部分组成：指令电流运算电路和补偿电流发生电路。指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波电流分量，因此也可称为谐波电流检测电路。而补偿电流发生电路又包括电流跟踪电路、驱动电路和主电路三部分。并联混合型有源电力滤波器(APF)的基本原理是：由无源滤波器滤除负载中大部分的谐波，同时将负载和无源滤波器看成一个补偿对象，使用有源滤波器进行动态补偿，有源滤波器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指令电流的补偿信号，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要补偿的谐波电流抵消，最终得到期望的电源电流。APF 系统的原理如图1 所示。ua是电压us中的a 相电压，负载为谐波源，产生谐波并消耗无功，Udc为APF 直流侧电容的电压，iL、is分别为负载侧、网侧的a 相待检测电流，ic为有源滤波器a相的补偿电流。 APF 检测补偿对象的电压和电流，计算出补放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波电流抵消，最终得到期望的电源电流。
三相四线并联型有源电力滤波器的结构与工作原理 0 引言 并联有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置，近年来，有源电力滤波器的理论研究和应用均取得了较大的成功。对其主电路（VSI）参数的设计也进行了许多探讨，但是，目前交流侧滤波电感还没有十分有效的设计方法，然而该电感对有源滤波器的补偿性能十分关键。本文通过分析有源电力滤波器的交流侧滤波电感对电流补偿性能的影响，在满足一定效率的条件下，探讨了该电感的优化设计方法，仿真和实验初步表明该方法是有效的。 1 三相四线并联型有源电力滤波器的结构与工作原理 图1为三相四线制并联型有源电力滤波器的结构。主电路采用电容中点式的电压型逆变器。电流跟踪控制方式采用滞环控制。 图1 三相四线制并联型有源滤波器的结构 以图2的单相控制为例，分析滞环控制PWM调制方式实现电流跟踪的原理。在该控制方式中，指令电流计算电路产生的指令信号ic＊与实际的补偿电流信号ic进行比较，两者的偏差作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路的PWM的信号，此信号再通过死区和驱动控制电路，用于驱动相应桥臂的上、下两只功率器件，从而实现电流ic的控制。 图2 滞环控制PWM调制方式实现电流跟踪的原理图 以图3中A相半桥为例分析电路的工作过程。开关器件S1和S4组成A相的半桥变换器，电容C1和C2为储能元件。uc1和uc2为相应电容上的电压。为了能使半桥变换器正常跟踪指令电流，应使其电压uc1和uc2大于输入电压的峰值。 （a）ica>0,dica/dt>0（b）ica>0,dica/dt<0
（c）ica<0,dica/dt<0（d）ica<0,dica/dt>0 图3 电压型逆变器A相工作过程图 当电流ica>0时，若S1关断，S4导通，则电流流经S4使电容C2放电，如图3（a）所示，同时，由于uc2大于输入电压的峰值，故电流ica增大（dica/dt>0）。对应于图4中的t0～t1时间段。 当电流增大到ica＊＋δ时（其中ica＊为指令电流，δ为滞环宽度），在如前所述的滞环控制方式下，使得电路状态转换到图3（b），即S4关断，电流流经S1的反并二极管给电容C1充电，同时电流ica下降（dica/dt<0）。相对应于图4中的t1～t2时间段。 图4 滞环控制PWM调制器的工作状态 同样的道理可以分析ica<0的情况。通过整个电路工作情况分析，得出在滞环PWM 调制电路的控制下，通过半桥变换器上下桥臂开关管的开通和关断，可使得其产生的电流在一个差带宽度为2δ的范围内跟踪指令电流的变化。 当有源滤波器的主电路采用电容中点式拓扑时，A，B，C三相的滞环控制脉冲是相对独立的。其他两相的工作情况与此相同。 2 滤波电感对补偿精度的影响 非线性负载为三相不控整流桥带电阻负载，非线性负载交流侧电流iLa及其基波分量如图5所示（以下单相分析均以A相为例）。指令电流和实际补偿电流如图6所示。当指令电流变化相对平缓时（如从π/2到5π/6段），电流跟踪效果好，此时，网侧电流波形较好。而当指令电流变化很快时（从π/6开始的一小段），电流跟踪误差很大；这样会造成补偿后网侧电流的尖刺。使网侧电流补偿精度较低。
并联型有源电力滤波器的Matlab仿真 摘要：并联混合型有源电力滤波器能够很好地实现谐波抑制和无功补偿。给出了有源电力滤波器系统结构，建立了数学模型， 还给出了主电路直流侧电容电压值和交流侧电感值的选取方法，利用Matlab＼simulink＼PsB构建了仿真模型，得到了仿真结果。 关键词：有源电力滤波器；直流侧电容电压；交流测电感：Matlab／simulink Abstract ：Shunt hybrid active power filter can commendably achieve hannonic suppression and reactive power compensation．In this paper,it shows the APF’s architecture and sets up amathematical model．