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
学院：信息工程学院
系别：自动化系
专业：自动化
班级：自动化03-3
指导教师：xx
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
Abstract
The substantial increase in the use of power electronic equipment results in harmonic pollution and reactive burden above the tolerable limits. Many conventional solutions to the power quality issues can’t 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 analyzed 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 results show that the designed shunt APF can well suppress the harmonic distortion generated by a three-phase diode rectifier.
Key W ords：Harmonic elimination; Shunt active power filter; Instantaneous reactive power; Simulation
目录
引言 (1)
第一章绪论 (2)
1.1谐波问题及研究现状 (2)
1.1.1谐波的基本概念 (3)
1.1.2 谐波分析 (3)
1.1.3 谐波的产生和危害 (6)
1.2谐波的抑制 (7)
1.2.1 谐波抑制技术 (7)
1.2.2 有源电力滤波器技术的发展 (7)
1.3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 (9)
2.1三相电路瞬时无功功率理论 (9)
2.2有源电力滤波器的工作原理 (14)
2.3有源电力滤波器的系统构成 (15)
2.3.1 有源电力滤波器的分类 (15)
2.3.2 有源电力滤波器主电路的结构 (16)
2.3.3 单独使用的并联型有源电力滤波器 (17)
2.4有源电力滤波器的特性 (18)
2.4.1 双向补偿特性 (18)
2.4.2 其他特性 (19)
2.5有源电力滤波器的控制方法 (19)
2.5.1 滞环比较方式 (19)
2.5.2 三角波比较方式 (20)
2.5.3 空间矢量控制 (21)
2.5.4 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 (22)
3.1 概述 (22)
3.2 系统电路的设计 (22)
3.2.1主电路(变流器)设计 (22)
3.2.2 主电路交流侧电感的计算 (25)
3.2.3直流侧电压计算和电容选取 (26)
3.3电流电压检测设计 (28)
3.3.1 电流检测电路的设计 (28)
3.3.2 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 (29)
4.1仿真环境 (29)
4.2仿真模型的建立 (29)
4.2.1 并联型有源电力滤波器系统仿真模型 (29)
4.2.2 主电路的仿真 (30)
4.2.3 谐波电流检测电路的仿真 (31)
4.3仿真结果 (32)
4.3.1 补偿前电网电流仿真波形与分析 (32)
4.3.2 补偿后电网电流仿真波形与分析 (33)
4.3.3 数字低通滤波器截止频率对指令电流精度的影响 (35)
4.3.4 仿真结果 (38)
结论及展望 (39)
参考文献 (41)
致谢 (43)
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[1]，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、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。
第一章绪论
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 Filter―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
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519～1981）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
sin()()wt u t α+= (1-1)
式中 U —电压有效值； α—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2/T w π=的非正弦电压()u w t ，一般可分解为如下形式的傅立叶级数：
01
()(cos sin )n n n u wt a a nwt b nwt ∞
==++∑ (1-2)
式中：
200
20
20
1()()
21
()cos ()
1
()sin ()(1,2,3,)
n n a u w t d w t a u w t nw td w t b u w t nw td w t n ππ
πππ
π
=
=
=
=?
?
?
或
1
0sin()()
n n n c nw t u w t a φ∞
=+=+∑ (1-3)
式中，n c 、n φ和n a 、n b 的关系为
arctan(/)
sin cos n
n n n n
n n
n n n
a b a
c b c c
φφφ=
===
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 1
100%n n U H RU U =
? (1-4)
n U —第
n 次谐波电压有效值（方均根值）；
1U —基波电压有效值。
n 次谐波电流含有率以HRIn 表示 1
100%n n I H RI I =
? (1-5)
n I —第n 次谐波电流有效值；
1I —基波电流有效值。
谐波电压含量H U 和谐波电流含量H I 分别定义为
H U =
(1-6)
H I =
(1-7)
电压谐波总畸变率THDu （total harmonic distortion ）和电流谐波总畸变率T H D i 分别定义为
1
100%H U TH D u U =
? (1-8)
1
100%H I TH D i I =
? (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
()2()
32()
3
a b c u u w t u u w t u u w t ππ==-
=+
设a 相电压所含的n 次谐波为
sin()
2sin ()32sin ()3an n n bn n n cn n n u nw t u n w t u n w t φπφπφ=
+??
=-+??
????
=
++??
??
（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
23
π，c 相电压比a 相电压超前
23
π，这
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23
π，c 相电压比a 相电压滞后
23
π，
这些次数的谐波均为负序谐波。
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，零序电流可以从中性线中流过。
[3]
1.1.3 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，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。[4]
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，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
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，研究并联型有源电力滤波器有着重要的现实意义。
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p i 和瞬时无功电流q i 为基础的理论体系中，设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为a e 、b e 、c e 和a i 、b i 、c i 。为分析问题方便，把它们变换到α- β两相正交的坐标系中研究。由下面的变换可以得到α、 β两相瞬时电压αe 、βe 和α、β两相瞬时电流αi 、βi
??
