第31卷第6期中国电机工程学报V ol.31 No.6 Feb.25, 2011
22 2011年2月25日Proceedings of the CSEE ?2011 Chin.Soc.for Elec.Eng. 文章编号：0258-8013 (2011) 06-0022-09 中图分类号：TM 46 文献标志码：A 学科分类号：470·40
混合型有源电力滤波器主电路优化设计
丁士启1，于晶荣2
(1．湖南大学电气与信息工程学院，湖南省长沙市 410082；
2．中南大学信息科学与工程学院，湖南省长沙市 410083)
Optimization of Main Circuit for Hybrid Active Power Filter
DING Shiqi1, YU Jingrong2
(1. College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, Hunan Province, China;
2. College of Information Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, Hunan Province, China)
ABSTRACT: According to the performance analysis of hybrid active power filter (HAPF) with different components parameters, a multi-objective optimization algorithm based on improved particle swarm optimization (PSO) was proposed. Inject circuit and active part of HAPF are optimal designed, and a design method based on this algorithm is presented to provide guidance. To avoid premature of PSO algorithm, non-linear time-varying parameters are introduced to the standard of PSO. While a new global optimal particle selection operator is employed to improve solution diversity. The simulation and engineering results show that the optimal design for HAPF main circuit is effective.
KEY WORDS: hybrid active power filter (HAPF); particle swarm optimization (PSO); multi-objective optimization; Pareto optimal; injection circuit
摘要：在分析混合型有源电力滤波器(hybrid active power filter，HAPF)各元件参数对系统综合性能影响的基础上，提出一种基于粒子群优化(particle swarm optimization，PSO)的改进多目标优化算法，对高压HAPF的注入电路和有源部分进行了参数优化设计，为系统优化设计提供指导。对标准PSO引入非线性时变参数，避免了算法的早熟，通过引入一种新的全局最优粒子选择算子，提高了算法解的多样性。算例仿真和工程应用结果证明了该主电路优化设计的有效性。
关键词：混合有源滤波器；微粒群算法；多目标优化；帕雷托最优；注入电路
基金项目：国家863高技术基金项目(2009AA05Z209)；国家自然科学基金项目(60804014)。
The National High Technology Research and Development of China (863 Program)(2009AA05Z209); Project Supported by National Natural Science Foundation of China (60804014)．0 引言
电力系统中非线性负荷的大量增加，特别是电力电子装置的广泛应用，导致电网谐波污染严重，造成电能质量严重恶化[1-4]。抑制电网谐波污染主要有无源电力滤波器(passive power filter，PPF)、有源电力滤波器(active power filter，APF)和混合型有源电力滤波器(hybrid active power filter，HAPF) 3种解决方案[5-7]。PPF虽然设计简单、投资较少，但其滤波特性依赖电网参数，可能发生谐振或失稳等现象；而APF能动态抑制谐波和补偿无功功率，但由于功率器件成本过高，大容量的APF暂时难以大规模的应用；HAPF是由PPF和APF通过适当方式组合而成，不仅具良好的滤波性能，其投资成本也相对较低。在众多的混有源滤波拓扑结构中，本文采用的注入电路，通过引入谐振电路，使有源部分无需承受基波电压，因而尤其适合高压大容量谐波治理场合。
在HAPF的拓扑结构和控制目标确定的前提下，寻求一组合理的参数组合就是系统优化。系统参数的合理组合，不仅能满足系统的性能要求，也同时能最大程度的降低投资成本。关于HAPF的研究文献以系统拓扑结构和控制策略方面的研究为主[8-12]，对主电路优化设计的方面研究相对较少。文献[13]提出了一种以尽量减小有源部分容量为目标的HAPF拓扑结构；文献[14]提出了一种新型注入式HAPF拓扑结构，给出了基于理论研究和基于工程经验的主电路参数设计方法；文献[15]提出了一种基于遗传算法和粒子群算法的多目标HAPF综合优化方法，该方法根据先验知识确定目标权重和
第6期 丁士启等：混合型有源电力滤波器主电路优化设计 23
惩罚因子，通过惩罚函数将多目标多约束优化问题转化为单目标优化问题。以上文献中的HAPF 的优化设计过程，都是基于工程经验设定的约束条件，而基于工程经验的分析设计往往比较粗糙，或者成本太高，造成不必要的浪费，或者由于工程经验的局限性降低了优化解的多样性而不能达到最优的设计需求。
为提高HAPF 优化解的多样性，增加设计者的选择自由度，本文提出一种基于Pareto 最优的微粒群多目标优化算法。通过对HAPF 进行充分详细的原理研究，提炼出统一的性能优化目标函数，根据理论分析设定合适的约束条件，并提出改进的优化策略，避免了工程经验和冗余约束对HAPF 优化解的影响，提高了多目标优化算法的收敛性和优化结果的多样性。
1 HAPF 主电路拓扑结构及原理
本文设计的HAPF 拓扑结构如图1所示，HAPF
主电路由注入电路和有源部分构成。图1中，e s 为系统电源；L s 为电源侧线路等效电感；C inj 为注入电容；C 1、L 1为基波谐振电路的电容和电感；R 为基波谐振支路的电阻；T f 为耦合变压器；C f 和L f 为输出滤波器的电容和电感。其中，注入电路由C inj 、R 、C 1和L 1组成，注入电容C inj 一方面补偿系统的无功功率，分担绝大部分的基波电压，另一方面提供谐波电流的较低阻抗通路；有源部分由耦合变压器、输出滤波器和电压型逆变器组成，完成谐波抑制功能，有源部分的输出电流通过注入电路流入电网，利用输出滤波器滤除有源部分输出的高次开关谐波。
图1 HAPF 拓扑结构 Fig. 1
Topology of HAPF
为简约地描述HAPF 运行原理，建立HAPF 单
相等效电路如图2所示。设单相负载电流近似表达式为
L L 1L 1
cos()N
n n
n i n t ωθ==+ (1)
式中：I L n
为负载电流的第n 次谐波电流有效值；ω
1
为基波角频率；θ
L n
为负载电流第n 次谐波电流的初始相位；N 为负载电流中所关注的谐波电流的最高次数。
e i L
图2 HAPF 单相等效电路
Fig. 2 Single-phase equivalent circuit of HAPF
根据HAPF 单相等效电路图，电源侧第n 次谐
波电流相量Sh n
I 为
Sh L L C C ()()n n n n n ωω=?I I G I G (2)
其中，1inj 1L
s 1inj 1()()()()()()()()
n n n n
R X L X C X C R X L X L X C X C ω+++=
++++G ；
11C
s 1inj 1()()
()()()()()
n n n n n n n R X L X C R X L X L X C X C ω++=
++++G ；L n I 、C n I 分别表示负载电流i L 和补偿电流i C 的第n 次谐波分量的相量，即L L L n n n I θ=∠I ，C C C n n n I θ=∠I ；C n I 为HAPF 补偿电流的第n 次谐波电流有效值；C n θ
为补偿电流第n 次谐波电流初始相位；X
n (
)为元件对于n 次谐波呈现出的阻抗。
若HAPF 采用检测负载谐波电流方式的控制方
案，参考电流的第n 次谐波电流相量*
C n I 为
*C L n n
=I I (3)
设HAPF 输出的第n 次电流相量C n
I 等于参考电
流相量*
C n I ，根据式(2)、(3)，电源侧第n 次谐波电流相量sh
n
I 为 inj sh L
s 1inj 1()
()()()()
n n
n n n n n X C R X L X L X C X C =++++I I
(4)
令 inj S
s 1inj 1()
()()()()()
n n n n n n X C R X L X L X C X C ω=