And the way ofchoosing the value ofthe main circuit’s voltage ripple of DC side capacitor and the AC side inductance is proposed．MA TLAB＼Simulink＼PSB is used to build simulation model and then get the simulation results． Key words：APF；V oltage of DC side capacitor；AC side inductance；Matlab／Simulink 引言： 在谐波含量较高的配电网中，对无功功率补偿有着严格的要求。目前电力系统中无功补偿大都是采用机械开关控制的电容器投切，谐波补偿大多采用无源滤波装置，负序治理的工作尚未大范围开展。另外，无功补偿、负序电流补偿、谐波抑制是分别单独地进行的。由于不是按统一的数学模型综合地进行治理，常出现顾此失彼的情况，且响应速度慢、经济性差、安装维护工作量大，妨碍了电网污染治理工作的顺利进行。 1.有源滤波器的发展历史 有源滤波器的思想最早出现于1969年B.M.Bird和J.F.Marsh的论文中。文中描述了通过向交流电源注入三次谐波电流以减少电源中的谐波，改善电源电流波形的新方法。文中所述的方法认为是有源滤波器思想的诞生。1971年日本的H.Sasaki和T.Machida完整描述了有源电力滤波器的基本原理。1976年美国西屋电气公司的L.Gyugyi和E.C.Strycula提出了采用脉冲宽度调制控制的有源电力滤波器，确定了主电路的基本拓扑结构和控制方法，从原理上阐明了有源电力滤波器是一理想的谐波电流发生器，并讨论了实现方法和相应的控制原理，奠定了有源电力滤波器的基础。然而，在20世纪70年代由于缺少大功率可关断器件，有源电力滤波器除了少数的实验室研究外，几乎没有任何进展。进入20世纪80年代以来，新型半导体器件的出现，PWM技术的发展，尤其是1983年日本的H.Akagi等人提出了“三相电路瞬时无功功率理论”，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在三相有源电力滤波器中得到了成功的应用，极大促进了有源电力滤波器的发展。 与无源滤波器相比，有源滤波器是一种主动型的补偿装置，具有较好的动态性能。有源电力滤波器是近年来电力电子领域的热门话题。目前，有源滤波技术已在日本、美国等少数工业发达国家得到应用，有工业装置投入运行，其装置容量最高可达60MV.A；国内对有源电力滤波器的研究尚处于起步阶段。 2、APF的基本工作原理 有源电力滤波器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
并联型有源电力滤波器（APF）原理简介及仿真验证 概述： 有源电力滤波器（APF）是一种用于动态谐波抑制的新型电力电子装置，它能够对不同大小和频率的谐波进行快速跟踪补偿，之所以称为有源，是相对于无源滤波器（L、LC等）只能被动吸收固定频率与大小的谐波而言。APF 可以通过采样负载电流进行各次谐波的分离，控制输出电流的幅值、频率和相位，并且快速响应，抵消系统中的相应谐波电流，从而实现动态谐波治理。 APF的控制原理为采样负载电流（此电流包含基波与谐波），将此电流与锁相环输出的相位信号一起经过坐标变换后生成负载电流的直流分量，直流分量经过低通滤波器将谐波分量滤除成为基波信号，基波信号再与负载电流相减得到真正的谐波信号，再通过电流内环使APF的输出电流跟踪谐波信号，同时通过电压外环使直流侧电压稳定在给定值，进而生成APF所需要注入的谐波电流，该谐波电流与谐波源的电流相互抵消，从而保证电网侧的电流为纯净的基波电流信号，进而完成滤波任务。 正文： 1.电力系统中的谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶
级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。电力系统中不存在绝对纯净的电流，一般都是基波+谐波，只是谐波的含量不同而已。 2.谐波治理装置一般包含无源滤波器与有源滤波器。无源滤波器指由R,L,C等无源元器件组成的滤波装置，这些滤波装置的优点在于简单易用，缺点在于效果一般，只能用于特定场合，有些无源装置甚至只能针对某一特定电站。有源滤波器一般指并联型有源电力滤波器（APF），这是一种近年来兴起的滤波装置，具备很多优点，例如快速，稳定，可适时补偿。其缺点也是显著的，例如电力电子器件的有限耐压等级与可承受电流等级低导致其容量无法满足大电站需求，另外成本也是制约其发展的一个瓶颈。 3.有源电力滤波器的原理：有源电力滤波器（APF）是一种用于动态抑制谐波的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波进行抑制，可以克服LC滤波器等传统的谐波抑制设备不能灵活调节的缺点。 基本原理：