?
???????????????????
---=
??
????c b a e e e e e 232
302121132βα （2-1）??
?
???????????????????
---=??
?
???c b a i i i i i 232
302121132βα （2-2） 在这里，令：
????
?
????
???---=232302121132
C 在图2.1所示的矢量α—β平面上，αe 、βe 和αi 、βi 分别进一步合成为旋转电压矢量e 和旋转电流矢量i 。
e e e e e ?βα∠=+= （2-3） i i i i i αβ?=+=∠ （2-4）
式中，e 、i 为矢量电压和电流的模;e ?、i ?为矢量e 、i 的幅角。 定义(1) 三相电路瞬时有功电流p i 和瞬时无功电流q i 分别为矢量i 在矢量
e 及其法线上的投影。即：
?cos i i p =
（2-5）
?
sin i i q = （2-6）
式中，i e ???-=。
图2.1 α—β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p i (三相电路瞬时无功电流q i )的乘积。
p ei p = （2-7） q ei q = （2-8） 将式（2-3）和（2-4）代入上面即可写出矩阵形式：
???=??????βαe e q p ???-αβe e ??
?
???=??
?
???βαβαi i C i i pq
（2-9） 其中???=βαe e C pq ??
?
-αβ
e e 。
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。
c c b b a a i e i e i e p ++= (2-10)
])()()[(3
1c b a b a c a c b i e e i e e i e e q -+-+-=
(2-11)
定义(3) α、β相的瞬时无功电流q i α、q i β（瞬时有功电流p i α、p i β）分别为三相电路瞬时无功电流q i （瞬时有功电流p i ）在α、β轴上的投影，即:
p
e e e i e e i i p e p p 2
2
cos β
αααα?+=
=
= (2-12)
p e e e i e e i i p e p p 22
sin β
αβ
ββ?+=
=
= (2-13)
q e e e i e
e i i q e q q 2
2
sin β
αββα?+=
=
= (2-14)
q
e e e i e
e i i q e q q
2
2
cos β
αααβ?+-=
-=
-= (2-15)
从上面定义得到如下性质：
222
p p p i i i αβ+= （2-16） 222
q q q i i i αβ+= （2-17）
αααi i i q p =+ （2-18） βββi i i q p =+ （2-19）
定义(4) α、β相的瞬时无功功率αq 、βq （瞬时有功功率αp 、βp ）分别为α、β相瞬时电压和瞬时无功电流（瞬时有功电流）的乘积，即
p
e e e i e p p 2
22
β
αα
ααα+=
= (2-20)
p
e e e i e p p 2
2
2β
αβ
βββ+=
= （2-21）
q e e e e i e q q 2
2
β
αβαααα+=
= （2-22）
q
e e e e i e q q 22
β
αβ
αβββ
+-=
= （2-23）
从中可以看出，p p p =+βα，0=+βαq q 。
定义(5) 三相电路各相的瞬时无功电流aq i 、bq i 、cq i （瞬时有功电流ap i 、bp i 、cp
i ）是α、β两相瞬时无功电流q i α、q i β（瞬时有功电流p i α、p i β）通过两相到
三相变换所得到的结果。即
???
?
????=???
?
?
???
??p p cp bp
ap i i C i i i βα23 (2-24) ???
?????=???
?
?
???
??q q cq
bq
aq i i C i i i βα23 (2-25)
式中，T
C C 3223=。
从以上各式可得到如下性质：
0=++cp bp ap i i i (2-26) 0=++cq bq aq i i i (2-27) a aq ap i i i =+ (2-28) b bq bp i i i =+ (2-29)
c
cq cp
i i i =+ (2-30)
上述性质分别反映了α和β两相的正交性和a,b,c 三相的对称性。
定义(6) a 、b 、c 各相的瞬时无功功率a q 、b q 、c q (瞬时有功功率a p 、b p 、
c p )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
A p e i e p a ap a a 23== (2-31) A p e i e p b bp b b 2
3== (2-32) A
p e i e p c cp c c 2
3== (2-33)
A p e e e i e q c b a aq a a )(-== (2-34) A
p e e e i e q a c b bq b b )
(-== (2-35)
A
p e e e i e q
b a
c cq c c
)
(-== (2-36)
从以上还可以看出p p p p c b a =++和0=++c b a q q q 。
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
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
sin a m e E t ω= (2-37)
sin(2/3)b m e E t ωπ=- (2-38) sin(2/3)
c m e E t ωπ=+ (2-39)
sin()a m i I t ω?=- (2-40) sin(2/3)
b m i I t ω?π=-- (2-41)
sin(2/3)c m i I t ω?π=-+ (2-42)
代入式(2-1)，得
??????-=??
????t t E e e m ωωβαcos sin 2 (2-43) ???
???---=??????---=??