++++G (5)
显然，当S |()|n
ωG 足够小时，电源侧第n 次谐
波电流将被限制在允许范围内。若 | X
n (L 1) + X
n (C 1)
|较大，同时线路阻抗 | X
n (L s )
| 相对较小，式(5)可简化为
inj S 11inj ()
|()||
|()()()
n n n n n X C R X L X C X C ω=+++G (6)
若C 1、L 1和C inj 在第k 次谐波处发生串联谐振，
24
中 国 电 机 工 程 学 报 第31卷
即 | X
k (L 1) + X
k (C inj ) + X
k (C 1)
| = 0，根据式(6)，第k 次谐波电流可能被HAPF 放大。为确保谐波抑制效果，HAPF 控制规则设定为不对k 次进行补偿。则
HAPF 补偿后电源侧第n 次谐波电流有效值I S n
h 可以统一描述为
I S n h = I L n
min{| G L n (ω )
|, | G S n
(ω )
|} (7) 2 HAPF 的主电路优化问题描述
2.1 注入电路优化问题描述 HAPF 主电路优化目标包括性能最优和成本最低两个方面。HAPF 主要由有源部分和注入电路组成，分别从注入电路、有源部分的成本和性能两方面进行优化设计。 1）成本最小化。 HAPF 的系统投资成本J cost 包括有源部分成本J apf 和注入电路成本J inj ，即
J cost = J apf + J inj (8) 元件成本主要由其功率容量决定，设无源部分注入电容C inj 、基波谐振电路C 1和L 1的容量分别为S Cinj 、S C1和S L1，根据图2可知，流过注入电容C inj
的电流包括基波电流和有源滤波器输出的各次谐波电流，则C inj 的容量S Cinj 为 2
C Cinj 11inj ()3n N n I S C n ω==∑ (9) 式中I C n
为HAPF 输出电流的第n 次电流有效值。另外，注入电容的基波容量S Cinj1需要满足系统无功补偿要求，即 Q min < S Cinj1 = 3ω
1C inj U p 2
cc < Q max (10) 式中：U pcc 为HAPF 接入点基波电压有效值；Q min 、
Q max 分别为满足系统无功补偿要求的无功容量最
小值和最大值。
忽略有源部分的有功损耗，基波谐振电路C 1、
L 1的容量S C1和S L1分别为
12C
C1
113()
I S C ω=
S L1 = 3( I C
1
)2
L 1ω
1根据以上分析，注入电路成本J inj 为
J inj = w c (S Cinj + S C1) + w L S L1 (13) 式中w C 、w L 分别为电容和电感单位容量的成本
系数。
2）性能最优化。
谐波抑制是HAPF 的基本功能，接入HAPF 的电源侧电流畸变率是衡量HAPF 性能的最主要参
数，因此，以电源侧电流谐波畸变率最小为HAPF 主电路设计的优化目标，即
THD min i
T =式中：T THD i 为电源侧总谐波电流畸变率；I S 1
为电源
侧基波电流有效值。
3）基于理论分析的约束条件。
①谐振电路参数约束。
HAPF 设计中，为降低有源部分容量，谐振支
路电容C 1和电感L 1在基波频率发生串联谐振，即 111111
||L C ωεω?≤ (15)
式中 ε
1为较小的正数。
②注入电路阻抗比。 为保证有源部分的谐波电流能够注入至电网，C inj 、C 1和L 1的阻抗应满足：
inj 211()
||()()n X C R X L X C ε<++ (16) 式中 ε
2为给定的足够小的系数。 分析式(14)—(16)可知，谐波抑制问题描述只需
式(14)即可。式(15)、(16)的优点是表达式简单，能直观的指导工程设计，缺点是具体设计是否达标，
性能指标具体如何不是很明确，并且 ε
1和 ε
2的值难以确定。分析HAPF 的成本最小和性能最优目标函
数可知，优化目标已经包含了式(15)、(16)的约束，故不将其纳入优化约束中，以降低工程经验和冗余约束对优化结果多样性的影响。
2.2 有源部分优化问题描述
HAPF 有源部分的等效电路如图3所示，图中，u apf 为逆变器输出电压，L δ 为耦合变压器在低压侧的等效漏抗。 i L
u
图3 HAPF 有源部分等效电路
Fig. 3 Equivalent circuit of active part for HAPF
根据图3，输出滤波器电容C f 仅有高次开关谐波电流流过，而流过基波谐振电路C 1和L 1的电流主要为基波电流，对谐波电流呈现低阻抗，设耦合变压器变比为m ，则HAPF 有源部分的输出电流有效值I apf 为
第6期 丁士启等：混合型有源电力滤波器主电路优化设计 25
apf I = (17) 设电源电压无谐波畸变，则计算有源滤波部分电压有效值
apf U =
(18) 式中apf n
U 为有源部分电压的第n 次谐波电压有效
值，且相量apf
n
U 的计算见附录A 。 由式(17)和式(18)确定的有源部分容量S apf 为
S apf = 3U apf I apf (19)
1）有源部分优化目标。
有源部分的设计与注入电路存在一定耦合，但耦合程度较弱，因此有源部分设计可以独立成为优化问题，以提高优化效率。 HAPF 有源部分的成本J apf 主要是由耦合变压器T f 、输出滤波器C f 和L f 、功率开关器件和直流电容器C dc 确定。其中，耦合变压器T f 的容量与变比无关，它不在本文研究范畴之内；而在满足性能指标的情况下，输出滤波器、直流电容器的设计应尽可能最小化滤波电容和滤波电感参数，以降低投资成本和系统体积；同时，为提高系统效率，HAPF 系统应尽可能选用较低的开关频率和直流电压设定值。若HAPF 系统有源部分开关频率低，输出滤波器和直流电容器的参数必然增大。可见，电感、电容参数最小化和开关频率最小化是相互冲突的，故将有源部分的设计可归结为多目标优化问题，其
优化目标为
min {C f , L f , f , S CDC } (20)
式中：S CDC = C dc
u dc ，u dc 为有源部分直流侧电压；f
为有源部分开关频率。
2）约束条件。
①输出滤波器谐振频率。
由根据式(15)可知，C 1、L 1对谐波电流呈现高阻抗，为简化分析，设该支路无谐波电流，则流过注入电路的电流I inj (s )与逆变器输出电压U apf (s )比值为
inj 3f f apf f f f 2
2
inj inj ()
1
()
[(
)]I s U s m L L C s L L s m C m C s
δδ=
++++(21)
对于有源部分功率开关动作导致的高次谐波，由于注入电容阻抗相对较小，且滤波电容远小于注入电容，式(21)可简化为
inj 2apf f f f ()1
()
[()]I s U s m L L C s L L s
δδ=
++ (22)
根据图3，输出滤波器与变压器漏抗构成了LCL 滤波器，由式(22)可知，其谐振频率 ω
res 为
res ω=
为保证HAPF 系统具有足够的补偿带宽，又能
够有效抑制逆变器引起开关谐波电流，谐振频率ω
res 设定为
1.2N ω
1 < ω
res < ω
s /
2 (24) 式中 ω
s 为开关频率的角频率[13]。
②输出电流纹波。
根据空间矢量定义j(2/3)a b 2
(e 3
x x π=++x x c e j(4π/3)，HAPF 有源部分的电流跟踪误差空间矢量
e 可描述为 e = i ? i
* (25) 式中i 、i
* 分别为HAPF 有源部分的输出电流空间矢量和参考电流空间矢量。
为保证HAPF 有源部分的电流跟踪性能，采用空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation ，SVPWM)方法。设有源部分逆变桥臂电压合成矢量为u c (τ )，SVPWM 的参考矢量为u c *(τ )，根据HAPF 有源部分的等效电路，有
*
c c f
1
()[()()]d T t T
t L τττ+=
?∫e u u (26)
式中T 为HAPF 控制系统的控制周期。
逆变桥臂参考电压矢量u c *
(τ )由所在扇区的相邻两个矢量合成，设u c *(τ )位于第1扇区，则u c *
(τ )由矢量v 1、v 2和零矢量合成，合成原理如图4(a)所示。矢量分配时采用经典的双边对称调制[16]，其误差示意图如4(b)所示。
(b)
图4 空间矢量合成及纹波矢量
Fig. 4 Space vector synthesizing and ripple vector
为了确定最佳的滤波电感L f ，需要求得最大纹波电流max(|()|)t e ，从误差矢量示意图可知，最大误差矢量模为三角形的某一边长，即
26 中 国 电 机 工 程 学 报 第31卷
012max(|()|)max(|()|,|()|,|()|)t t t t =e e e e (27)
式中0|()|t e 、1|()|t e 和2|()|t e 分别为零矢量、矢量1v 和2v 作用时的电流跟踪误差，且
13sin )
j 00
f 1|()||d |t L ααατ+=∫e (28)
sin()j0j dc 310f 21|()||(e )d |3mT u t L αατπ
?=?∫e (29)
j sin j dc 320f 21|()||(e )d |3mT u t L αα
τπ
=∫e (30)
式中：u dc 为有源部分直流侧电压值；m 为调制系数。 HAPF 工作在额定工作点附近时，SVPWM 的
调制系数通常在m = 0.866以下，
经过分析，在最恶劣的情况下，m = 0.866、α = 30° 时，纹波电流最大，
纹波电流最大值max(|()|)t e 值为
dc f