能力拓展训练任务书 学生姓名：专业班级：电气 指导教师：胡红明工作单位：自动化学院 题目: 三相有源电力滤波器的仿真电路 初始条件： VS1-VS3为标准三相正旋电压源，相电压有效值为220V。 要求完成的主要任务: （1）设计出主电路拓扑结构和控制系统原理图； （2）采用MATLAB搭建系统仿真电路，对仿真结果进行分析： a补偿后输入电压与输入电流波形 b非线性负载输入电压与输入电 流波形 c三相APF输入电压与输入电流波形 时间安排： 2012年7月9日至2012年7月13日，历时一周，具体进度安排见 下表 具体时间设计内容 7.9 指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介 绍；学生确定选题，明确设计要求 7.10 开始查阅资料，完成方案的初步设计 7.11 由指导老师审核系统结构图，学生修改、完善 7.12 撰写课程设计说明书 7.13 上交课程设计说明书，并进行答辩 参考文献： [1]洪乃刚.《电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真》. 北京：机械工业出版社，2006 指导教师签名：年月日
目录 摘要 (1) 1 有源滤波器介绍 (2) 1.1有源滤波器基本原理 (2) 1.2有源滤波器的优点 (2) 1.3有源电力滤波器的分类 (3) 1.4有源滤波器的关键技术 (4) 2有源电力滤波器的控制策略 (4) 2.1滞环比较控制 (4) 2.2三角波比较方式 (5) 3有源电力滤波器的主电路设计 (6) 3.1直流侧电容量的选择 (6) 3.2直流侧电压的选择 (8) 4 MATLAB仿真 (11) 4.1仿真模型图 (11) 4.2仿真结果图 (12) 参考资料 (15)
有源电力滤波器的基本原理和分类 1．有源电力滤波器的基本原理 有源电力滤波器系统主要由两大部分组成，即指令电流检测电路和补偿电流发生电路。 图1 有源滤波器示意图 指令电流检测电路的功能主要是从负载电流中分离出谐波电流分量和基波无功电流，然后将其反极性作用后发生补偿电流的指令信号。电流跟踪控制电路的功能是根据主电路产生的补偿电流，计算出主电路各开关器件的触发脉冲，此脉冲经驱动电路后作用于主电路。这样电源电流中只含有基波的有功分量，从而达到消除谐波与进行无功补偿的目的。根据同样的原理，电力有源滤波器还能对不对称三相电路的负序电流分量进行补偿。 有源电力滤波器的主电路一般由PWM逆变器构成。根据逆变器直流侧储能元件的不同，可分为电压型有源滤波器(储能元件为电容)和电流型有源滤波器(储能元件为电感)。电压型有源滤波器在工作时需对直流侧电容电压控制，使直流侧电压维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电压波。而电流型有源滤波器在工作时需对直流侧电感电流进行控制，使直流侧电流维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电流波。电压型有源滤波器的优点是损耗较少，效率高，是目前国外绝大多数有源滤波器采用的主电路结构。电流型有源滤波器由于电流侧电感上始终有电流流过，该电流在电感阻上将产生较大损耗，所以目前较少采用。 图2 电压型有源滤波器
图3 电流型有源滤波器 2．有源电力滤波器的分类 按电路拓朴结构分类，电力有源滤波器可分为并联型、串联型、串－并联型和混合型。 图4 并联型有源滤波器 图4所示为并联型有源滤波器的基本结构。它主要适用于电流源型非线性负载的谐波电流抵消、无功补偿以及平衡三相系统中的不平衡电流等。目前并联型有源滤波器在技术上已较成熟，它也是当前应用最为广泛的一种有源滤波器拓补结构。 图5 串联型有源滤波器 图5所示为串联型有源滤波器的基本结构。它通过一个匹配变压器将有源滤波器串联于电源和负载之间，以消除电压谐波，平衡或调整负载的端电压。与并联型有源滤波器相比，串联型有源滤波器损耗较大，且各种保护电路也较复杂，因此，很少研究单独使用的串联型有源滤波器，而大多数将它作为混合型有源滤波器的一部分予以研究。 图6 混合型有源滤波器 图6所示为混合型有源滤波器的基本结构。它是在串联型有源滤波器的基础上使用一些
有源电力滤波器拓扑结构及控制策略概述 摘要按照不同的分类方式，对有源滤波器的拓扑结构进行了系统的分类，并指出其各自的优缺点；同时，对有源滤波器的构成和控制策略进行了分析和介绍。此外，还对有源滤波器的设计步骤和参数选型给出了相应的阐述。 关键字有源滤波器；拓扑结构；控制策略；设计步骤 1 主电路拓扑结构分类：从不同的观点出发，有源电力滤波器具有不同的分类标准。 根据接入电网的方式分类：根据接入电网的方式，有源电力滤波器可以分为串联型、并联型和串-并联型三大类。 串联型有源滤波器：串联型有源滤波器经耦合变压器串接入电力系统，如图1所示，其可等效为一个受控电压源，主要是消除电压型谐波以及系统侧电压谐波与电压波动对敏感负载的影响。串联型有源电力滤波器应用在直流系统中时，耦合变压器的系统接入侧很容易出现直流磁饱和问题，所以只在交流系统中采用。与并联型有源电力滤波器相比，由于串联型有源电力滤波器中流过的是正常负荷电流，因此损耗较大；此外，串联型有源电力滤波器的投切、故障后的退出及各种保护也较并联型有源电力滤波器复杂。目前单独使用串联有源电力滤波器的例子较少，研究多集中在其与LC无源滤波器所构成的串联混合型有源电力滤波器上。 1.1.2 并联型有源电力滤波器 并联型有源电力滤波器与系统并联等效为一个受控电流源，如图2所示。有源滤波器向系统注入与谐波电流大小相等方向相反的电流，从而达到滤波的目的。并联型有源电力滤波器主要适用于电流源型感性负载的谐波补偿，技术上已相当成熟，工业上已投入使用的有源电力滤波器多采用此方案。 与串联型有源电力滤波器相比并联型有源电力滤波器通过耦合变压器并入系统，不会对系统运行造成影