?????ω?ω?ωωω?ω?ωβαsin sin cos cos sin cos cos sin cos()sin(22t t t t t I t t I i i m m (2-44) 式中，m m E E 2/32=，m m I I 2/32=。 把式（2-43）、（2-44）代入（2-9）中可得
?
cos 2/3m m I E p = (2-45)
?sin 2/3m m I E q = (2-46)
令2/m E E =、2/m I I =分别为相电压和相电流的有效值，得
3cos p EI ?= (2-47)
3sin q EI ?= (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 相的瞬时有功电流和瞬时无功电流。
t
I i m ap ω?sin cos 2= (2-49)
t
I i
m aq
ω?cos sin 2= (2-50)
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α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β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L i 中的谐波成分Lh i ,将其反极性后作为
补偿电流的指令信号*
C i ，这样由补偿电流发生电路产生的补偿电流c i 与负载电
流中的谐波分量Lh i 大小相等、方向相反，因而两者互相抵消，使得电源电流S i 中只含基波，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：
S L C i i i =+ （2-51） L Lf Lh
i i i =+ （2-52）
C Lh i i =- （2-53） S L C Lf i i i i =+= （2-54） 式中L f i 为负载电流的基波分量。
[9]
负载电流l i 的傅里叶级数展开为：
11111
2
sin()cos sin sin cos sin()
l n
n n
n n n i I
n t I t I t I
n t ωθθωθωωθ∞
∞
===
+=++
+∑∑h lq lp i i i ++= （2-55）
式（2-55）中，t I i lp ωθsin cos 11=是基波有功电流；t I i q ωθcos sin 11=是
基波无功电流，2
sin()h n
n n i I
n t ωθ∞
==
+∑是高次谐波电流，1θ为基波电流初相位，
n θ为n 次谐波初相位，ω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。
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。
基于mat lab的低通滤波器 摘要:调用MA TLAB信号处理工具箱中滤波通过观察滤波器输入输出信号的时域波形及其频谱，建立数字滤波的概念。应用最广泛的是双线性变换法。基本设计过程是：①先将给定的数字滤波器的指标转换成过渡模拟滤波器的指标；②设计过渡模拟滤波器；③将过渡模拟滤波器系统函数转换成数字滤波器的系统函数。MA TLAB信号处理工具箱中的各种IIR数字滤波器设计函数都是采用双线性变换法。 关键词:滤波器，matlab，c语言，声音 Abstract: call MATLAB signal processing toolbox filtering through the observation filter of input and output signals time domain waveform and spectrum, establish the concept of digital filter. One of the most widely applied is double linear transformation method. The basic design process is: (1) to a given digital filters index converted into analog filter transition index; (2) the design transition simulation filter; (3) transition simulation filter system function will be converted into digital filter system function. MATLAB signal processing toolbox digital filter function design of IIR is bilinear transformation method. Keywords: filter, matlab, the c language, the voice 一.任务： 用matlab软件设计IIR模拟、数字以及各种窗函数的FIR低通滤波器 二.设计目的： （1）了解matlab软件的用途以及用法； （2）了解用冲激响应不变法设计模拟低通滤波器； （3）了解用脉冲响应不变法设计的巴特沃思数字低通滤波器； （4）了解基于汉明窗函数的FIR低通滤波器的设计。 三.设计内容： 3.1用冲激响应不变法设计模拟低通滤波器 3.1.1 设计内容： 要求按照设计指标设计无限冲激响应IIR巴特沃什模拟低通滤波器。 3.1.2 设计原理： 低通滤波器的技术要求用图形表示如下： 1
