三相四线制电路中的瞬时无功功率及有源电力滤波器

谐波检测的应用与发展电力是现代人类社会生产与生活不可缺少的一种主要能源形式。

随着电力电子装置的应用日益广泛，电能得到了更加充分的利用。

但电力电子装置带来的谐波问题对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，给周围电气环境带来了极大影响。

谐波被认为是电网的一大公害，对电力系统谐波问题的研究已被人们逐渐重视。

谐波问题涉及面很广，包括对畸变波形的分析方法、谐波源分析、电网谐波潮流计算、谐波补偿和抑制、谐波限制标准以及谐波测量及在谐波情况下对各种电气量的检测方法等。

谐波检测是谐波问题中的一个重要分支，对抑制谐波有着重要的指导作用，对谐波的分析和测量是电力系统分析和控制中的一项重要工作，是对继电保护、判断故障点和故障类型等工作的重要前提。

准确、实时的检测出电网中瞬态变化的畸变电流、电压，是众多国内外学者致力研究的目标。

常规的谐波测量方法主要有：模拟带通或带阻滤波器测量谐波基于傅里叶变换的谐波测量；基于瞬时无功功率的谐波测量。

但是，各种基本方法在实际运用中均有不同程度局限及缺点。

针对这一问题，在以上各种方法基础上的拓展和改进方法应运而生，本文着重介绍近几年来的一些新兴的谐波测量方法。

改进的傅里叶变换方法傅里叶变换是检测谐波的常用方法，用于检测基波和整数次谐波。

但是傅里叶变换会产生频谱混叠、频谱泄漏和栅栏效应。

怎样减小这些影响是研究的主要任务，通过加适当的窗函数，选择适当的采样频率，或进行插值，尽量将上述影响减到最小。

延长周期法［1］是在补零法的基础上，把在一个采样周期内采到的N 个点扩展任何整数倍。

他的表达式为：与传统的补零法相比，既简化了步骤，又可以获得同样准确或更准确的频谱图。

在达到同样的0.973 5分辨率情况下，测量起来步骤更简洁，而且频谱图更准确。

基于Hanning窗的插值FFT算法［2］基于Hanning窗的电网谐波幅值、频率和相位的显示计算公式：仿真结果证明，应用上述分析结果，电网谐波幅度、频率和相位的估计达到了预期的分析精度。

三相四线制有源电力滤波器的控制方法研究摘 要：并联型电力有源滤波器是 一种应用广泛的谐波抑制和无功补偿装置。

本文采用基于时域变换的谐波电流检测算法(TTA),并将滑动平均值滤波应用于该算法中。

通过建立仿真模型，对 TTA 和ip-iq 法谐波电流的检测效果及有源滤波器系统的控制进行了仿真分析。

结果表明采用滑动均值滤波的TTA 算法能够快速、准确地检测出谐波和无功电流。

关键词：三相四线;有源电力滤波器;谐波检测;滑动平均值滤波1.引言在低压配电网中广泛采用了三相四线制系统。

由于各种电能变换装置的应用以及中性线的存在，零序电流在中性线上相互叠加，会使得中性点偏移，三相 电流不对称，也会导致中线电流大大超过它的额定值，造成中线故障;另一方面使得变压器过热，导致绝缘破坏，同时还会造成中线对地电势的提升。

有源电力滤波 器(Active Power Filter，APF)因为能够根据不同的目的实现灵活的动态补偿且不容易和电网阻抗发生谐振，在三相四线制系统中已经得到了广泛的应用谐波及无功电流的 检测和补偿电流的控制都是有源滤波器应用中的关键技术，检测算法中使用的低通滤波器又是影响检测精度与速率的关键因素。

传统谐波检测多采取使用普通低通滤 波器(LPF)的ip-iq 法，但是其计算量较大，稳态精度和动态性能不够理想。

本文采用基于时域变换的谐波电流检测算法(Time-domain based Transform Algorithm，TTA)【1】，并将滑动平均值滤波技术应用到该算法中，可以有效地改善谐波检测的动、稳态性能。

补偿电流的控制采用滞环比较法，该 方法原理简单，响应速度快，且不含有特定频率谐波分量。

2.谐波及无功电流检测原理将负载电流通过计算得到期望的基波正序有功电流，再与负载电流相减取反，即可得到谐波和无功电流。

基于这种思想，目前谐波和无功的检测主要有以下几种方法【2】：(1)采用模拟滤波器的谐波检测方法;(2)基于傅立叶变换的谐波检测方法;(3)基于小波分析的谐波检测方法;(4)基于神经网络的谐波检测方法;(5)基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法;(6)基于时域变换的谐波电流检测法。