1 引言 电力电子产品广泛应用于工业控制领域，并且用户对电能质量要求越来越高，其中最为突出的是电压质量和谐波问题。因此，如何提高电压质量、治理谐波就成为输配电技术中最为迫切的问题之一。低成本的无源滤波器PF(Passive Filter)是目前普遍采用的补偿方法，但其滤波效果与系统运行参数密切相关，在特定情况下无源滤波器还可能与系统发生谐振。80年代以来，利用功率开关的有源电力滤波器APF(Active Power Filter)的研究越来越引起人们关注。APF是一种用于动态谐波抑制、无功补偿的新型电力电子装置，但是由于电源电压直接加在逆变桥上，其对开关器件电压等级要求较高；当负载谐波电流大时，有源滤波装置的容量也相应较大；对于高于有源滤波器开关频率的谐波也无法通过有源滤波器滤除，因此同时具有较大的补偿容量和较宽的补偿频带较为困难。 将APF与PF相结合，合理分担补偿需求，可使APF容量减小。混合型补偿方案的基本原理就是将常规型APF上承受的基波电压移去，使有源装置只承受谐波电压，从而可显著降低有源装置的容量，充分发挥PF的高耐压、大容量、易实现等特点以及APF所具有的宽谐波抑制范围和自动跟踪等优势。 2 无源滤波器 用于谐波治理的传统方式为并联无源LC滤波器，选定R、L、C的参数，使滤波网络在一定的谐波信号频率处产生谐振，从而达到抑制谐波的目的。无源滤波器主要可以分为两大类：调谐滤波器和高通滤波器。调谐滤波器实际应用较多的是单调谐滤波器，它是利用电感、电容的串联谐振原理构成的。 3 有源滤波器 有源滤波器的基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网中只含有基波分量，达到实时补偿电流的目的。如果要求有源滤波器在补偿谐波的同时，还补偿负载的无功，则只要在补偿电流的指令信号中增加与负载电流无功分量反极性的成分即可。这种滤波器可对频率和大小都随时间变化的谐波以及变化的无功功率进行迅速动态跟踪补偿。 (1)谐波检测谐波的测量方法包括采用模拟带通(或带阻)滤波器、基于傅里叶变换的谐波检测分析、基于瞬时无功功率的谐波检测等。在谐波和无功电流的实时检测中运用最多的是基于瞬时无功功率的谐波检测方法。这里采用以瞬时无功理论为基础的p-q运算法来实时检测谐波。p-g运算法的原理框图如图1所示。 图1中，C23=C32T，该方法将三相电路各相电压和电流的瞬时值变换到α-β两相正交的坐标系上，根据定义算出瞬时实功率p、瞬时虚功率q，经低通滤波器LPF得p、q 的直流分量。电网电压波形无畸变时，p为基波有功电流与电压作用所产生，q为基波无功
一、基本概念： 有源电力滤波器（APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，之所以称为有源， 顾名思义该装置需要提供电源，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（传统的只能固定补偿），实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功；三相电路瞬时无功功率理论是APF发展的主要基础理论；APF有并联型和串联型两种，前者用的多；并联有源滤波器主要是治理电流谐波，串联有源滤波器主要是治理电压谐波等引起的问题。有源滤波器同无源滤波器比较，治理效果好，主要可以同时滤除多次及高次谐波，不会引起谐振，但是价位相对高！ 二、基本原理： 有源电力滤波器，是采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号`，送入高速数字信号处理器（DSP）对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制（PWM）信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动IGBT或IPM功率模块，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。 三、基本应用： 谐波主要危害： ? 增加电力设施负荷，降低系统功率因数，降低发电、输电及用电设备的有效容量和效率，造成设备浪费、线路浪费和电能损失； ? 引起无功补偿电容器谐振和谐波电流放大，导致电容器组因过电流或过电压而损坏或无法投入运行； ? 产生脉动转矩致使电动机振动，影响产品质量和电机寿命； ? 由于涡流和集肤效应，使电机、变压器、输电线路等产生附加功率损耗而过热，浪费电能并加速绝缘老化； ? 谐波电压以正比于其峰值电压的形式增强了绝缘介质的电场强度，降低设备使用寿命； ? 零序（3的倍数次）谐波电流会导致三相四线系统的中线过载，并在三角形接法的变压器绕组内产生环流，使绕组电流超过额定值，严重时甚至引发事故。 ? 谐波会改变保护继电器的动作特性，引起继电保护设施的误动作，造成继电保护等自动装置工作紊乱；
