基于MATLAB的有源滤波器的设计与仿真

1 滤波器的基本概念1.1 滤波原理滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。

在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。

广义地讲，任何一种信息传输的通道（媒质）都可视为是一种滤波器。

因为，任何装置的响应特性都是激励频率的函数，都可用频域函数描述其传输特性。

因此，构成测试系统的任何一个环节，诸如机械系统、电气网络、仪器仪表甚至连接导线等等，都将在一定频率范围内，按其频域特性，对所通过的信号进行变换与处理。

按照滤波器处理信号的性质分为，模拟滤波器和数字滤波器。

本文所述内容属于模拟滤波范围。

主要介绍模拟滤波器（连续时不变系统）原理、种类、数学模型、主要参数、ＲＣ滤波器设计。

尽管数字滤波技术已得到广泛应用，但模拟滤波在自动检测、自动控制以及电子测量仪器中仍被广泛应用。

1.2 滤波器分类1.2.1根据滤波器的选频作用分类⑴ 低通滤波器从c 0~ω频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于c ω的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f 2的频率成分受到极大地衰减。

图1.1 低通滤波器 图1.2 高通滤波器 ⑵高通滤波器 与低通滤波相反，从频率c ~ω∞，其幅频特性平直。

它使信号中高于c ω的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于c ω的频率成分将受到极大地衰减。

⑶带通滤波器它的通频带在~CL CN ωω之间。

CN ω它使信号中高于而低于CL ω的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减。

⑷带阻滤波器与带通滤波相反，阻带在频率~CL CN ωω之间。

它使信号中高于CL ω而低于CN ω的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。

图1.3 带通滤波器 图1.4 带阻滤波器 低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器，例如：低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器，低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器。

目录1引言 (1)2 关于MATLAB (1)3 数字滤波的基本概念 (2)4设计方案 (3)4.1数字滤波器设计的基本步骤 (3)4.1.1确定指标 (3)4.1.2模型逼近 (3)4.1.3实现性能分析和计算机仿真 (3)4.2基于MATLAB的FIR数字滤波器的设计与仿真 (3)4.3基于MATLAB的IIR数字滤波器的设计 (7)4.3.1 IIR数字滤波器的设计原理 (7)4.3.2 IIR数字滤波器的传统设计方法 (7)4.3.3 IIR数字滤波器的设计 (8)4.3.4 IIR数字滤波器的程序设计 (9)4.3.5 IIR数字滤波器的仿真 (10)5 FIR数字滤波器与IIR数字滤波器的比较 (11)6 结论 (12)参考文献 (13)数字滤波器是一个离散系统。

该系统能对输入的离散信号进行处理，从而获得所需的有用信息。

现代数字滤波器的设计大体可以分为IIR和FIR两大类，可以用软件和硬件两种方法来实现，而选用MATAB信号处理工具箱为设计通用滤波器带来了极大的方便。

本文按设计指标要求设计了滤波器，其中IIR采用巴特沃什，FIR采用布莱克曼窗进行设计，得出了与之对应的幅度响应曲线和相位响应曲线，最后对IIR和FIR的实现形式和性能等方面进行比较。

关键词：MATLAB；IIR；FIRThe digital filter is a discrete system. The system can be able to handle discrete signals. So it can achieve required important information.There are two major kinds of design principle of digital filter, which are finite impulse response (FIR) and infinite impulse response (IIR). The modern digital filter can be received by two kinds of method of software and hardware. But using MATLAB signal disposing tool case to design the digital filter is more convenient and universally applied.The main body of the paper is demanded to design a digital filter according to the designing index. IIR adopts Butterworth and FIR adopts the Blackman window to design the digital filter. Finally, carry out comparison on IIR and the FIR realization and function aspect.Key words: MATLAB; IIR; FIR1引言理想滤波器就是一个让输入信号中的某些有用频谱分量无任何变化的通过，同时又能完全抑制另外那些不需要的成分的具有某种选择性的器件、网络或计算机硬件支持的计算程序。

山东科技大学电工电子实验教学中心
创新性实验结题报告
实验项目名称＿基于matlab的数字滤波器设计及滤波仿真＿
三个正弦信号用三种方法进行滤波分离
1.编程法、
2.Simulink、
3.SPTool法与FDATool法
参数设计：自上而下分别是频率为20Hz、200 Hz、100 Hz，三个滤波器分别为低通滤波器，高通滤波器和带通滤波器。

左边对原信号机进行观测，右边对滤波后的信号进行观测
(3) SPTool和FADtool应用：
①：SPTool主界面
②导入原始信号数据
③原始信号：
④设计低通滤波器：
⑤设计高通滤波器：
⑥设计带通滤波器：
五、实验结果与分析
1、实验现象、数据记录
(1)Matlab程序设计：
(2)Sinmulink仿真：
*上图左边为经过低频滤波器滤波后的低频信号，右边为原低频信号
*上图左边为经过高频滤波器滤波后的低频信号，右边为原高频信号
*上图左边为经过带通滤波器滤波后的中频信号，右边为原中频信号
(3) SPTool和FADtool应用：
低通滤波后的信号：
高通滤波后的信号：
带通滤波后的信号：
指导教师签名：
年月日
六、指导老师评语及得分：
七、中心意见：。