max(|()|)8u T
t L =e (31) 为保证HAPF 的补偿效果，工程设计中应保证
max(|()|)t e 小于最大允许纹波电流 ?I M 。
③直流电压纹波。
HAPF 有源部分的直流电压设定值与逆变器期
望输出电压u apf 的峰值u p 有关，一般取
dc p u = (32) 根据图3，计算得到有源滤波器输出电压的峰值电压： j p apf 1
max{Re (e )}N
n
n t n u u ω==∑ (33)
忽略HAPF 有源部分的功耗，HAPF 的直流侧电容器电压平均值不变，但谐波电流将造成直流侧电容器的电压出现交流分量，交流侧瞬时功率p 为
j j apf apf 2
3(e )(e )N
n n t n
n t n p u i ωω==?∑ (34) 而瞬时功率p 的交流分量p 将造成直流电压的波动?U dc ，有
00
22
dc dc dc 0dc d [()2()()]2t t t C p U t u t U t τ+=???∫ (35) 式中u dc (t 0)为t 0时间的直流电压。 为使直流侧电容器电压纹波控制在工程允许范围U M 内，设定 max(| ?U dc (t )
|) < ?U M (36)
根据电压纹波工程要求可以计算出满足要求的直流电容器参数。 2.3 HAPF 优化问题总体描述 HAPF 优化设计包括注入电路和有源部分两部分，由于两部分耦合度较小，分别对两部分进行优化设计。
根据式(7)和(13)，可以将注入电路的设计描述为带约束的多目标优化问题，其优化目标为
2
inj Sh 2min {,()}M
n n n J k I =∑
式中k n 为第n 次谐波电流的权重。
注入电路优化设计的约束条件包括：
1）无功补偿满足要求，即Q min < S Cinj1 < Q max 。 2）谐振支路电阻R 应满足品质因数Q 的要求， 即11L R Q
ω=。
HAPF 有源部分优化设计的优化目标为
min {C f , L f , f , S CDC }
其约束条件包括：
1）1.2N ω
1 < ω
res < ω
s /
2。
2）M max(|()|)t I
3）max(| ?U dc (t )
|) < ?U M 。
3 改进PSO 多目标优化算法
3.1 基本PSO 原理
在HAPF 主电路优化设计过程中，需要同时优
化多个相互冲突的目标，其优化设计实质上是多目
标优化问题。通常可以通过加权方法将多目标问题转化为单目标优化问题，但需要获取丰富的先验知
识以确定合理的权重；基于种群的优化算法如微粒群算法(particle swarm optimization ，PSO)等更适合求解这类问题[17-19]。基于微粒群的多目标优化算法是通过协调各目标函数之间的关系，寻找问题的最
优解集，即Pareto 最优解[20]。为了提高微粒群多目标算法的收敛性，增加非劣解的多样性，本文提出一种改进的微粒群多目标优算法，以求解HAPF 主电路设计的优化问题。
PSO 算法根据对环境的适应度将群体中的个体移动到更优的区域。首先，在解空间内随机初始化一组微粒，这些微粒经过若干次迭代后找到最优
解。迭代公式为
v id (k + 1) = wv id (k ) + c 1r 1[p best ? x id (k )] + c 2r 2[g best ? x id (k )] (37)
x id (k + 1) = x id (k ) + v id (k ) (38) 式中：w 为惯性权重；c 1、c 2为加速常数；r 1、r 2为[0,1]范围内变化的随机函数。 3.2 改进优化算法
基本PSO 是面向单目标优化问题的，为满足多
第6期 丁士启等：混合型有源电力滤波器主电路优化设计 27
目标问题求解要求，通过引入Pareto 最优能够实现多目标优化求解。为提高基于Pareto 最优的粒子群多目标优化算法的收敛性和优化解的多样性，本文提出的改进算法引入了归档操作、拥挤度估计等操作，改进算法结构如图5所示。
图5 基于PSO 的多目标优化算法示意图 Fig. 5 Multi-objective optimization algorithm
based on PSO
为了提高搜索效率、避免早熟，改进优化算法
通过增大权系数和感知系数，以避免算法陷入局部
最优。改进算法采用非线性时变的方法修改控制参
数，具体描述为
max min max min max
()()()g g w k w w w g α
?=+?? (39)
max 11min 1max 1min max ()()()g g c k c c c g β
?=+?? (40) max 22max 2min 2max max
()(()g g c k c c c g γ
?=+?? (41)
基于Pareto 最优的粒子群优化改进算法实现步
骤为
1）算法参数设定，设置种群规模为M ，算法搜索的最大迭代次数g max ，初始惯性权重和加速常数的设置，随机产生初始种群P ，g =
1。
2）辨识P 种群中的非劣解，并归档进入全局最优档案A g ，并为每个粒子配置一个外部档A i (i = 1,2,???, M })，备份每个粒子的局部非劣解。
3）采用自适应栅格技术对档案A g 中非劣解进行粒子密度评估。评估标准为：对于粒子数N grid[i ]大于零的栅格(其集合为s )，每个栅格粒子中粒子被
选中为G best 的概率为grid[]grid[]
11
/i s i i N N ?∑
，从而对于 密度较大的粒子成为G best 的可能性进行了适当惩
罚。且每个栅格中粒子最大数目有个上限，若超出上限，将随机的被选中剔除。
4）随机的从A i 中选择一个粒子作为第i 个粒子的p best ，并按式(37)、(38)中的迭代公式进行粒子飞行，迭代公式中，时变系数(权重，加速常数按 式(39)—(41)更新。
5）当所有粒子位置完成一轮更新完毕，iter = iter +
1，若未完毕，则返回第3）步。
6）若满足收敛条件，
结束；否则，返回第2）步。 本文采用了时变系数法，避免了粒子早熟，采用自适应栅格技术评估非劣解密度，应用一种简单的惩罚方法，同时对于每个粒子的迭代，我们重新选择了P gbest ，这样十分利于解的多样性。 3.3 算例分析
设谐波源为三相不控整流的输入电流。表达式
如：a i t ω+
1
sin13]13
t ω?"，其中I d = 200 A ，谐波补偿接入点 电网电压为10 kV ，系统电感(电抗)0.05 mH ，系统电阻忽略不计。采用基于PSO 的多目标优化算法，对混合有源滤波器注入电路进行了优化，Pareto 最优解如图6(a)所示，其中横坐标表示HAPF 补偿后电源侧谐波电流总畸变率T THDi ，纵坐标表示系统投资成本J cost ，纵从图6中可知，系统性能和成本是矛盾的，但也可以发现，当T THDi < 3%后，试图通过增大投资成本以提高滤波性能的余地并不大。根 T
THDi
(a) Pareto
优化前沿 J c o s t /p u
0.50.01
1.5
2.5
3.50.03
0.05 0.07
f /kHz
(b)
G L n
(s )的频率特性
幅值
0.95
1.001.050.2
1.0
1.40.6
f /kHz
(c)
G S n (s )的频率特性
幅值
0 501000.2
1.0
1.40.6
图6 优化结果
Fig. 6 Results of the improved optimization algorithm
28 中 国 电 机 工 程 学 报 第31卷
据表1所提供的信息，可以发现多数最优解满足 式(15)、(16)的约束，这也说明了理论分析的正确性。多目标优化的结果是一组解(一个集合)，它能提供多个供用户选择的最优解，同时也能知道解的变化趋势，使用户了解更多的有用信息，使得用户决策相对合理。选取表1中的解S 3，分析谐波电流对系统电源电流的频率响应特性如图6(b)、(c)所示。
图6(b)为G L n (s )的频率特性，表示有源滤波部分不工作时系统滤波特性；图6(c)为G S
n
(s )的频率特性，表示混合有源滤波器补偿所有谐波时系统滤波特
性，从图中可以看出，G S
n
(s )在二次谐波附近存在一个谐振峰值，若负载包含该谐振频率附件谐波分量，则该谐波分量将被放大，为抑制谐波放大，本设计中有源部分不参与该次谐波补偿。
表1 注入电路参数多目标优化解
Tab. 1 Optimization results of injection circuit
集合 L 1/mH
C 1/μF
C inj /μF
Q
THD/%J cost /pu
S 1 60.00 300 100.0030 1.57 3.45 S 2 33.36 299 53.7466 6.46 0.68 S 3 45.67 226 53.8637 4.36 0.76 S 4 54.44 189 66.9553 2.77 0.92 S 5 46.22 225 61.7737 3.65 0.80 S 6 34.62 296 63.0069 5.06 0.70 S 7 58.80 173 91.4055 1.80 1.41 S 8
34.71 300 59.00
67 5.42 0.69
根据解S 3的情况，已知变压器的变比、外部电源供给的方便程度和约束式(36)，选择直流电压设定值为500 V ，从有源部分参数多目标优化解集中选择一组最优解，其中滤波电感，滤波电容，直流电容以及开关频率分别为：L f = 1.3 mH ，C f = 5 μF ，
C dc = 12 mF ，f = 15 kHz 。
根据上述配置，对系统进行仿真分析，非线性负载为不可控整流器。HAPF 投入前后电网电流的对比结果如图7(a)所示，在0.075 s 前，HAPF 未工作，电流畸变明显严重，在此之后，补偿切入，电流波形质量有很大改善。其详细的FFT 分析结果如图7(b)、(c)所示。