工学院毕业设计（论文） 题目：电力有源滤波器的设计 专业：电气工程及其自动化 班级：电气082 姓名：邓大伟 学号： 1609080203 指导教师：国海 日期： 2011年12月22日
目录 摘要： (1) 1 绪论 (2) 1.1概述 (2) 1.2抑制谐波的方法 (2) 1.3本文研究的内容 (3) 2 APF的工作原理和结构 (4) 2.1APF的基本原理和种类 (4) 2.2APF的谐波检测方法 (5) 2.3APF的补偿电流控制方法 (6) 3 有源电力滤波器谐波检测及控制策略 (8) 3.1瞬时无功功率理论简介及其应用 (8) 3.2SVPWM调制策略 (10) 4 控制系统的总体设计方案 (14) 4.1系统初始化程序的设计 (14) 4.2中断子程序设计 (14) 4.3I P-I Q法补偿谐波和无功电流的原理框图 (15) 5 电力有源滤波器的仿真实现 (17) 5.1源电力滤波器仿真模型的建立 (17) 5.2结果仿真 (21) 总结与展望 (25) 致谢 (26) 参考文献 (27) ABSTRACT: (28)
电力有源滤波器的设计 摘要：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。 关键词：电力有源滤波器;谐波检测 ;APF
有源电力滤波器 有源电力滤波器（APF：Active power filter）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LC滤波器，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并进行各次谐波和无功的分离，控制并主动输出电流的大小、频率和相位，并且快速响应，抵销负载中相应电流，实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功和不平衡。 中文名有源电力滤波器 所属学科物理 外文名 Active power 所属领域电学 filter 英文简称 APF 种类 并联型和串联型
目录 1、概述 2、理论基础 3、工作原理 4、标准 5、三电平 ?技术优势 ?滤波器 ?基本应用 ?主要应用场合 ?其他 ?优势 6、性能说明 7、配件选型 1、概述 三相电路瞬时无功功率理论是APF发展的主要APF；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。 2、理论基础 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！实际应用安全系数很低，国际普遍做法是以变压器升压，来保证可靠性，国家相关部
门也要求以变压器升压的形式和有源滤波器结合，治理高压谐波！ 3、工作原理 Satons有源电力滤波器通过电流互感器检测负载电流，并通过内部DSP计算，提取出负载电流中的 谐波成分，然后通过PWM信号发送给内部IGBT,控制逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等，方向相反的谐波电流注入到电网中，达到滤波的目的。 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
目录 1 设计相关知识介绍 (1) 1.1 谐波基本概念 (1) 1.2 谐波主要危害 (1) 1.3抑制谐波方法 (1) 2 APF的基本工作原理 (3) 3 APF基本组成部分 (5) 3.1 主电路 (5) 3.1.1 PWM控制的基本原理 (5) 3.1.2 主电路结构 (7) 3.2 指令电流运算部分 (8) 3.2.1 瞬时无功理论定义 (8) 3.2.2 基于瞬时无功理论检测法 (9) 3.3 电流跟踪控制部分 (11) 3.3.1电流滞环控制原理 (11) 3.3.2 三相电流滞环控制原理 (12) 3.4 驱动电路 (13) 参考文献 (15)
1 设计相关知识介绍[1] 1.1 谐波基本概念 1882年，法国数学家傅里叶指出，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，国际电工标准定义谐波为：谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于1的H次分量。把谐波次数的H定义为：以谐波频率和基波频率的之比的整数。电气和电子工程协会标准定义谐波为：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。 1.2 谐波主要危害 谐波研究与治理对于现代工业生产意义重大，这是因为谐波不仅降低电能的生产、传输和利用效率，而且给供、用电设备的正常运行带来严重危险。对于电力系统，谐波会放大系统局部并联谐振或串联谐振现象，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电气设备，谐波可以使电气设备产生振动和噪声，还可以产生过热现象，促使绝缘老化，缩短设备使用寿命，甚至发生故障或烧毁。 谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。电力系统产生的谐波与普通电话线路传输的音频信号及人耳的音频敏感信号相比在信号频带上具有一定的重叠性，而且二者功率相差悬殊。对于通信的干扰，也是谐波的主要危害之一。 谐波污染是电力电子技术发展的重大障碍。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。然而，电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效研究。 因此，谐波治理已经成为电气工程领域迫切需要解决的问题。 1.3抑制谐波方法 随着工业、农业和人民生活水平的不断提高，除了需要电能成倍的增长，对供电质量及供电可靠性的要求也越来越多，电能质量受到人们的日益重视。于是各国纷纷出台措施，制定相关标准。目前滤波是治理电网污染的有效方法，滤波就是将信号中特定的波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。它分为无源滤波和有源滤波。(1) 无源滤波