０引言 随着电力电子装置的广泛应用，各类非线性负载产生的谐波和无功功率对电网的危害也日益严重。有源电力滤波器ＡＰＦ（ＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＦｉｌｔｅｒ）作为一种理想的谐波无功补偿装置，能够对频率和幅值均发生变化的谐波和无功进行补偿，弥补了传统无源电力滤波器的不足，具有比无源电力滤波器更好的补偿性能，因而得到了迅速的发展，在国外已开始应用于实际生产中。 目前，我国对ＡＰＦ的研究和开发尚处于实验阶段，暂时没有大容量的成熟产品投入使用，因此对ＡＰＦ的研究具有十分重要的意义［１］。 １ＡＰＦ工作原理［２－３］ ＡＰＦ由２大部分组成：谐波和无功电流检测电路 及补偿电流发生电路（由补偿电流控制电路、驱动隔离电路和主电路３个部分构成），ＡＰＦ工作原理示意图如图１所示。前者的作用是检测出负载电流中的谐波和无功电流等分量；后者的作用是根据检测出来的谐波和无功电流等产生相应的补偿电流。其中， 补偿电流控制电路是补偿电流发生电路的核心环 节，负责根据补偿电流指令信号，由控制算法计算得到主电路每相桥臂各功率开关器件的触发脉冲；隔离与驱动电路负责驱动主电路ＩＧＢＴ开关；主电路用来产生补偿电流。与ＡＰＦ并联的高通滤波器ＨＰＦ（ＨｉｇｈＰａｓｓＦｉｌｔｅｒ）能滤除ＡＰＦ所产生的补偿电流中开关频率附近的谐波。 ＡＰＦ的基本工作原理是：谐波无功电流检测电路将负载电流ｉＬ中的谐波电流ｉＬｈ和无功电流ｉＬｑ分离出来，然后把它们反相并产生出补偿电流ｉｃ的调制波信号ｉｃ＊，亦即指令信号ｉｃ＊＝ｉＬｈ＋ｉＬｑ。补偿电流控制电路根据ｉｃ＊的值输出触发脉冲，通过驱动隔离电路驱动主电路的功率开关，使其创建出补偿电流ｉｃ，ｉｃ要跟踪ｉｃ＊，故ｉｃ≈－ｉｃ＊，因此 ｉｓ＝ｉＬ＋ｉｃ＝ｉＬ＋ｉｃ＊＝ｉＬ－（ｉＬｈ＋ｉＬｑ）＝ｉＬｐ （１）即电源电流ｉｓ中只含有基波有功分量ｉＬｐ，从而达到消除谐波和补偿无功功率的目的。根据此原理，对于三相ＡＰＦ，还能对电流的不对称度和负序电流等进行补偿。另外，作为主电路的ＰＷＭ变流器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作，在电网向ＡＰＦ直流侧储能元件充电时作为整流器工作，由于其既能工作在逆变状态又能工作在整流状态，故可称作变流器。 ＡＰＦ控制系统中谐波无功电流的检测和补偿电流控制２部分控制方法的选取是影响ＡＰＦ性能的关键。 ２ＡＰＦ谐波和无功电流检测方法 准确、实时地检测出电网中瞬态变化的畸变电流是ＡＰＦ进行精确补偿的关键。谐波电流检测方法主要有以下几种［２－３］：模拟带通滤波器（或陷波器）检测法、基于频域分析的快速傅里叶变换ＦＦＴ（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）检测法、 基于现代控制理论的检测法、瞬时波形比较法、自适应检测法和基于瞬时无功功率理论的检测法。其中，常用的是基于瞬时无功功 有源电力滤波器仿真研究 华晓萍，王 奔，孟凌凌，兰金茹，孟庆波 （西南交通大学电气工程学院，四川成都６１００３１） 摘要：叙述了有源电力滤波器ＡＰＦ（ＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＦｉｌｔｅｒ）的基本原理，分别介绍了组成ＡＰＦ的谐波和无功电流检测电路、补偿电流发生电路的构成和功能，在此基础上，介绍了常用的ＡＰＦ的谐波和无功电流检测方法、补偿电流控制方法和直流侧电压控制方法。为了验证ＡＰＦ的补偿功能同时加深对其控制方法的认识和理解，用Ｍａｔｌａｂ６．５／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ下的ＳｉｍＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓＢｌｏｃｋｓｅｔ对整个三相并联电压型ＡＰＦ系统进行了仿真研究。仿真结果表明，电压空间矢量脉宽调制ＳＶＰＷＭ（ＳｐａｃｅＶｅｃｔｏｒ ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）控制的ＡＰＦ能对负载电流中的谐波和无功分量进行快速精确的补偿。 关键词：有源电力滤波器；谐波和无功电流检测；补偿电流控制；Ｍａｔｌａｂ仿真中图分类号：ＴＮ７１３；ＴＭ７１４．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６－６０４７（２００７）０１－００４２－０４收稿日期：２００６－０３－１５；修回日期：２００６－０７－０１ 电力自动化设备 ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｖｏｌ．２７Ｎｏ．１Ｊａｎ．２００７ 第２７卷第１期２００７年１月 图１ＡＰＦ基本工作原理 Ｆｉｇ．１Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒ 负载 驱动隔离电路 补偿电流控制电路 谐波无功电流检测电路 ｅｓ ｉｓ ＲＬ ＨＰＦ ＡＰＦ ｉＬ ｉｃ ｉｃ＊
基于单周控制的三相电力有源滤波器的研究与仿真 一、概述 本次三相电力有源滤波器的仿真，我们参考了重庆大学周林教授的一篇题为《三相有源电力滤波器控制方法的研究》的论文。本论文的创新点在于将i q -i p 检测法和单周控制的方法结合起来，以弥补两种方法的不足之处。传统的单周控制方法只能同时补偿无功电流和谐波电流，电路虽然简单，但有一定的的局限性。通过加入i q -i p 检测法，可有效的控制补偿量，再结合单周控制的方法跟踪电流，从而可以有效灵活的控制APF 对接有非线性负载的电网进行灵活的补偿。 二、仿真基本思路 2.1 主电路 该仿真的主电路由电源，传输线路和非线性负载构成。其中非线性负载是由三相不控整流电路和阻感性负载构成(R=10Ω，L=5mH).在负载交流侧每相还接入一个大小为2mH 的电感。电网侧由三相正弦交流电源组成，有效值为 220V 。APF 电路拓扑由三相全控电路组成，并联在非线性负载和电网电源的中间。 图2-1 主电路 2.2 谐波检测电路 谐波检测电路由Park 变换，锁相环PLL ，低通滤波电路LPF ，逆Park 变换构成。基本工作原理为：首先采集负载端含有谐波的三相电流进行3-2变换，频率由a 相电压经过锁相环提供。经过3-2变换之后，将得到的含有杂波的i d ，i q 直流分量经过低通滤波后得到负载电流的基波直流形式分量，再将侧