基于三电平逆变器的三相四线制有源电力滤波器摘要：本文中介绍了一种基于三电平中点箝位逆变器的三相四线制有源电力滤波器。

这种有源电力滤波器和控制器以及消除谐波在所有三个阶段中性线电流。

有的中性点钳位逆变器的三相三线制用于三相四线制系统的，因为分裂的直流电容器提供一个中立的连接。

分裂直流电容电压调节和平衡，提出新的控制使用标志立方滞后控制器。

控制方法识别的谐波基于滞环控制开关表选择开关状态电流快速傅立叶变换。

仿真和实验结果验证了三相四线制有源电力滤波器的可行性。

1导言近年来，线电流谐波问题是电力系统要解决的最重要的问题之一。

谐波电流在正弦线电压的情况下，不利于有功功率[1]。

这同样适用于无功电流。

不受欢迎的电流元件电力系统造成压力，产生不安的基波和谐波的网络阻抗的电压下降。

有源电力滤波器（APF）是一种通过注入与谐波电流相反的补偿电流来消除不需要的电流分量。

配电系统本质上是不平衡的，因为负载通常是非常动态的，随时间变化。

因此，保持完美的平衡波形一定的限度内的配电电压是相当困难的。

此外，如果是不平等的加载阶段，它们产生的不需要的负序和零序电流。

在非线性的电压和电流，谐波电流，有功功率的贡献。

负序会导致过度加热机，变压器饱和，和纹波在整流器[2][3]。

零序电流造成不仅在中性线的权力过大损失，但也降低保护电路[3]。

Z字形变压器的中性电流（零序电流）减少，常常被聘用，并利用它可以通过改善零阻塞变压器[4]。

但是，这个方案有几个缺点。

一个更好的解决方案，以减少中性线电流是利用在四线制APF的。

在本文中，三个层次的中点钳位（人大）电压源逆变器（VSI）“[5]的APF使用。

其优点是众所周知的一代的交流电压和电流极低的谐波失真，共模（CM）的部分，以及较低的开关频率和功率损耗。

APF的基于三电平逆变器的成本，可以减少使用具有较低的电感值的被动元件，根据开关频率平等[6]的条件。

NPC逆变器，广泛应用于三相三线制的申请，有分裂的直流电容器的结构。

三相电力系统中的广义瞬时无功功率理论摘要该篇论文讲述了三相电力系统中广义上的瞬时无功功率理论。

该理论给出了瞬时无功功率的一般定义，适用于任何三相电力系统，不论正弦或非正弦，平衡或不平衡以及是否含有零序电流和电压。

并且详细论述了新定义的瞬时无功功率的特性和物理意义，然后又以含零序的三相滤波器为例来说明如何用该理论来计算和补偿无功功率。

1.引言对于正弦电压和正弦电流的单相电力系统来说，有功功率，无功功率，有功电流，无功电流、功率因数等参数都是基于平均值的概念。

很多学者都试图重新定义上述参数来处理不平衡以及电压、电流发生畸变的三相系统。

其中，引入了一个有用的瞬时无功功率的概念，它提供了一个有效的方法可以不用储存能量就能补偿三相电力系统的瞬时无功功率分量。

但是这个瞬时无功功率理论仍然在概念上仍然受[2]中所列出的限制，即该理论只是对于不含零序电流和零序电压的三相系统是完整的。

为了解决这个限制和其他问题，提出了一个新方法来定义瞬时有功电流和瞬时无功电流。

但是，他的方法是把电流分解成正交的分量，而不是分解功率。

这篇论文提出了三相电力系统的瞬时无功功率的一般理论，该理论给出了瞬时无功功率的一般定义，适用于任何三相电力系统，不论正弦或非正弦，平衡或不平衡，以及是否含有零序电流和电压。

下面介绍这个理论的一些性能。

2.三相系统的瞬时无功功率的定义图1 三相电路的结构对于图1所示的三相电力系统，瞬时电压和瞬时电流表示成瞬时空间矢量v和i ，也就是图2 三相的相量图图2给出了互相垂直的三相坐标图，依次记为a相，b相，c相。