t /s
(a) 电网电流(补偿前\后) i /A
??
THD/%
(b) 补偿前电网电流总谐波畸变率 幅值/p u
THD/%
(c) 补偿后电网电流总谐波畸变率 幅值/%
0.0
130.5
1.0
2.0 2.5
1.5 2
图7 补偿前后电网电流
Fig. 7 Source current before and after compensation by HAPF
4 工程试验
HAPF 系统研制成功后，在江西某冶金厂进行
了现场运行试验。负载电流既包含谐波电流也包含无功电流，其中谐波电流以5、7次为主。由于谐波污染严重，电容补偿柜无法正常投入运行，导致用户功率因数偏低，月平均功率因数约为0.89。 图8(a)记录了补偿前变压器二次侧电流波形，图8(b)为变压器二次侧电流谐波分析，图8(c)为HAPF 投入运行后的电源电流波形，图8(d)为补偿后电源电流谐波分析。可见，HAPF 投入后，该冶金厂的电流畸变率明显降低。HAPF 补偿效果如表2所示，其中I
RMS 表示电源侧电流有效值，η为功率因数。表中所示的总谐波畸变率(total harmonic distortion ，
t (20
ms/格)
(a) 补偿前电网电流波形
u (230 V /格)
谐波次数
(b) 补偿前电网电流总谐波畸变率 T H D /%
5
50
100
1
13
179
第6期 丁士启等：混合型有源电力滤波器主电路优化设计 29
t (20
ms/格)
(c) 补偿后电网电流波形
u (230 V /格)
谐波次数
(d) 补偿后电网电流总谐波畸变率 T H D /%
5 50
100
1 13 179 图8 HAPF 补偿效果
Fig. 8 Compensation results of HAPF 表2 不同工况下的稳态补偿效果
Tab. 2 Compensation results of different conditions
工况
I RMS /A THD/%
η
补偿前电源 616 14.9 0.81 补偿效果 514
3.5 0.96
THD)采用FLUKE 434测定，表中给出的功率因数
η为用户电能表统计的月平均功率因数。
HAPF 系统现场运行3个月来，谐波抑制、无功补偿效果良好，动态响应速度快，用户满意。
5 结论
本文研究了HAPF 主电路的优化设计方法，得出如下主要结论：
1）提出了统一的HAPF 性能优化目标描述，去除了优化过程的冗余约束，降低了优化问题描述对工程经验的依赖性。
2）提出一种基于Pareto 最优的微粒群多目标优化算法，通过协调多个优化目标之间的关系，寻找HAPF 主电路优化问题的最优解集，为设计者选择方案提供更多的设计自由度。
3）通过引入归档操作、拥挤度估计和自适应栅格技术等改进PSO 算法，提高了HAPF 主电路优化解的多样性和优化算法的收敛速度。
参考文献
[1] Akagi H ．New trends in active filters for power conditioning[J]．IEEE
Transaction on Industrial Application ，1996，32(6)：1312–1322． [2] Peng F Z ．Applications issues of active power filters[J]．IEEE Industry
Applications Magazine ，1998，4(5)：212-230．
[3] Ortmeyer T H ，Chakravarthi K R ，Mahmoud A ．The effects of power
system harmonics on power system equipment and loads[J]．IEEE
Transactions on Power Apparatus and Systems ，1985，104(9)：2555-2563．
[4] 陈国柱，吕征宇，钱照明．有源电力滤波器的一般原理及应用[J]．
中国电机工程学报，2000，20(9)：17-21．
Chen Guozhu ，Lü Zhengyu ，Qian Zhaomng ．The general principle of active filter andits applicalion[J]．Proceedings of the CSEE ，2000，
20(9)：17-21(in Chinese)．
[5] 周柯，罗安，汤赐，等．一种大功率混合注入式有源电力滤波器的工程应用[J]．中国电机工程学报，2007，27(22)：80-86． Zhou Ke ，Luo An ，Tang Ci ，et al ．High-power hybrid injection active power filter’s engineering application[J]．Proceedings of the CSEE ， 2007，27(22)：80-86(in Chinese)．
[6] Corasaniti V F ，Barbieri M B ，Arnera P L ，et al ．Hybrid active filter
for reactive and harmonics compensation in a distribution
network[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics ，2009，56(3)：670-677．
[7] Fujita H ，Yamasaki T ，Akag H ．A hybrid active filter for damping of
harmonic resonance in industrial power systems[J]．IEEE Transactions on Power Electronics ，2000，15(2)：215-222． [8] 吴隆辉，卓放，张鹏博，等．并联混合型有源电力滤波器稳定性
及控制方法[J]．中国电机工程学报，2008，28(18)：54-60． Wu Longhui ，Zhuo Fang ，Zhang Pengbo ，et al ．Stability analysis and controller design of fybrid parallel active power filter[J]．Proceedings of the CSEE ，2008，28(18)：54-60(in Chinese)．
[9] Sung J H ，Park S ，Nam K ．New hybrid parallel active filter
configuration minimising active filter size[J]．IEE Proceedings on Electric Power Applications ，2000，147(2)：93-98．
[10] 罗安，章兢，付青．新型注入式并联混合型有源电力滤波器[J]．
电工技术学报，2005，20(2)：51-55．
Luo An ，Zhang Jing ，Fu Qing ．Development of high-capacity hybrid active power filter[J]．Transactions of China Electrotechnical Society ，2005，20(2)：51-55(in Chinese)．
[11] 肖湘宁，徐永海，刘昊．混合型有源电力补偿技术与实验研究[J]．
电力系统自动化，2002，26(3)：39-44．
Xiao Xiangning ，Xu Yonghai ，Liu Hao ．Analysis of hybrid powercompensator and its experimental study[J]．Automation of Electric Power Systems ，2002，26(3)：39-44(in Chinese)． [12] Yang Huayun ，Ren Shiyan ．A practical series-shunt hybrid active
power filter based on fundamental magnetic potential self-balance[J]．IEEE Transactions on Power Delivery ，2008，23(4)：2089-2096． [13] Luo An ，Tang C ，Shuai Z K ．A novel three-phase hybrid active power
filter with a series resonance circuit tuned at the fundamental frequency[J]．Transactions on Industrial Electronics ，2009，56(7)：2431-2440．
[14] Shuai Zhikang ，Luo An ，Zhu Wenji ，et al ．Study on a novel hybrid
active power filter applied to a high-voltage grid[J]．IEEE Transactions on Power Delivery ，2009，24(4)：2344-2352． [15] Jiang Youhua ，Liao Dafa ．Multi-objective optimal design for hybrid