直流形式分量经过2-3变换后就得到负载电流的基波分量。当i q通道和i p通道都同时存在时，APF对电网实现全补偿；若只有i p通道存在，断开i q通道，这时只补偿谐波。 图2-2 谐波检测部分 2.3单周控制电路 该电路的主要任务是让电源电流跟踪负载基波分量，从而达到滤波的效果。其基本思路为：将由谐波检测电路所得到负载电流基波分量和实时采集到的电源侧电流分量求差，通过PI控制放大后，若电源电流小于负载电流基波分量，既PI模块输出为正，则下端比较强输出为负，闭锁与门，这是S ap输出为负，S an输出为正。当电源电流大于负载电流基波分量时，积分器开始从0对输入的电源电流开始积分，一直积分到和PI调节出来的参考值相等时比较器电平翻转，这时RS触发器的复位端得到复位信号，输出端电平跳转，使得积分器复位，进行下一个周期的积分。每一个周期开始前，RS触发器的置位端会出发一次。通过此控制电路输出PWM波对开关电路进行控制，这样就会使电源电流在一个开关周期内跟踪上负载电流基波分量。 图2-3 单周控制部分 三、仿真结果 我们基于此论文的方法在MATLAB Simulink 平台上搭建的仿真模型，对其结果进行观察。由于此前对电路的原理不是很熟悉，导致仿真出来的结果很不理想。最大的问题是电源电流远大于负载电流基波分量。见下图：
对并联混合有源滤波器的几点认识 1、并联混合APF产生的缘由：在电力谐波综合治理技术的课程中，我们学习了关于谐波谐波抑制中常用的无源滤波和有源滤波技术，这些技术在谐波抑制中发挥着重要的作用，但是无源滤波器和有源滤波器也有自身的缺点。随着电力电子装置的大量使用，电力系统的谐波和不对称问题日益严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生。因此，需要对电网谐波采取有效的抑制措施。目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器( AcTIve PowerFilter，APF)。APF是一种可以动态地抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，对大小和频率都变化的谐波和无功进行补偿，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。用于谐波治理的传统方式为并联无源LC滤波器。无源LC滤波器与负载并联接在电网母线上 ,选定 R ,L ,C 的参数 ,使滤波网络在一定的谐波信号频率处产生谐振。 ◆无源滤波器的缺陷有： 灵活性差 ,一套 LC滤波器只能抑制某一次谐波 ,而谐波种类繁多 ,故一套LC滤波器的利用率较低。 体积大。 易与电网阻抗发生并联谐振 ,引起谐波注入 ,损坏设备。 ◆有源滤波器的缺陷为： 单独使用的并联型有源滤波器可以通过不同的控制作用对谐波无功不平衡分量等进行动态补偿但由于直接与电网 相连只适合于低压系统的应用不宜于高压、大容量的谐波 补偿。 另外，目前纯有源滤波的成本高、功耗大，而且受到电力电子器件的容量制约，在目前的应用中具有一定的限制。 基于以上背景，无源和有源滤波器构成的混合型滤波器主要由无源滤波器滤除谐波电流，有源部分的作用是改善无源滤波器的性能，而且有源部分不直接承受电网基波电压，所以有源部分的容量小且适合高压系统的应用，所以HAPF应运而生。
南京工程学院 本科毕业设计（论文）开题报告题目：电力有源滤波器的设计 专业： 班级：学号: 学生姓名： 指导教师： 2014 年3月
学生姓名学号专业指导教师职称 课题来源自拟课题课题 性质 工程技术研究 课题名称电力有源滤波器的设计 毕业设计的内容和意义 根据个人所选课题，把我的研究内容分为以下几个部分： 第 1 部分为绪论，概述了谐波的产生与其危害及谐波抑制的各种方法。有源电力滤波器发展现状，阐述了当前 APF 的研究热点。 第 2部分分析了有源电力滤波器的拓扑结构、工作原理和工作特性。从多个方面出发对有源电力滤波器进行了分类和介绍，并分析了各自的优缺点。 第 3 部分分析了有源电力滤波器谐波检测方法，并分析了各种谐波检测方法的工作原理和特性，通过对比选择 ip-iq 算法作为本文谐波检测方法。 第 4 部分介绍了本次论文的总体设计方案，并给出了相关的原理框图。 第 5部分在MATLAB/Simulink中建立三相三相制有源电力滤波器的仿真模型，并对各个模块进行仿真和详细的阐述。选择不同的整流负载，对负载电流波形和补偿后的电流波形进行对比，验证了 APF 的补偿性能。 第 6部分对全文做出总结，对有源电力滤波器系统存在的一系列问题进行探讨，并提出下一步的展望。