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。
目录 引言 (1) 1．软件及硬件平台 (1) 1．1VHDL语言特点 (2) 1．2MAX PLUS II开发环境 (3) 1．3可编程逻辑器件 (4) 1．4ALTERA公司FLEX10K系列 (5) 2．FIR滤波器基本理论 (6) 2．1数字滤波器概述 (6) 2．2有限长单位冲激响应(FIR)滤波器 (6) 2．2．1 FIR滤波器特点 (6) 2．2．2 FIR滤波器结构 (6) 2．3FIR数字滤波器的实现方法 (8) 3.基于FPGA实现FIR滤波器的研究 (9) 3．1基于乘法器结构的FIR滤波器在FPGA上的实现结构 (9) 3．1．1基于乘累加 FIR 滤波器结构 (9) 3．1．2 基于并行乘法器直接型 FIR 滤波器结构 (10) 3．2基于分布式（DA）算法的FIR滤波器在FPGA上实现结构 (11) 3．2．1 用分布式原理实现FIR滤波器－串行方式 (12) 3．2．2 用分布式原理实现FIR滤波器－并行方式 (13) 3．3CSD码及最优化方法 (14) 4．线性相位FIR滤波器的设计 (16) 4．1FIR滤波器的设计要求 (16) 4．2软件环境和硬件平台选择 (16) 4．3FIR滤波器的设计方案 (16) 4．4各模块设计 (17) 5．仿真结果及分析 (21) 5．1仿真结果 (21) 5．2仿真结果分析 (22) 6．总结 (22) 致谢 (23) 参考文献 (23) ABSTRACT (25)
基于FPGA的FIR滤波器设计 摘要：本文提出了一种采用现场可编程门阵列器件(FPGA)实现FIR数字滤波器的方案，并以Altera公司的FPGA器件EPF10K30为例完成了FIR滤波器的模块化设计过程。底层采用VHDL语言描述设计文件,顶层使用底层产生的模块连接组成FIR滤波器,并在MAX+plusII上进行了实验仿真。仿真结果表明：该设计方案可行，可为今后的数字滤波器模块化研究提供另一种思路。 关键词:VHDL;FPGA;FIR滤波器;Maxplus 引言 许多工程技术领域都涉及到信号，这些信号包括电的、磁的、机械的、热的、声的、光的及生物体的等等。如何在较强的背景噪声和干扰信号下提取出真正的信号并将其用于实际工程，这正是信号处理要研究解决的问题。20世纪60年代，数字信号处理理论得到迅猛发展，理论体系和框架趋于成熟，到现在它已经成长为一门独立的数字信号处理学科。数字滤波器在数字信号处理中占有很重要的地位，它涉及的领域很广，如：通信系统、系统控制、生物医学工程、机械振动、遥感遥测、地质勘探、航空航天、电力系统、故障检测、自动化仪器等。 系统数字滤波是提取有用信息非常重要而灵活的方法，是现代信号处理的重要内容。相对于模拟滤波器，数字滤波器没有漂移，能够处理低频信号，频率响应可接近理想特性，且精度很高又容易集成。在现代电子系统中，FIR数字滤波器以其良好的线性特性被广泛使用，属于数字信号处理的基本模块之一。在工程实践中，往往要求对信号处理要有实时性和灵活性，而已有的一些软件和硬件实现方式则难以同时达到这两方面的要求。 硬件描述语言（VHDL）是数字系统高层设计的核心，是实现数字系统设计新方法的关键技术之一。随着可编程逻辑器件在速度和集成度方面的飞速发展，使用FPGA来实现FIR滤波器，既具有实时性，又兼顾了一定的灵活性，越来越多的电子工程师采用FPGA器件来实现FIR滤波器，FIR数字滤波器在数字信号处理系统中应用非常普遍，常被用来对原始（或输入）样本数据进行消除高频、抑制噪声等处理以产生所需的输出。 数字滤波器的好坏对相关的众多工程技术领域影响很大，一个好的数字滤波器会有效地推动众多工程技术领域的技术改造和科学发展。所以对数字滤波器的工作原理、硬件结构和实现方法进行研究具有一定的意义。 本设计将采用现场可编程门阵列器件(FPGA)实现FIR数字滤波器的方案，底层采用VHDL语言描述设计文件，顶层使用底层产生的模块连接组成FIR滤波器，并在Max+plusII上进行实验仿真。由仿真结果判断设计的可行性。 1．软件及硬件平台