active power filter based on composite method of genetic algorithm and particle swarm optimization[C]//IEEE International Conference on Artificial Intelligence and Computational Intelligence ．Las Vegas ：IEEE ，2009，2：550-553．
[16] 张崇巍，张兴．PWM 整流器及其控制[M]．机械工业出版社，2005，
226-233．
Zhang Chongwei ，Zhang Xing ．PWM rectifier and its control[M]．Machinery Industry Press ，2005，226-233(in Chinese)．
30 中 国 电 机 工 程 学 报
第31卷
[17] Del Valle Y ，Venayagamoorthy G K ，Mohagheghi S ，et al ．Particle
swarm optimization ：basic concepts ，variants and applications in power systems[J]．IEEE Transactions on Evolutionary Computation ，2008，12(2)：171-195．
[18] Coello C A C ，Pulido G T ，Lechuga M S ．Handling multiple
objectives with particle swarm optimization[J]．IEEE Transactions on Evolutionary Computation ，2004，8(3)：256-279．
[19] Xue X D ，Cheng K W E ，Ng T W ，et al ．Multi-objective optimization
design of in-wheel switched reluctance motors in electric vehicles[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics ，2010，57(9)：2980-2987． [20] 李军，邓清华，丰镇平．基于进化算法的压气机叶型多目标优化
设计[J]．中国电机工程学报，2004，24(10)：205-209．
Li Ju ，Deng Qinghua ，Feng Zhenping ．Multiobjective optimization design of a compressor airfoil using evolutionary algorithms[J]．Proceedings of the CSEE ，2004，24(10)：205-209(in Chinese)．
附录A
有源部分承受的基波电压相量1
apf U 为
11
11111
s s L R apf inj inj s S s 111R inj s (())()
()()()()()
X L X R X C X L X R X C X L ?=?+=
++E I U I I E (A1)
式中：1L I 为负载基波电流相量；
X 1(R R ) = X 1(C 1) + X 1(L 1) + R 。 有源部分承受的第n 次谐波电压相量apf n
U 为
R s inj apf
C s inj R ()(()())
{()
}[()()()]
n n n n n n n n n X R X L X C mX L m X L X C X R +=
+
?++U I
R s L
s inj R ()()
[()()()]
n n n n n n X R X L m X L X C X R ++I (A2)
式中：C n I 为HAPF 输出的第n 次谐波电流相量；L n
I 为负载
侧第n 次谐波电流相量，且L = L f + L δ；X n (R R ) = X n (C 1) +
X n (L 1) + R 。
收稿日期：2011-01-17。 作者简介：
丁士启(1966)，男，博士研究生，教授级高级工程师，研究方向为电力系统谐波治理与无功补偿，ding_sq@https://www.doczj.com/doc/b14802107.html, ；
于晶荣(1981)，女，讲师，研究方向为电力电子技术与电能质量控制，jingrong_yu@https://www.doczj.com/doc/b14802107.html, 。
丁士启
(责任编辑 吕鲜艳)
长沙学院 模电课程设计说明书 题目 系(部) 电子与通信工程系 专业(班级) 姓名 学号 指导教师 起止日期
数字电子技术课程设计任务书(11)系（部）：电子与通信工程系专业：电子信息工程
长沙学院课程设计鉴定表
目录 一．无源滤波器的简介 (5) 1.无源滤波器定义 (5) 2.无源滤波器的优点 (5) 3.滤波器的分类 (5) 4.无源滤波器的发展历程 (5) 二．无源滤波器的工作原理与电路与电路分析 (6) 1.工作原理 (6) 2.电路分析 (7) 三．设计思路及电路仿真 (11) 1.无源低通滤波器 (11) 2.无源高通滤波器 (11) 3.无源带通滤波器 (12) 4.无源带阻滤波器 (13) 四．设计心得与体会 (15) 五．参考文献 (15)
一．无源滤波器的简介 1.无源滤波器定义 无源滤波器，又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波（3、5、7）构成低阻抗旁路；单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。 2.无源滤波器的优点 无源滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，至今仍是应用广泛的被动谐波治理方法。 3.滤波器的分类 ⑴按所处理的信号 按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。 ⑵按所通过信号的频段 按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。 低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。 高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。 带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。 带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。 ⑶按照阶数来分 通过传递函数的阶数来确定滤波器的分类。 4.无源滤波器的发展历程 （1）1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。 （2）20世纪50年代无源滤波器日趋成熟。 （3）自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向。导致RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展； （4）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。 （5）80年代，致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。 （6）90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于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。
1 引言 近年来，公用电网受到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，谐波污染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。 滤波器在本质上是一种频率选择电路，通常用幅频响应和相位响应来表征一个滤波电路的特性。理想滤波电路在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应，而在阻带内应具有无限大的幅度衰减。按照通带和阻带的相互位置不同，滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、全通5类。有源滤波器采用有源器件需要使用电源，加上功耗较大且集成运放的带宽有限，因此目前有源滤波电路的工作频率难以做得很高，一般不能用于高频场合。但总的来讲有源滤波器在低频(低于1MHz)场合中使用有较无源滤波器更优的性能，因而目前在音频处理、工业测控等领域广泛应用。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，有以下几点突出的优点： (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。 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。
有源带通滤波器设计报告 学生姓名崔新科 同组者王霞吴红娟 指导老师王全州