随着电力电子装置日益广泛的应用，电力电子装置自身所具有的非线性导致了电网中含有大量谐波，这些谐波给电力系统带来了严重的污染，严重危害了用电设备和通信系统的稳定运行。虽然传统的无源电力滤波器具有结构简单、成本低、技术成熟、运行费用低等优点，但同时也有一些缺点，例如只能抑制固定的几次谐波，并对某次谐波在一定条件下会与电网阻抗产生谐振反而而使谐波放大。 目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器，有源电力滤波器也是一种电力电子装置，且相关技术的研究也日渐成为研究的热点。本文阐述了几种常见APF的拓扑结构及各自的优缺点，详细分析了基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法，比例控制和前馈控制两种电流环控制策略以及SPWM和SVPWM两种调制策略。介绍了电力有源滤波器的基本原理和结构，并设计了并联型有源电力滤波器的控制系统，实验结果表明,其谐波抑制和无功补偿可以达到良好的效果,在技术上是可行的。 文献综述 1.1谐波的产生 谐波的产生主要是由于大容量电力和用电蒸馏或换流设备遗迹其它非线性负荷造成的。电脑里系统中，一切负载的存在将要求电网提供非正弦电流。非线性负载产生了畸变电流波形，并引起电压波形畸变。 系统中的谐波源分为三种：1稳态性：产生的谐波成分和幅值基本稳定不变。如电网电压稳定时的变压器贴心非线性产生的谐波，带稳定负载的整流器等。2动态性：产生的谐波具有明显的随机性。如电弧炉，电气机车等。3突发性：该谐波源在正在运行并不产生谐波，只在特定条件下产生。如变压器空载合闸的励磁涌流，投入电容器组时的暂态过程。 1.2谐波的危害 谐波主要危害可以说是电网的一个公害。主要表现在以下几个方面：增加电力设施的负荷，降低系统的功率因数，降低发电、输电及用电设备的有效容量和效率，造成了设备、线路的浪费和电能损失；引起无功补偿电容器谐振和谐波电流放大，导致电容器组因过电流或过电压而损坏或无法投入运行；产生脉冲转矩致使电动机振动，影响产品质量和电机寿命；由于涡流和集肤效应，使电机、变压器、输电线路等因产生附加功率损耗而过热，浪费电能并加速绝缘老化[1]；
并联型有源电力滤波器的设计 近年来，随着整流器、变频装置、电弧炉以及其它电力电子设备等的应用不断增加，由于这些负荷具有非线性、冲击性和不平衡的用电特性，引起供电网中的电流（电压）畸变，产生大量谐波。谐波污染已成为供电系统不容忽视的问题之一，本文设计的有源电力滤波器（APF）是一种用于动态抑制谐波和补偿无功功率的新型电力电子装置. 标签：谐波;瞬时无功功率理论;有源电力滤波器;智能功率模块;脉宽调制 1. 并联有源电力滤波器的主电路结构设计 2 三相三线制有源滤波器主电路工作原理 有源电力滤波器的补偿电流是由主电路中直流侧电容电压与交流侧电源电压的差值作用于电感上产生的。主电路的工作情况是由主电路中的6组开关器件的通断组合决定的。有源电力滤波器工作时通过一定的控制方式控制各桥臂的开关管的通断，从而控制加在输出电感两端的电压以达到控制补偿电流的目的。对于三相桥式变流器其同一桥臂上下开关不能同时开通，因此同一桥臂上下两开关的控制信号是互补的。通常，同一相的上下两个开关总有一个期间是导通的。 假设三相电源电压之和，并根据该电路有，可得到描述主电路工作情况的微分方程如下： 有源电力滤波器主电路中开关器件的通断，是由采样时刻处和的极性决定的，其中仍以a相为例，当时，应该使，而时，应该使，从而使减小，达到补偿电流跟踪变化的目的。 3 并联型有源电力滤波器的硬件结构 图2为并联型有源电力滤波器系统硬件整体结构图. 4负载电流采样及调理电路 1 ）负载电流采样 .在本设计中采用LEM公司的LT200P霍尔效应电流传感器作为负载电流采样元件，图3 为LT200P 连接图。 LT200P 的参数：额定电流200A，测量范围400A，匝数比1：2000，在额定电流下副边输出0.1A，总体精度0.4～0.5，带宽为DC～100kHz，供电电源±15V。在本设计中LT200P自身工作时提供±15V 的电源，其中M 端为测量端。M 端与地之间串接采样电阻。采样电阻的阻值选取时应保证，原边电流最大时
有源滤波器的基本原理 有源滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的电力电子 装置，它能 对大小和频率都变化的谐波， 以及变化无功进行补偿。 其应用可克服LC 滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿的缺点。 有源电力滤波器系统主要由两大部分组成，即指令电流 检测电路和补偿电流发生电路。 指令电流检测电路的功能主要是从负载电流中分离出谐波 电流分量和基波无功电流，然后将其反极性作用后发生补偿电流 电流，计算出主电路各开关器件的触发脉冲， 此脉冲经驱动电路 后作用于主电路。这样电源电流中只含有基波的有功分量， 从而 达到消除谐波与进行无功补偿的目的。 根据同样的原理，电力有 源滤波器还能对不对称三相电路的负序电流分量进行补偿。 有源电力滤波器的主电路一般由 PWM 逆变器构成。根据 * 、 — 1/. ■ h ------- ** ----------- 2. 1 F 1 >11 的指令信号。 电流跟踪控制电路的功能是根据主电路产生的补偿
逆变器直流侧储能元件的不同，可分为电压型有源滤波器（储能元件为电容）和电流型有源滤波器（储能元件为电感）。电压型有源 滤波器在工作时需对直流侧电容电压控制，使直流侧电压维持不 变，因而逆变器交流侧输出为PWM电压波。而电流型有源滤波 器在工作时需对直流侧电感电流进行控制，使直流侧电流维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电流波。电压型有源滤波器 的优点是损耗较少，效率高，是目前国内外绝大多数有源滤波器采用的主电路结构。电流型有源滤波器由于电流侧电感上始终有电流流过，该电流在电感内阻上将产生较大损耗，所以目前较少米用。