串联和并联电力滤波器的基本原理 谐波是交流系统中的概念，而纹波是针对直流系统来讲的，二者有区别，更有联系。交流滤波，是希望滤除工频（基波）分量以外的所有谐波分量，保证电源的正弦性。交流系统的电流畸变主要是由非线性负载引起的。而直流滤波，是希望滤除负载中直流分量以外的所有纹（谐）波分量，这些纹（谐）波分量主要是由直流电（压）源中的纹波电压分量在负载中引起的。直流系统中的纹波分量也是由各次谐波分量构成的。交流系统和直流系统中抑制谐波的目的是相同的：抑制不希望在电源或负载中出现的谐波分量。直流有源电力滤波器（DCAPF）与交流有源电力滤波器，都是采用主动的而不是被动的方法或手段去吸收或消除谐（纹）波。因而直流有源电力滤波器和交流有源电力滤波器的工作原理是相同或相近的。但是，由于作用的对象不同，直流有源电力滤波器也有自己的特点。与交流有源电力滤波器相似，按照其与直流负载的联结方式，直流有源电力滤波器也可分为串联直流有源电力滤波器和并联直流有源电力滤波器。串联直流有源电力滤波器的工作原理是：检测整流器经平波电抗器（无源滤波器）后的输出电压，通过低通滤波器将纹波电压分离出来，用此信号控制直流有源电力滤波器的输出电压，并使与的大小相等，相位相反，从而达到显著减小直流负载中纹波电流的目的。直流有源电力滤波器相当于电压控制电压源（VCVS）的逆变器。采用串联直流有源电力滤波器时，可以不必串联平波电抗器。并联直流有源电力滤波器的工作原理是：检测平波电抗器（无源滤波器）的输出电流Id＋ih，通过低通
滤波器将纹波电流ih分离出来，用此信号控制直流有源电力滤波器的输出电流iah，使ih与iah的大小相等，相位相同，从而使直流负载上的纹波电流分流，达到减小直流负载中纹波电流的目的。直流有源电力滤波器相当于电流控制电流源（CCCS）的逆变器。也可以检测整流器经平波电抗器后的输出电压，通过低通滤波器将纹波电压分离出来，用此信号控制直流有源电力滤波器的输出电流iah，使直流负载上的纹波电流分流，同样可以达到降低直流负载中纹波电流的目的。虽然直流有源电力滤波器在理论上不能彻底消除负载端的纹波电流，但可以使其大幅度地衰减。这时，直流有源电力滤波器相当于电压控制电流源（VCCS）的逆变器。串联直流有源电力滤波器所抑制的是纹波电压，它通过全额负载电流。当负载电流较大时，直流有源电力滤波器必须采用多个器件并联运行，损耗也比较大，这是它的缺点。串联直流有源电力滤波器比较适合于对纹波电流要求低的电感量较小或纯阻性的直流负载。并联直流有源电力滤波器通过使谐波源产生的谐波电流分流达到抑制直流负载纹波的目的，它承受全额负载电压。而在稳定/脉冲直流电源中，这个电压不会太高，器件完全能够承受。当纹波电流比较低时，用较小的纹波电流来控制直流有源电力滤波器比较困难，可采用检测纹波电压来控制直流有源电力滤波器，使纹波电流分流。并联直流有源电力滤波器比较适合于电感量较大直流负载。
大学 数字信号处理课程要求论文 基于LMS的自适应滤波器设计及应用 学院名称： 专业班级： 学生姓名： 学号： 2013年6月
摘要自适应滤波在统计信号处理领域占有重要地位，自适应滤波算法直接决定着滤波器性能的优劣。目前针对它的研究是自适应信号处理领域中最为活跃的研究课题之一。收敛速度快、计算复杂性低、稳健的自适应滤波算法是研究人员不断努力追求的目标。 自适应滤波器是能够根据输入信号自动调整性能进行数字信号处理的数字滤波器。作为对比，非自适应滤波器有静态的滤波器系数，这些静态系数一起组成传递函数。研究自适应滤波器可以去除输出信号中噪声和无用信息，得到失真较小或者完全不失真的输出信号。本文介绍了自适应滤波器的理论基础，重点讲述了自适应滤波器的实现结构，然后重点介绍了一种自适应滤波算法最小均方误差（LMS）算法，并对LMS算法性能进行了详细的分析。最后本文对基于LMS算法自适应滤波器进行MATLAB仿真应用，实验表明：在自适应信号处理中，自适应滤波信号占有很重要的地位，自适应滤波器应用领域广泛；另外LMS算法有优也有缺点，LMS算法因其鲁棒性强特点而应用于自回归预测器。 关键词：自适应滤波器，LMS算法，Matlab,仿真
1.引言 滤波技术在当今信息处理领域中有着极其重要的应用。滤波是从连续的或离散的输入数据中除去噪音和干扰以提取有用信息的过程，相应的装置就称为滤波器。滤波器实际上是一种选频系统，他对某些频率的信号予以很小的衰减，使该部分信号顺利通过；而对其他不需要的频率信号予以很大的衰减，尽可能阻止这些信号通过。滤波器研究的一个目的就是:如何设计和制造最佳的(或最优的)滤波器。Wiener于20世纪40年代提出了最佳滤波器的概念，即假定线性滤波器的输入为有用信号和噪音之和，两者均为广义平稳过程且己知他们的二阶统计过程，则根据最小均方误差准则(滤波器的输出信号与期望信号之差的均方值最小)求出最佳线性滤波器的参数，称之为Wiener滤波器。同时还发现，在一定条件下，这些最佳滤波器与Wiener滤波器是等价的。然而，由于输入过程取决于外界的信号、干扰环境，这种环境的统计特性常常是未知的、变化的，因而不能满足上述两个要求，设计不出最佳滤波器。这就促使人们开始研究自适应滤波器。自适应滤波器由可编程滤波器(滤波部分)和自适应算法两部分组成。可编程滤波器是参数可变的滤波器，自适应算法对其参数进行控制以实现最佳工作。自适应滤波器的参数随着输入信号的变化而变化，因而是非线性和时变的。 2. 自适应滤波器的基础理论 所谓自适应滤波，就是利用前一时刻已获得的滤波器参数等结果，自动地调节现时刻的滤波器参数，以适应信号和噪声未知的或随时间变化的统计特性，从而实现最优滤波。所谓“最优”是以一定的准则来衡量的，最常用的两种准则是最小均方误差准则和最小二乘准则。最小均方误差准则是使误差的均方值最小，它包含了输入数据的统计特性，准则将在下面章节中讨论；最小二乘准则是使误差的平方和最小。 自适应滤波器由数字结构、自适应处理器和自适应算法三部分组成。数字结构是指自适应滤波器中各组成部分之间的联系。自适应处理器是前面介绍的数字滤波器（FIR或IIR），所不同的是，这里的数字滤波器是参数可变的。自适应算法则用来控制数字滤波器参数的变化。 自适应滤波器可以从不同的角度进行分类，按其自适应算法可以分为LMS自适应滤波