目前，对有源电力滤波器的研究越来越广泛。

一方面，研究者众多，不仅有高等院校、研究所，而且也有许多电力局、大型企业等；另一方面，研究涉及谐波检测方法、控制策略、PWM 波的形成等有源滤波技术的各个方面，对谐波检测控制方法和谐波检测电路的实现方法研究尤其活跃，出现了许多新的方法，这些方法都是旨在提高谐波检测的实时性和检测精度，因为谐波检测方法及谐波检测电路的实时性和检测精度对有源电力滤波器的滤波性能起着决定性的作用。

本文将使用Simulink 来建立并联型有源电力滤波器的仿真模型，然后对仿真结果进行分析。

1有源电力滤波器的原理及分类1．1有源电力滤波器的基本原理有源电力滤波器分为串联型和并联型两种。

串联型有源滤波器是向串联变压器副边注入基波补偿电流。

使串联变压器对电网基波电流呈低阻抗。

对谐波电流呈高阻抗。

从而抑制谐波；并联型有源滤波器是向电网注入与负载的无功和谐波电流大小相等、方向相反的电流来补偿无功和抑制谐波。

并联型有源电力滤波器的系统框图如图1所示（电感、电容等电路元件均包含在主电路中），其工作原理为：指令电流运算电路在检测到负载电流后，通过运算把负载电流信号中的谐波电流、无功电流及负序电流和零序电流检测出来,然后把这些电流信号转换成相应的变流器触发信号，再通过电流跟踪控制电路形成触发脉冲去驱动变流器，使变流器产生的电流为上述电流之和，极性相反，再回注入电网，则电网中的谐波电流、无功电流、负序电流和零序电流被抵消为零，只剩下基波有功正序电流。

1．2有源电力滤波器的分类有源电力滤波器分类的方法很多，可以按照接入电网的方式、变流电路的结构、补偿系统的相数、补偿对象交直流性来分类。

按接入电网的方式分为并联型、串联型和混合型；按变流电路的结构分为电流型和电压型；按补偿的相数可以分为单相、三相三线、三相四线；按补偿对象交直流性分为直流APF 和交流APF 。

根据APF 与电力系统的连接方式可将其分为并联型、串联型及串－并联混合型。

基于MATLAB的有源三相滤波器的设计基于MATLAB的有源三相滤波器的设计东北大学本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书基于MATLAB 的三相滤波器的设计摘要电能作为现代社会的重要能源之一，广泛应用于工农业生产、人民生活、国防科技等各个领域。

随着电力电子技术的发展，大量的非线性负载和各种整流设备被广泛的应用于各行各业，使电网谐波含量大大增加，电能质量下降。

所以，抑制谐波污染、改善供电质量成为迫切需要解决的问题。

目前，随着电力电子技术的飞速发展，采用有源电力滤波器动态抑制谐波成为重要的发展方向，它能克服传统LC 滤波器的缺陷。

有源电力滤波器是一种新型谐波、无功补偿装置，和传统的LC 滤波器相比，有源电力滤波器可以对谐波、无功以及负序电流实现实时、准确的补偿。

因此，有源电力滤波器有广阔的应用前景，进行有源电力滤波器的研究和开发工作具有非常重要的意义。

本文以并联电压型有源电力滤波器作为研究对象，系统地分析了并联电压型有源电力滤波器的工作原理、补偿特性等问题。

深入研究了基于瞬时无功功率理论的p q -法、基于瞬时无功功率理论下的改进型谐波电流检测的p q i i -法，对并联型有源电力滤波器的三角波载波控制、电流滞环跟踪控制等电流控制策略进行了研究，并对传统的电流滞环跟踪控制进行了改进，同时引入直流侧电压反馈控制环节，以保证有源电力滤波器具有良好的补偿跟随特性，通过理论分析比较了各自的特点。

本文还利用MATLAB/SIMULINK 进行有源三相滤波器的仿真，仿真结果表明，有源电力滤波器能够对谐波电流起到了较好的补偿作用，具有较好的动态补偿特性。

关键词： 有源三相滤波器、谐波电流、瞬时无功功率理论、MATLAB目录毕业设计（论文）任务书 (I)摘要 (II)MATLAB-based three-phase filter design ............... 错误！未定义书签。