摘要 该设计利用模拟电路的相关知识，设定上线和下限频率，采用开环增益80dB 以上的集成运算放大器，设计符合要求的带通滤波器。再利用Multisim 仿真出滤波电路的波形和测量幅频特性。通过仿真和成品调试表明设计的有源滤波器可以基本达到所要求的指标。其主要设计内容： 1．确定有源滤波器的上、下限频率； 2．设计符合条件的有源带通滤波器；- 3．测量设计的有源滤波器的幅频特性； 4．制作与调试； 5. 总结遇到的问题和解决的方法。 关键词：四阶电路有源带通滤波器极点频率 The use of analog circuit design knowledge, on-line and set the lower limit frequency, the use of open-loop gain of 80dB or more integrated operational amplifier designed to meet the requirements of the bandpass filter. Re-use Multisim circuit simulation waveform and filter out the measurement of amplitude-frequency characteristics. Finished debugging the simulation and design of active filters that can basically meet the required targets. The main design elements: 1. Determine the active filter, the lower limit frequency; 2. Designed to meet the requirements of the active band-pass filter; - 3. Designed to measure the amplitude-frequency characteristics of active filters; 4. Production and commissioning; 5 summarizes the problems and solutions. Keywords: fourth-order active band-pass filter circuit pole frequency
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
、低通滤波器的设计 低通滤波器的设计是已知w。（-3dB截止频率）、H OLP（直流增益）、Q （在-3dB截止频率时的电压放大倍数与通带放大倍数数值之比）三个参数来设计电路，可选的电路形式为压控电压源低通滤波器和无限增益多路反馈低通滤波器。下面分别介绍： （一）二阶压控电压源低通滤波器 图1二阶压控电压源低通滤波器原理图 H OLP二K =1 空 R A Q (1 —K MRCJR2C2+ JR2C2/RG 由上式可知，可通过先调整R1来先调整w。，然后通过调整K来调整Q值。 对于巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔三种类型二阶LPF的Q值分别为0.707、1、0.56。 1、等值元件KRC电路设计 令& = & = R和G = C2 = c，简化上述各式，则 H OLP”1R A W。_ RC Q — 3- K 得出的设计方程为 W o R1C1 R2C2 1
R B 由上式可知，H OLP 值依赖于Q 值大小。为了将增益从现在的 A oid 降到另一个不同的值 A new , 应用戴维南定理，用分压器 R !A 和R IB 取代R I ，同时确保W o 不受替换的影响，需符合 下式： 电路连接如图2所示 图2二阶压控电压源低通滤波器等值法原理图 2、参考运算放大器应用技术手册 （1）选取C1 1 (3) 电容扩展系数m 二二 -(H OLP -1) 4Q 2 (4) C 2 二 mG (5) & =2QR R 2Qm (7)选取 R A ，则 R B (( H OLP -1) R A RC = (6) W o K Q =(K -1)R A R 1B R IA B = R 1 (2) 1 2%0
广东工业大学课程设计任务书 题目名称有源滤波器设计 学院 专业班级 姓名 学号
摘要 滤波器（filter）是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到的纯净的直流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。带通滤波器（band-pass filter）是指能通过某一频率范围内的频率分量，能将其他范围分量衰减的设备。一个理想滤波器应该有一个完全平坦的通带，例如在通带内没有增益或者衰减，并且在通带之外所有频率都被完全衰减掉。另外，通带外的转换在技校的频率范围完成。实际上，并不存在理想的带通滤波器，因为并不能将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在索要
的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围，这通常被称为滤波器的滚降现象，使用每十倍频的衰减幅度dB来表示。通常，滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好，这样滤波器的性能就与设计更加接近。然而随着滚降范围越来越小，通常就变得不再平坦-开始出现“波纹”。这种现象在通带的边缘处尤其明显，这种效应被称为吉布斯现象。 带通滤波器能够广泛应用在电子学和信号处理领域，本文重点介绍了带通滤波器的工作原理以及设计方法，介绍了带通滤波器的工作原理并设计了一个带通滤波电路，并给出了系统的电路设计方法和主要模块的原理分析。由实验结果可知，该滤波器具有良好的滤波效果，并能稳定运行。 关键词：带通滤波器 multisim 设计 目录 前言 (4) 第一章二阶带通滤波器设计的内容和要求 (5) 第二章电路设计 (6) 一、正弦波产生电路设计 (6)
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
关于无源滤波器设计 随着电网中非线性负载（如电力电子装置、可调速电机）应用的增多，供电质量日趋下降，电网中的谐波含量严重超过国家标准，对电力用户的安全用电构成威胁。并且，国家对电力市场管制的开放，无疑加剧电力市场的竞争，一方面电力用户对供电电源的谐波含量的要求越来越高，另一方面电力公司对电力用户注入电网的谐波水平也提出了限制。因此，对电网的经济安全运行起到十分重要的作用的电力滤波器有大量的市场需求和市场潜力。 概述 电力系统是由电感、电阻、电容组成的网络，在一定的参数配合下可能会对某些频率产生谐振，诱发出过量的电压和电流。因此，应当尽量避免谐振。对于正常设计的电网来说，发生工频谐振的可能性很小。但是，却有可能在某些高次谐波下谐振，使谐波电流和电压剧增，危害设备的运行和安全。 当谐波源产生的谐波大于规定限值时，应装设滤波装置。在谐波源处装设滤波器，就地吸收谐波电流，可以使注入系统的谐波减少到很低的程度，这是当前最主要的抑制谐波的手段。 目前大量应用于在电力系统中的是无源交流滤波装置，由电力电容器、电抗器和电阻组成，可以抑制谐波并兼有一定的无功补偿作用。无源滤波器结构简单、运行可靠、维护方便，成本低、技术成熟。 最理想的滤波器设计是能够将注入的全部谐波都进行衰减的单个宽频带结构，但需要的电容量非常大，比较经济的做法是使用单调谐滤波器将较低次的谐波衰减掉，由高通滤波器衰减较高次数的谐波。 无源谐波滤波器包括一组对应于某几次低次谐波的单调谐滤波器组和一个用于滤除高次谐波的高通滤波器。 运行特点 使用无源滤波器的特点主要有： ①滤波效果受电网阻抗影响大，会因制造误差、设备老化、电网频率变化造成滤波效果下降; 对谐波频率经常变化的负载滤波效果差。 ②容易与电网产生谐振，产生并联或串联谐振，造成谐波放大; ③对谐波进行抑制的同时引入一定量的无功，兼有谐波补偿和无功补偿功能; ④可利用现有无功补偿设备容量; ⑤不具有处理复杂频谱谐波的能力。 ⑥容易过载而产生危险
课程名称：电路与电子技术实验II 指导老师：沈连丰成绩：__________________ 实验名称：有源滤波器设计实验类型：________________同组学生姓名：__________ 一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤 五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填） 七、讨论、心得 一、实验目的和要求 1、掌握有源滤波器的分析和设计方法。 2、学习有源滤波器的调试、幅频特性的测量方法。 3、了解滤波器的结构和参数对滤波器性能的影响。 4、用EDA仿真的方法来研究滤波电路，了解元件参数对滤波效果的影响。 二、实验内容和原理 1、滤波器的5个主要指标： (1) 传递函数A v(s) ：反映滤波器增益随频率的变化关系，也称为电路的频率响应、频率特性。 (2) 通带增益A v p：为一个实数。（针对LPF）、（针对HPF）、（针对BPF）、（针对BEF）。 (3) 固有频率f0：也称自然频率、特征频率，其值由电路元件的参数决定。 (4) 通带截止频率f p：滤波器增益下降到其通带增益A v p 的0.707倍时所对应的频率（也称–3dB 频率、半功率点、上限频率（ωH 、f H ）或下限频率（ωL 、f L ）。 (5) 品质因数Q：反映滤波器频率特性的一项重要指标，不同类型滤波器的定义不同。例如，在低通和高通滤波器中，定义为当时增益的模与通带增益之比。 2、有源滤波器的设计流程： 设计一个有源低通滤波器时，一般可以先按照预定的性能指标，选择一定的电路形式，然后写出电路的电压传递函数，计算并选定电路中的各个元器件参数。最后再通过实验进行调试，确定实际的器件参数。 三、实验器材 运放LM358、 四、操作方法和实验步骤 1、实验内容 (1) 在实验板上安装所设计的电路。 (2) 有源滤波器的静态调零。 (3) 测量滤波器的通带增益A v p、通带截止频率f p。 (4) 测量滤波器的频率特性（有条件时可使用扫频仪）。 (5) 改变电路参数，研究品质因数Q 对滤波器频率特性的影响。 2、设计一个二阶有源低通滤波器。具体要求如下： (1) 通带截止频率：f p=1kHz；