按电路拓朴结构分类，电力有源滤波器可分为并联型、 串联型、串—并联型和混合型。 小.■ ilH 图4所示为并联型有源滤波器的基本结构。它主要适用于电 流源型非线性负载的谐波电流抵消、无功补偿以及平衡三相系统中的不平衡电流等。目前并联型有源滤波器在技术上已较成熟，
有源电力滤波器( APF ) 引言 谐波电流和谐波电压的出现，对于电力系统运行是一种“污染”，它们降低了系统电压 正弦波形的质量，不但严重地影响电力系统自身，而且还危及用户和周围的通信系统。近半个世纪以来，随着电力电子设备的推广应用，非线性负荷的迅速增加(例如电气机车、工业 电炉等的应用)，特别是高压直流输电的运用，谐波污染问题日趋严重，并因此受到人们普遍的关注和重视。减小谐波影响的技术措施可以从两方面入手：一是从谐波源出发，减少谐波的产生；二是安装滤波装置。常见的滤波器包括无源滤波器、有源滤波器以及混合滤波器。无源滤波器(PF:Passive Filter)也称为LC滤波器，是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置。无源滤波器的工业应用已经有相当长的历史，其设计方法稳定可靠、结构简单，但其滤波效果依赖于系统阻抗特性，并容易受温度漂移、网络上谐波污染程度、滤波电容老化及非线性负荷的影响。此外，无源滤波器仅能对特定的谐波进行有效地衰减，而出于经济和占地面积方面的考虑，滤波器个数均是有限的，所以对谐波含量丰富的场合，无源滤波器的滤波效果往往不够理想。与无源滤波器对应的是有源滤波器( APF:Active Power Filter )。有源电力滤波器采用开关变换器消除谐波电流，克服了无源滤波器的缺点。有源电力滤波器有着无源滤波器无可比拟的技术优势，因此越来越受到人们的关注。 1.有源滤波器的发展历史 有源滤波器的思想最早出现于1969年B.M.Bird和J.F.Marsh的论文中。文中描述了通过向交流 电源注入三次谐波电流以减少电源中的谐波，改善电源电流波形的新方法。文中所述的方法认为是有源滤波器思想的诞生。1971 年日本的H.Sasaki 和T.Machida 完整描述了有源电力滤波器的基本原理。1976 年美国西屋电气公司的L.Gyugyi 和E.C.Strycula 提出了采用脉冲宽度调制控制的有源电力滤 波器，确定了主电路的基本拓扑结构和控制方法，从原理上阐明了有源电力滤波器是一理想的谐波电流发生器，并讨论了实现方法和相应的控制原理，奠定了有源电力滤波器的基础。然而，在20世纪70年代由于缺少大功率可关断器件， 有源电力滤波器除了少数的实验室研究外，几乎没有任何进展。进入20 世纪80年代以来，新型半导体器件的出现，PWM 技术的发展，尤其是1983 年日本的H.Akagi 等人提出了“三相电路瞬时无功功率理论” ，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在三相有源电力滤波器中得到了成功的应用，极大促进了有源电力滤波器的发展。 与无源滤波器相比，有源滤波器是一种主动型的补偿装置，具有较好的动态性能。有源电力滤波器是近年来电力电子领域的热门话题。目前，有源滤波技术已在日本、美国等少数工业发达国家得到应用，有工业装置投入运行，其装置容量最高可达60MV.A ;国内对有源 电力滤波器的研究尚处于起步阶段。 2.有源滤波器的分类 有源电力滤波器的基本思想如图所示
并联型APF有源电力滤波器系统的设计 随着国民经济的迅速发展，电力系统中非线性、冲击性和单相负载都大量增加，由此产生的谐波、无功功率和三相不平衡等问题给电力系统和用户造成了严重的影响。目前，用电单位也对电能质量和供电可靠性提出了更高要求，改善电能质量已成为社会发展的必然要求。因此，在电力系统运行中，研究怎样进行谐波污染抑制和无功功率补偿，来改善电能质量、提高功率因数和减少电能损耗已成为电力系统中的一个重要研究课题。本文正是针对大量存在的三相四线制系统而进行设计的高性能动态补偿装置，并联型三相四线制有源电力滤波器(APF)，它能对大小和频率都变化的谐波和无功进行快速补偿，能有效克服无源补偿装置的不足，是一种很有前途的补偿装置。 本文首先介绍了并联型APF的系统结构和工作原理，然后讨论了基于DSP+CPLD的全数字化控制系统的实现方案，并对该控制系统的硬件电路和软件系统设计进行了研究，最后给出了实验波形，验证了控制策略的有效性。 1 并联有源滤波器的系统结构及工作原理 有源电力滤波器主要由主电路，信号检测电路，DSP+CPLD控制系统，驱动电路和键盘显示部分等组成。三相四线制有源电力滤波器有两种不同的主电路结构及其控制方法，即3桥臂PWM变流器和4桥臂PWM变流器，从经济成本角度考虑，本文采用3桥臂PWM 变流器方案。本文设计的并联型APF的系统结构图如图1所示，主电路采用三相电压源型逆变器结构，逆变器输出端经滤波电感与电网相接。负载为污染源,产生谐波、无功及三相不平衡电流等有害分量。控制系统包括检测环节，指令电流运算环节、补偿电流跟踪控制环节、直流侧电压控制环节和驱动保护环节等。 有源滤波器的基本工作原理是：首先互感器(TV 、TA)检测补偿对象的电压和电流信号，然后经过转换处理后送给控制系统计算出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，输出补偿电流，从而使补偿电流与被补偿对象的谐波、无功、负序等有害电流分量相互抵消，最终得到期望的正弦电源电流。即经有源电力滤波器补偿后,电网侧三相电流