这个三相电路的瞬时有功功率p可以写成这里表示点乘或者矢量的内积。

公式（2）也可以写成传统的定义式这里，我们定义一个新的瞬时空间矢量为q ,这里表示矢量的叉乘。

矢量q代表这个三相电路的瞬时无功功率矢量，q 的幅值或长度定义为瞬时无功功率，即这里表示一个矢量的幅值或长度。

公式（3）和（4）可以各自改写成反过来，我们再定义瞬时有功电流矢量，瞬时无功电流矢量，瞬时视在功率S,以及瞬时功率因数为这里和分别为三相系统的电压和电流的幅值。

基于三相四线制系统广义瞬时无功功率理论的谐波及无功功率补偿摘要：本文阐述了基于三相四线制系统广义瞬时无功功率理论的谐波及无功功率补偿。

这一新的理论给出了关于瞬时无功功率的一个广义定义。

对于正弦或非正弦、平衡或不平衡三相电力系统，不论该系统有没有零序电流和（或）零序电压，这个定义均适用。

文中详细讨论了新定义的瞬时无功功率的性能和物理涵义。

对于负载电流和（或）电压源中有零序分量的三相谐波偏移的电力系统，基于新理论的谐波及无功功率补偿器被用做示例，显示采用新理论的谐波及无功功率的测量和补偿，并提出了仿真和实验结果。

关键词：谐波电流，瞬时有功和无功电流，pq原理，无功功率一.绪论对于具有正弦电压和电流的单相和三相电力系统，诸如有功功率、无功功率、有功电流、无功电流和功率因数，等等，其数值是建立在平均概念的基础上的。

许多前驱们已经试图重新定义这些物理量，以图处理伴随不平衡的偏移电流和电压的三相系统问题[1]–[5]。

这些前驱们中，赤城等等[1], [7]已经介绍和建立了一个有趣的瞬时无功功率的概念。

这个概念给出了一种有效的方法，用来补偿没有能源储存的三相系统的无功功率的瞬时部分。

无论如何，这种瞬时无功功率理论如文献[2]中所指出的，有一处概念限制，这种理论仅仅对于没有零序电流和电压的三相系统是完整的。

为了解决这种限制和相关问题，威廉姆斯和拿倍提出了一些引人瞩目的方法，以便定义瞬时有功和无功电流[2], [6]。

无论如何，他们的方法是为了处理流向正交元件，而不是电力元件的电流的分解。

针对三相电力系统，文献[9]提出了瞬时无功功率的广义理论。

对于正弦或非正弦、对称或非对称的三相系统，无论其是否具有零序电流和（或）电压，这个广义理论都是适用的。

本文中，通过仿真和实验的结果验证了这一理论的性质和用法。

二.定义、特性、物理意义A. 定义对于图1所示的三相电力系，瞬时电压u a、u b、和u c,以及瞬时电流i a、i b和i c用瞬时空间向量u和i表示。

基于软启动控制的三相四线制有源电力滤波器车志霞;张朋飞【摘要】当大量电力电子器件在三相四线制低压配电系统中使用时,容易造成三相负载不平衡,使系统产生大量的谐波和中线电流,严重影响电网的电能质量.治理三相四线系统中的谐波问题极其有必要.将三相四线制有源电力滤波器(APF)作为主要研究对象.其中,谐波电流检测采用优化的瞬时无功理论检测法,而针对电压环使用传统PI控制时,在APF接人电网瞬间,会产生一个很大的冲击电压和冲击电流,所以决定将软启动控制引入三相四线制APF的直流侧电压控制当中.并最终搭建整体仿真模型,对低压配电系统不同负载和电源畸变情况进行仿真分析.【期刊名称】《承德石油高等专科学校学报》【年(卷),期】2019(021)003【总页数】6页(P43-48)【关键词】有源电力滤波器;谐波电流检测;软启动控制;仿真分析【作者】车志霞;张朋飞【作者单位】衡水电气化铁路学校,河北衡水 053000;石家庄铁道大学电气与电子工程学院,河北石家庄 050043;中铁建电气化局集团北方工程有限公司,山西太原030053【正文语种】中文【中图分类】TM761在我国低压配电系统中广泛使用的供电方式是三相四线制[1]，在此供电方式下的主要电气设备均含电力电子器件，正是这些设备的使用，造成了电网谐波电流的产生。