课程设计(论文)说明书 题目：有源低通滤波器 院（系）：信息与通信学院 专业：通信工程 学生姓名： 学号： 指导教师： 职称： 2010年 12 月 19 日
摘要 低通滤波器是一个通过低频信号而衰减或抑制高频信号的部件。理想滤波器电路的频响在通带内应具有一定幅值和线性相移，而在阻带内其幅值应为零。有源滤波器是指由放大电路及RC网络构成的滤波器电路，它实际上是一种具有特定频率响应的放大器。滤波器的阶数越高，幅频特性衰减的速率越快，但RC网络节数越多，元件参数计算越繁琐，电路的调试越困难。根据指标，本次设计选用二阶有源低通滤波器。 关键词：低通滤波器；集成运放UA741；RC网络 Abstract Low-pass filter is a component which can only pass the low frequency signal and attenuation or inhibit the high frequency signal . Ideal frequency response of the filter circuit in the pass band should have a certain amplitude and linear phase shift, and amplitude of the resistance band to be zero. Active filter is composed of the RC network and the amplifier, it actually has a specific frequency response of the amplifier. Higher the order of the filter, the rate of amplitude-frequency characteristic decay faster, but more the number of RC network section, the more complicated calculation of device parameters, circuit debugging more difficult. According to indicators ，second-order active low-pass filter is used in this design . Key words：Low-pass filter；Integrated operational amplifier UA741；RC network,
一．项目意义与目标 意义：本项目通过一个比较综合的、能覆盖《模拟电子技术》这门课程的大部分内容的三级项目，使我们能将整个课程的内容串联起来，实现一个系统的功能，巩固整个课程的学习内容，为以后学习和设计提供良好的模拟电子线路知识。本次有源滤波器设计主要注重的是电子电路的设计、仿真，意在培养学生正确的设计思想方法以及思路，理论联系实际的工作作风，在加深对知识的理解基础上，进一步培养学生综合运用所学知识与生产实践经验，分析和解决工程技术问题的能力。 目标：掌握有源滤波器的分析和设计方法，学习有源滤波器的调试、幅频特性的测量方法，通过仿真的方法来研究滤波电路，了解元件参数对滤波效果的影响，尝试着制作实物来验证理论以及仿真求得的结果并比较三者之间的差距。 二．项目内容与要求 内容：滤波器是一种能够使有用频率信号通过，而同时抑制（或衰减）无用频率信号的电子电路或装置，在工程上常用它来进行信号处理、数据传送或抑制干扰等。有源滤波器是由集成运放、R、C组成，其开环电压增益和输入阻抗都很高，输出阻抗又低，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用，但因受运算放大器频限制，这种滤波器主要用于低频范围。 要求：在模电课程对有源滤波器所学到的知识的基础上，设计出一阶低通有源滤波电路，一阶高通滤波电路，二阶低通滤波电路，二阶高通滤波电路，二阶带通滤波电路，二阶带阻滤波电路。研究和设计其电路结构、传递函数，并对有关参数进行计算，再利用multisim 软件进行仿真，组装和调试各种有源滤波器，探究其幅频特性。经过仿真和调试，观察效果。由滤波电路的曲线可以看出通带的电压放大倍数、通带上限截止频率，下限截止频率，特征角频率等的实际值，与计算出的理论值相比较，分析误差。
有源滤波器设计任务书 一、设计目的 1. 熟悉二阶有源滤波电路幅频特性和相频特性。 2. 掌握二阶有源滤波电路的快速设计方法。 3. 掌握二阶有源滤波电路的调试及其幅频特性和相频特性的测试方法。 二、使用仪器与器材 信号发生器；双线示波器；万用表；直流稳压源；实验电路板；元器件若干。 三、设计任务 图中所示为无限增益多路反馈电路的一般形式,请选择适当类型无源元件Y1～Y5,以构成低通滤波器和高通滤波器 1. 请设计一个二阶1dB无限增益多路反馈切比雪夫低通滤波器，通带增益Kp=2，截止频率fc=5kHz，画出电路图。 2. 请设计一个二阶1dB无限增益多路反馈切比雪夫高通滤波器，通带增益Kp=2 截止频率fc=2kHz，画出电路图。 ● 以上工作请在实验课前完成。写在实验报告中。 四、设计步骤 1. 按设计所确定的电路参数，在实验接插板上放入器件，连接低通滤波器（注意连接可靠，正确） 2．将信号发生器的输出信号电压幅值调到1V，接入低通滤波器的输入端，并调整信号源的频率，在低通滤波器输出端测量所对应的幅值。（可用示波器或交流毫伏表测试，并计录输入频率值和所对应的输出幅值，测量10～12 点。） 3．用示波器李沙育图形测试低通滤波器的相频特性，测量10～12 点。 4．进行高通滤波器的电路连接及幅频特性和相频特性测试。测试方法同上。
五、设计报告要求与思考题 1. 复习并掌握滤波器的工作原理，设计方法及应注意问题。 2. 画出所设计的低通滤波器、高通滤波器的电路图。并注明元件参数。 3. 画出幅频特性与相频特性测试原理图，说明测试方法与步骤。 4. 以表格形式分别给出低通滤波器与高通滤波器的幅频特性与相频特性测试数据，并画出其特性曲线。 5. 如果将低通滤波器与高通滤波器相串联，得到什么类型的滤波器，其通带与通带增益各为多少？画出其特性曲线。也可在实验中予以观测和证实。 6. 为构成所得类型的滤波器，对低通滤波器与高通滤波器的特性有无特 定要求。二者哪个在前有无关系？ 附录： 1．几种滤波器原理图、幅频特性
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
低通无源滤波器仿真与分析 一、滤波器定义 所谓滤波器（ filter ），是一种用来消除干扰杂讯的，对输入或输出的信号中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。一般可实为一个可实现的线性时不变系 统。 二、滤波器的分类 常用的滤波器按以下类型进行分类。 1)按所处理的信号： 按所处理的信号分为和两种。 2)按所通过信号的频段 按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。 低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。 高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。 带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。 带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。 3)按所采用的元器件 按所采用的分为无源和两种。 ：仅由 (R、L 和 C)组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的随频率的变 化而变化的构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供 电，可靠性高；是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时 容易引起电磁感应，当电感 L 较大时滤波器的和重量都比较大，在低频域不适 用。 有源滤波器：由无源元件 (一般用 R 和 C)和(如集成运算放大器）组成。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽 (由于不使用电感元件）；缺点是：通带范围受有源器件 (如集成运算放大器）的带宽限制，需要直流电源供电，可 靠性不如无源滤波器高，在、高频、大功率的场合不适用。 4)按照阶数来分 通过传递函数的阶数来确定滤波器的分类。 三、网络的频率响应 在时域中，设输入为x(t ) ，输出为 y(t ) ，滤波器的脉冲响应函数为h(t ) 。转换到频域，激励信号为X ( j ) ，经过一个线性网络得到的响应信号为Y( j) 。