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
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
目录 摘要 (1) 第1章绪论 (2) 1.1数字滤波器的研究背景与意义 (2) 1.2数字滤波器的应用现状与发展趋势 (2) 1.3数字滤波器的实现方法分析 (4) 1.4本章小结 (4) 第2章数字滤波器的概述 (5) 2.1数字滤波器的基本结构 (5) 2.1.1IIR滤波器的基本结构 (5) 2.1.2FIR滤波器的基本结构 (7) 2.2数字滤波器的设计原理 (8) 2.2.1滤波器的性能指标 (9) 2.2.2IIR数字滤波器的设计方法 (9) 2.2.3FIR数字滤波器的设计方法 (10) 2.3IIR滤波器与FIR滤波器的分析比较 (12) 2.4本章小节 (13) 第3章数字滤波器的算法设计及仿真 (14) 3.1由模拟滤波器设计IIR数字滤波器 (14) 3.1.1巴特奥兹滤波器 (14) 3.1.2切比雪夫滤波器 (15) 3.1.3椭圆滤波器 (17) 3.2用MATLAB设计数字滤波器 (20) 3.2.1FDATool界面 (20) 3.2.2用Fdatool进行带通滤波器设计 (21) 3.3将系统函数由直接型化成级联型 (23) 3.3.1二阶节系数的确定 (24) 3.3.2系数转换成二进制码 (24) 3.4本章小结 (26) 第4章IIR带通滤波器的VHDL描述及仿真 (27) 4.1IIR带通滤波器的VHDL描述 (27) 4.2IIR带通滤波器的M ODELSIM仿真 (29) 4.2.1仿真波形 (29) 4.2.2仿真输出 (30) 4.3本章小节 (30)
第5章总结 (31) 5.1滤波器功能和性能总结 (31) 5.2设计心得和体会 (31) 第6章结束语 (32) 参考文献 (33) 附录 (34) 译文 (37) 外文原文 (41)
有源电力滤波器设计 摘要：以三相系统中的电网电流为研究对象，介绍了有源电力滤波器的系统结构和工作原理，讨论了主要元件参数的设计和计算。 键词：有源电力滤波器；滤波器设计；谐波检测 O 引言 近年来，公用电网受到了谐波电流和谐波电压的严重污染，而电力电子装置是其主要的谐波污染源。随着电力电子装置的日益广泛应用，电网中的谐波污染也日益严重，并影响到供电质量和用户使用的安全性，因此电网谐波污染的治理越来越受到关注。 有源电力滤波器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，能对大小和频率都变化的谐波及无功功率进行补偿。和传统的无源滤波器相比，有突出的优点。 (1)对各次谐波和分数谐波均能有效地抑制，且可提高功率因数； (2)系统阻抗和频率发生波动时，不会影响补偿效果。并能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响； (3)不会产生谐振现象，且能抑制由于外电路的谐振产生的谐波电流的变化； (4)用一台装置就可以实现对各次谐波和基波无功功率的补偿； (5)不存在过载问题，即当系统中谐波较大时，装置仍可运行，无需断开等。 由以上可看出，它克服了传统的无源滤波器的缺点，具有良好的调节性能，因而有很大的发展前途。 本文对适用于电力系统的有源电力滤波器的原理和设计进行介绍。 l 有源电力滤波器系统结构 有源电力滤波器系统结构如图l所示。
有源电力滤波器的基本工作原理是：实时检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算单元计算出补偿电流指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大产生补偿电流，补偿电流与负载电流中需用补偿的谐渡及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。在图1中的体现是，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iL中的谐波分量iLb后，将其反极性作为补偿电流的指令信号iC*，再由补偿电流发生电路产生补偿电流ic，其中补偿电流ic与负载电流中谐波分量iLh大小相等，方向相反，因而两者相互抵消，使得电源中电流中只含基波，达到消除电源电流中谐波的目的。 图1为有源滤波器的系统框图。通过霍尔传感器检测非线性负载的电流iLa、iLb、iLc经电流信号调理后送入指令电流产生电路，指令电流产生模块是由TI公司的DSP TMS320LF2407为核心建立的。DSP计算出需要补偿的谐波和无功电流后，通过外部D／A送入电流跟踪控制电路。霍尔传感器检测有源电力滤波器主电路的电流ica、icb、icc，经电流信号调理后也送入电流跟踪控制电路，电流跟踪控制电路对主电路补偿电流与指令电流进行滞环比较后送出栅极开关驱动信号，驱动电路接受来自前级电流跟踪控制电路的PWM信号，并经隔离放大后驱动主电路的开关管，以控制主电流的电路跟随指令电流的变化，最终达到实时补偿谐波与无功功率的目的。电压传感器检测变流器直流侧总电压，经电压信号调理后送入指令电流发生电路，通过合理的控制以凋节直流侧电压的稳定。启动、关断和保护模块按一定的时序控制装置的启动和关断，并提供装置的过流、过压、过热、缺相等故障保护功能。 