虽然这些设备单台功率小，产生谐波含量少，但是由于使用数量庞大，使得三相四线系统产生严重的谐波问题，对设备安全和用户正常用电造成威胁。

同时这些设备应用在三相四线制系统，当三相负载不平衡时很容易使得中线电流过大，甚至烧毁中线，对系统安全造成严重威胁[2]。

因此，三相四线制系统中的谐波抑制、中线电流消除及三相电流平衡将成为三相四线制系统亟待解决的问题[3]。

笔者以三相四桥臂有源电力滤波器为主要研究对象，用于治理三相四线制低压配电系统的谐波问题。

1 有源电力滤波器的结构设计1.1 有源电力滤波器的工作原理并联型有源电力滤波器(APF)结构如图1所示。

基于瞬时无功功率理论的三相并联型有源电力滤波器
有源电力滤波器是一种为了克服传统无源滤波器的非线性和不稳定性而研制的一类新型有源滤波器。

有源电力滤波器通过加入控制回路，使其具有改善电力质量和能源利用效率的作用。

其中，瞬时无功功率理论被广泛用于设计三相并联型有源电力滤波器。

瞬时无功功率是指一个瞬间的无功功率值，它是电网电压和电流间交互作用所产生的一个瞬时值。

在三相并联型有源电力滤波器中，通过瞬时无功功率的控制，可以实现对电力质量进行调节和改善，从而达到提高能源利用效率的目的。

三相并联型有源电力滤波器的原理是将其与电网并联并接在负载侧，通过引入相应的控制电路和能量储存元件，实现对瞬时无功功率的控制。

当电压、电流相位相同时，无功功率达到最大值，而当电压和电流相位不同且电流领先于电压时，就会出现负无功功率。

通过控制回路的控制，可以在负载侧注入与负载所需的无功功率相同而相位与电压相同的电流，从而消除电网中的谐波和干扰，提高电力质量和能源利用效率。

三相并联型有源电力滤波器具有以下优点：一是可以提高电力质量，减少谐波干扰，有效降低负载侧电压波动和闪变；二是可以提高能源利用效率，通过控制无功功率的注入，消除电网中的无功功率，避免浪费电能，从而提高能源利用效率；三是可以提高系统的稳定性和可靠性，通过控制回路的控制，可以减少电网中的电压和电流波动，提高系统稳定性和可靠性。