一一收稿日期:2013-10-21基金项目:西北民族大学中央高校基本科研业务费专项资金资 助项目(31920130013) 作者简介:王彩霞(1974),女,河南荥阳人,硕士,副教授,主要研究方向为控制理论,计算机控制系统分析设计等三 基于DSP 的有源电力滤波器设计 王彩霞,周志文 (西北民族大学电气工程学院,兰州730030) 一一摘要:随着非线性负载的大量接入和电力系统自身的发展,电力系统中的谐波污染日益严重,谐波影响着电力系统的可靠二安全二经济运行,同时对电力用户也造成潜在的威胁三该文设计了以TMS320F2812型DSP 为核心的有源电力滤波器对电力系统的谐波进行了补偿三完成硬件电路的搭建和软件程序编制,对性能二参数进行了测试,测试结果表明设计的滤波器具有电路结构简单二补偿效果好等优点三 关键词:有源电力滤波器;谐波;DSP ;电压矢量控制 中图分类号:TM46一一文献标志码:A一一文章编号:1000-0682(2014)04-0023-03 The design of active power filter based on DSP WANG Caixia,ZHOU Zhiwen (College of Electric Engineering ,Northwest Minorities University ,Lanzhou 730030,China ) 一一Abstract :Along with the access of nonlinear load and the development of electric power system,the harmonic pollution in power system is deteriorating.Harmonic not only affects the reliability,safety and economic operation of power system but also poses potential risks to power users.An active power filter with TMS320F2812DSP as the core is designed for harmonic compensation for power system.After the hardware circuit configuring,software programming and circuit debugging,the system performances and parameters are tested and studied.The testing results show that the designed filter has the advantages of simple circuit structure and good compensation effect. 一一Key words :active power filter(APF);harmonic;DSP ;voltage vector control 0一引言 电力系统中谐波的产生有两个原因,一个是由接入系统的非线性负载产生的,这类负载的伏安特性不是线性的,即使加在其两端的电压是理想的正弦,通过的电流也不是正弦,含有谐波,使得电力系统的电能质量受到了严重影响三另一个是电力系统自身的发展所产生的,如高压直流输电技术的应用,对电力系统带来的污染也日益严重三随着电力系统自身的发展和用电设备的不断更新,预计谐波对终端用户侧的影响将会越来越严重三因谐波干扰所引发的公用电网供电质量日趋恶化,严重的威胁着整 个电力系统的可靠运行[1]三 传统的抑制谐波的方法是无源滤波技术,由电 阻二电力电容器和电抗器等器件构成LC 无源滤波器,与需要补偿的负载并联三无源滤波器具有结构简单二使用方便的优点,但也存在如LC 滤波器只能抑制固定次的谐波,且在一定频率谐波条件下会产生谐振,反而使谐波放大,LC 滤波器滤波特性受系统参数的影响较大等缺点三尽管如此,LC 滤波器仍然是目前补偿谐波主要方法三 近几年随着电力电子技术的发展,出现了用电力电子变流器构成有源电力滤波器(Active Power Filter,简称APF)对电力系统的谐波进行补偿三与传统无源滤波器相比,有源滤波器具有如下明显的 优越性能: 1)能够迅速地对变化的谐波进行动态跟踪补偿,补偿效果不受电网特性的影响,不会和电网发生谐振,补偿后畸变率很低且功率因数接近1; 四 32四2014年第4期一一一一一一一一一一一一一一一工业仪表与自动化装置
湖南工学院模拟电子技术 课程设计说明书 课题 RC有源滤波器设计_ 专业__电气自动化技术_ 班级________ 姓名_ 学号 指导教师_________ 设计组成员:
前言 随着计算机技术的发展，模拟电子技术已经成为一门应用范围极广，具有较强实践性的技术基础课程。电子电路分析与设计的方法也发生了重大的变革，为了培养学生的动手能力，更好的将理论与实践结合起来，以适应电子技术飞速的发展形势，我们必须通过对本次课程设计的理解，从而进一步提高我们的实际动手能力。 滤波器在日常生活中非常重要，运用非常广泛，在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的滤波器。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种滤波器。用集成电路实现的滤波器与其他滤波器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。 滤波器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。现在我们通过对滤波器器的原理以及结构设计一个能够低通、高通、带宽、阻带等多种形式的滤波器。我们通过对电路的分析，参数的确定选择出一种最合适本课题的方案。在达到课题要求的前提下保证最经济、最方便、最优化的设计策略。按照设计的方案选择具体的元件，焊接出具体的实物，并在实验室对事物进行调试，观察效果是否与课题要求的性能指标作对比。最后分析出现误差的原因以及影响因素。
设计任务书 一、设计目的 1、学习RC有源滤波器的设计方法； 2、由滤波器设计指标计算电路元件参数； 3、设计二阶RC有源滤波器(低通、高通、带通)； 4、掌握有源滤波器的测试方法； 5、测量有源滤波器的幅频特性。 二、设计要求和技术指标 1、技术指标 (1) 低通滤波器：通带增益AUF=2；截止频率fH =2000Hz；Ui=100mV；阻带衰减：不小于-20dB/10倍频； (2) 高通滤波器：通带增益AUF=5；截止频率fL =100Hz；Ui=100mV； 阻带衰减：不小于-20dB/10倍频； (3) 带通滤波器：通带增益AUF=2；中心频率：fO =1kHz；Ui=100mV；阻带衰减：不小于-20dB/10倍频。 2、设计要求 （1）分别设计二阶RC低通、高通、带通滤波器电路，计算电路元件参数，拟定测试方案和步骤； （2）在面包板或万能板上安装好电路，测量并调整静态工作点； （3）测量技术指标参数； （4）测量有源滤波器的幅频特性并仿真； （5）写出设计报告。 三、设计报告要求 1、列出设计步骤，画出电路，标出元件数值； 2、比较实测指标和设计要求指标； 3、列出测试数据表格； 4、分析有源滤波器的幅频特性 5、进行仿真。
课程设计报告 题目：有源滤波器的设计 院（系）：南湖学院机电系 专业：电子信息工程 学生姓名：陈知 欧阳维俊 学号：24122201272 24122201254 指导教师：陈松 2014年4月22 日
目录 1设计任务 (2) 2 设计要求 (2) 3设计说明 (2) 4设计原理 (2) 5 制板及调试 (5) 5.1 DXP注意事项 (5) 5.2 制作pcb板的流程 (5) 5.３调试 (6) 6课程设计总结 (7) 附录 (9)
一、设计任务 1、设计一滤波； 2、已知某一信号含有两种成分：1000Hz、0.5V和10000Hz、5V两种正弦波信号由滤波器设计指标计算电路元件参数； 3、设计滤波器有效分离两种信号。 二、设计要求 1、设计1000Hz、0.5V和10000Hz、5V两个信号源； 2、设计一加法器，将产生的两个信号相加； 3、两信号源的误差不超过1%； 4、加法器输入端接地时，其输出噪声小于10mV； 5、最终分离的信号的幅度与原信号幅度之差不大于100mV。 三、设计说明 1、放大器可选用LM324、NE553 2、TL062\TL082等； 2、注意预留测试端子。 四、设计原理 有源滤波器: 一般由集成运放与RC网络构成，它具有体积小、性能稳定等优点，同时，由于集成运放的增益和输入阻抗都很高，输出阻抗很低，故有源滤波器还兼有放大与缓冲作用。利用有源滤波器可以突出有用频率的信号，衰减无用频率的信号，抑制干扰和噪声，以达到提高信噪比或选频的目的，因而有源滤波器被广泛应用于通信、测量及控制技术中的小信号处理。从功能来讲有源滤波器分为：低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）、全通滤波器（APF）。其中前四种滤波器间互有联系，LPF与HPF间互为对偶关系。当LPF的通带截止频率高于HPF的通带
目录 1 设计相关知识介绍[1] (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[2] (2) 3 APF基本组成部分 (5) 3.1 主电路 (5) 3.1.1 P WM控制的基本原理[3] (5) 3.1.2主电路结构 (7) 3.2 指令电流运算部分[4] (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[3] (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) (13) 图3-10 三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形 (13) 3.4 驱动电路[5] (13) 4 心得体会 (14) 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