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。

该系统包括指令电流运算、PWM控制和驱动电路模块。

在MATLAB中建立了各个子模块的仿真模型和并联型有源电力滤波器的整体仿真模型。

仿真结果表明,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；谐波检测；MATLAB/SIMULINK仿真Design of Active Power Filter Based on MATLABAbstractWith the development of power electronic device the increasingly widespread application of power electronic device, which has resulted in a nonlinear network contains a large number of harmonics, the harmonic of power systems has brought serious pollution, serious harm to the electrical equipment and the stable running of the communication system. although the traditional passive power filter has the advantages of simple structure, low cost, mature technology, low running costs, but it also has some disadvantages, such as only the inhibition of stationary harmonics, and a harmonic under certain conditions and the grid impedance resonance instead of the harmonic amplification.Currently, the harmonic suppression is an important trend of active power filters, active power filter is a power electronic devices, and related technologies are increasingly become a hot topic. This paper describes the topology and their advantages and disadvantages of several common APF, a detailed analysis of the harmonic detection method based on instantaneous reactive power theory, and proportional control and feedforward control of two current-loop control strategy, and both SPWM and SVPWM modulation strategy. Introduced the basic principles and structure of the active power filter, and design of a shunt active power filter control system. The system consists of the command current operation, PWM control and drive circuit module. Simulation model of the various submodules and parallel active power filter simulation model in MATLAB. The simulation results show that the harmonic suppression and reactive power compensation to achieve good results, is technically feasible.Key words:Active power filter; harmonic; harmonic detection; MATLAB / SIMULINK Simulation目录论文总页数：25页1.1课题背景 (1)1.1.1谐波基本概念 (1)1.1.2谐波主要危害： (1)1.2国内外研究现状 (3)1.3本课题研究的意义 (3)1.4本课题研究方法 (4)1.5本文研究的内容 (4)2.有源电力滤波器 (4)2.1抑制谐波方法 (2)2.2 APF的工作原理和结构 (4)2.2.1 APF的基本原理和种类 (5)2.3 APF的谐波检测方法 (6)2.3.1 基于频域的检测方法 (6)2.3.2 瞬时空间矢量法 (6)2.3.3 有功分离法 (6)2.3.4 自适应检测法 (7)2.3.5 同步测定法 (7)2.4 APF的补偿电流控制方法 (7)2.4.1 三角载波控制 (7)2.4.2 滞环比较控制 (7)2.4.3 变结构控制 (7)2.4.4 无差拍控制与差拍控制 (8)2.4.5 单周控制（又称积分复位控制） (8)2.4.6 空间矢量调制 (8)3．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)3.1.1 瞬时无功理论定义 (8)3.1.2三相电路谐波和无功电流实时检测 (10)3.2 SVPWM调制策略 (11)4.电力有源滤波器的仿真实现 (15)4.1 源电力滤波器仿真模型的建立 (15)4.1.1 APF的系统仿真模型 (15)4.1.2 非线性负载模型 (15)4.1.3 谐波检测模型 (16)4.1.4 PWM信号的产生 (18)4.2仿真结果 (19)结论 (22)参考文献 (22)致谢 (23)声明 (24)1．引言电能是现代社会的主要能源之一，在各行各业中有着广泛的应用，电能质量的好坏直接关系到国民经济的总体效益。

基于matlab的电力系统有源滤波器设计有源滤波器常用于电力系统中的谐波补偿。

下面是一个简单的基于matlab的有源滤波器设计示例：1. 系统模型首先，我们需要建立电力系统的模型。

假设我们要设计一个谐波滤波器来补偿电网中的第5次谐波。

系统模型如下图所示：其中，U1是电网电压，U2是负载电压，L和C分别是电路中的电感和电容。

Vin是有源滤波器的输入电压，Vout是输出电压，R是有源滤波器中的电阻，G 是电容的导纳，s是Laplace算子。

2. 控制器设计有源滤波器的控制器通常使用PI控制器和H∞控制器。

这里我们选择使用PI控制器。

PI控制器的传递函数为：Kp + Ki/s其中，Kp是比例增益，Ki是积分增益。

3. 滤波器设计有源滤波器的设计通常是在仿真中进行的。

我们使用simulink工具箱来进行仿真。

以下是有源滤波器的设计步骤：- 设置系统参数为了方便起见，我们首先设置了一些系统参数。

以下是参数列表：- 电网电压：400V- 电阻：0.01Ω- 电容：200μF- 电感：10mH- 负载电阻：10Ω- 有源滤波器输入电压：20V- 积分时间常数：0.001s- 比例增益：0.5在simulink中，我们使用Signal Builder模块来产生模拟信号，如下图所示：- 建立系统模型我们使用simulink模块建立电力系统模型，如下图所示：通过调整控制器的比例增益和积分增益，我们可以使滤波器输出的电压与需补偿的谐波相位相同，如下图所示：最终输出的谐波滤波器电压与需补偿的谐波电压相消，进一步将系统中的谐波降到可接受的水平，如下图所示：通过这个例子，我们可以看到使用simulink进行有源滤波器设计的基本步骤。

在实际应用中，我们需要根据具体情况进行参数调整和系统优化。