2 有源电力滤波器主电路设计 设计主电路时，应首先确定主电路的形式，目前，有源电力滤波器主电路的形式绝大多数采用电压型，本文选择主电路为并联电压型、单个变流器的形式。 主电路设计需要解决的问题是：主电路容量的计算；开关器件的选择及其参数的确定；对补偿电流的跟踪特性起决定作用的参数(输出电感L、直流侧电容电压Ud、滞环宽度δ)的设计；按所选器件要求的驱动电路的设计以及整个装置的各种保护电路设计。 2．1 主电路容量的计算 有源电力滤波器的容量SA由式(1)确定 式中：E为电网相电压有效值； Lc为补偿电流有效值。 如果所设计装置的容量为15 kVA，则 Ic=SA/3E=15x103/3x220=22．7 A 2．2 功率开关器件的选取 目前适用于APFP中的全控型开关器件主要有GTR、IGBT、IGCT等，器件的选择，首先应当满足工作频率和器件容量的要求，当单个器件的容量难以满足要求时，可考虑采用器件的串并联或主电路多重化等方式。其次，再考虑它们的价格。 器件的种类确定后，再确定其额定参数。其中，额定电压由直流侧电压决定，并考虑适当的安全裕量。额定电流由补偿电流决定。 2.3 主电路滞环宽度的选取 由于有源电力滤波器的指令电流包含高次谐波和暂态电流，故要求实际输出的电流对指令电流有很高的跟踪能力。在有源电力滤波器的补偿对象已确定的情况下，有源电力滤波器主电路参数的选取，对有源电力滤波器的性能和效率有较大的影响。 下面以A相为例，分析采用滞环控制时逆变器的工作频率f与电网电压ea、变流器直流侧电压Ud及
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：
基于DSP的FIR滤波器的设计与实现开题报告毕业设计（论文）开题报告题目：基于DSP 的FIR 滤波器的设计和实现系：专业：学号：学生姓名：指导教师：
开题报告填写要求 1．开题报告（含“文献综述” ）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效。2 ．开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按此电子文档标准格式（可从电气系网页或各教研室FTB 上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。3 ．“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15 篇（不包括辞典、手册），其中至少应包括1 篇外文资料；对于重要的参考文献应附原件复印件，作为附件装订在开题报告的最后。 4 ．统一用A4 纸，并装订单独成册，随《毕业设计说明书》等资料装入文件袋中。
毕业设计（论文）开题报告 1．文献综述：结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2500 字左右的文献综述，文后应列出所查阅的文献资料。文献综述在信号处理过程中，所处理的信号往往混有噪声，从接收到的信号中消除和减弱噪声是信号传输和处理中十分重要的问题。根据有用信号和噪声的不同特性，提取有用心好的过程成为滤波，实现滤波功能的系统成为滤波器。在1960 年到1970 年十年中，高速数字计算机迅速发展，并被广泛地用来处理数字形式的电信号。因而，在数字滤波器的设计中，就有可能采用傅立叶分析、波形抽样、Z 变换等已有的基本理论概念。数字滤波器精确度高，使用灵活，可靠性高，具有模拟设备没有的许多优点，已广泛地应用于各个科学技术领域，例如数字电视，语音，通信，雷达，声纳，遥感，图像，生物医学以及许多工程应用领域。随着信息时代、数字时代的到来，数字滤波技术已成为一门极其重要的科学和技术领域。以往滤波器采用模拟电路技术，但是模拟技术存在很多难以解决的问题，而采用数字则避免很多类似的难题，当然数字滤波器在其他方面也有很多突出的优点都是模拟技术所不能及的，所以采用数字滤波器对信号进行处理是目前的发展方向。数字滤波根据滤波特性可分为线性滤波和非线性滤波。近些年来线性滤波方法，如Wiener 滤波、Kalman 滤波和自适应滤波得到了广泛的研究和应用。同时一些非线性滤波方法，如小波滤波、同态滤波、中值滤波和形态滤波等都是现代信号处理的前沿课题，不但有重要的理论意义，而且有广阔的应用前景。关于数字滤波器理论研究的发展也带来了数字滤波器在实现上的空前发展。20 世纪60 年代，由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器的发展上了一个新的台阶，朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和廉价等方向努力，其中高精度、小体积、多功能、稳定可靠成为70 年代以后的主攻方向，导致数字滤波器、RC 有源滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展。到70 年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用，90 年代至现在主要智力与把各类滤波器应用与各类产品的开发和研制。当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。数字滤波器按照频域响应的通带特性可划分为：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。数字滤波器按照单位脉冲响应可分为:IIR （Infinite Impulse