总之，三相并联型有源电力滤波器基于瞬时无功功率理论，通过控制无功功率的注入，可以实现对电力质量和能源利用效率的调节和改善。

其应用范围广泛，包括工业、交通、建筑等各领域，具有广阔的市场前景和应用价值。

三相四线制系统瞬时功率理论的全面综述摘要该论文对关于三相四线制的瞬时功率理论进行了整体分析，主要是1993年提出的原始理论和1994年改进后的理论。

这两个理论在不含零序电压的三相四线制中是完全一样的，但是，当系统中含含零序电压、电流时，这两个理论对每相的瞬时有功功率和无功功率来说是不一样的。

本文提到的理论和计算机仿真可以得出以下的结论：根据原始理论提出的控制方法，即使是在有零序分量的三相四线制中，不含能量储存元件的有源滤波器也能完全补偿中线电流。

但是根据改进后的理论提出的控制方法，有源滤波器却不能完全补偿中线电流。

1.引言A.背景1993年，有人首次提出了三相系统的瞬时功率理论，该理论对三相四线制和三相三线制都适用。

另外，它的特点是使我们通过清楚的解释瞬时无功功率的物理意义，来定义每相的瞬时无功功率是与三相电压和电流波形无关的任意一个定值。

这个理论出现16年后才被注意到，一些电气工程师，尤其是电力电子研究人员才知道瞬时无功功率的概念。

例如，曾对这个理论有以下描述：他们的观点对于实际应用非常有用，尤其是分析没有能量储存的瞬时无功功率补偿时。

假想的功率的概念，能够清晰地表明可以通过安装不带能量储存的补偿器来减小线路损耗。

这一结果恰恰是和他的同事做的最大的贡献。

电压型PWM逆变器投入应用的一大突破，使得这个理论扩展到了多相电路，并且促进了电力电子设备的应用。

在日本，三相三线制电路广泛应用在6.6KV的电力配电系统和低电压等级的工业配电系统中。

而在美国等其他国家，低电压等级的工业配电系统中主要采用三相四线制。

因为这个原因，其他国家都在进行关于三相四线制中的有源滤波器的研究，而日本却没有。

日本最近的广播设备需要有一个大容量单相100 V电源。

因此，对中性点额定电压为100 V的三相四线制已应用到日本的特殊情况。

已经研发了低电压等级的三相四线制的有源滤波器。

商业用途的有源滤波器是从75到500KV A。

据报道，300KV A的有源滤波器在补偿三相四线制的中线电流和谐波电流时取得了良好效果。

目录摘要 (2)第1章绪论 (4)1.1 引言 (4)1.2 课题来源及研究的目的和意义 (4)1.3 国内外在该方向的研究现状及分析 (5)第2章谐波理论基础 (6)2.1 谐波的基本概念 (6)2.2 谐波的产生 (8)2.3 谐波的危害 (9)2.4 谐波限制标准 (10)2.5 本章小结 (11)第3章谐波检测方法分析 (12)3.1 频域理论 (12)3.2 时域理论 (12)3.2.1 快速傅立叶变换 (12)3.2.2 基于瞬时无功功率检测方法 (13)3.2.2.1 p q-法 (20)i i-法 (22)3.2.2.2 p q3.2.2.3 Park变换的d q-法 (23)3.2.3 基于神经网络的谐波检测方法 (24)3.3 本章小结 (25)第4章仿真分析 (26)4.1 仿真软件简介 (26)4.2 三相整流电路仿真 (27)4.4 基于瞬时无功功率的单相谐波检测 (31)结论 (34)致谢 (35)参考文献 (36)摘要在电力系统中许多电气元件都产生不同程度的谐波，各种整流设备，交直流换流设备尤为严重。

由此带来的危害和其谐波抑制是广泛关注的课题。

本文以三相四线制低压供电系统为例，首先介绍了谐波的基本概念、谐波的产生及其危害、电网对谐波电压和谐波电流的限值，阐述了谐波问题研究的必要性，国内外研究的状况及本文研究的内容，然后分析了谐波理论基础，详细的介绍了三相谐波检测方法、及基于瞬时无功功率检测方法。

最后对设计的谐波检测方法，利MATLAB/simulink进行仿真，在仿真中，利用MATLAB/Simulink建立了整流电路总体仿真模型。

编写了数据傅立叶分析软件。

通过仿真波形、分析数据表明了此仿真模型的真实性和方案的可行性。

关键词谐波电流检测; 瞬时无功功率理论; Matlab/Simulink; 三相整流电路桥AbstractA lot of electric components produce various degrees of harmonies in the power system, it is particularly serious to do it such as various kinds of rectification equipment and inverters and converters. Therefore the danger brought and its wave in harmony are suppressed it is subjects that a lot of people pay close attention to extensively.The paper introduces the concept of harmonics, its harm to power grid and limitation of harmonics voltage and current harmonics，and it also demonstrates the necessity of eliminate harmonics, and briefly introduces several methods to eliminate harmonics and research of both here and abroad. The paper analyzes the principles of the harmonic. Then the paper detailed introduces the theory of the way of harmonic currents of a single-phase and the way of harmonic currents of a there-phase and instantaneous reactive power,. In the end the paper simulates harmonics detection methods by MATLAB/simulink. In the simulink, utilizeMatlab/Simulink to set up commutate circuit mode. Write its data FFT analyses software. By showing the wave form and analyzing data, indicate the authenticity of this simulink model and feasibility of the scheme.Key word:harmonic current detection; Instantaneous reactive power theory; Matlab/Simulink;Three-Phasa Universal Bridge第1章绪论1.1 引言电能作为现代社会中使用最广泛的能源，其应用程度是衡量一个国家发展水平的重要标志之一。

三相四线制并联有源滤波器若干问题的研究随着现代电力电子技术的发展,各种电力电了装置得到了广泛的应用,但也给电网带来了严重的谐波污染,威胁着电网和用电设备的安全。

我国的低压配电系统主要采用三相四线制方式供电。

三相四线系统中主要有对称的三相负载和单相负载,这些负载大多具有非线性特性及不对称性,这将在系统中产生很大的谐波电流及过大的中线电流。

对称三相非线性负载产生正序谐波和负序谐波,但单相非线性负载虽然单台功率较小,但因其数量庞大,将在电网中产生大量的零序谐波电流,而且在中线上相互叠加,所产生的谐波是极其严重的。

它一方面使得中线电流大大超过额定值,可能导致中线故障,产生中点移位,造成用户端相电压不平衡,影响用电安全：另一方面可能使设备因过热而损坏绝缘,危及设备安全。

此外,电力系统中的谐波电流还将增加线路损耗,降低功率因数等。

所以,三相四线制系统中的谐波抑制、中线电流消除及三相电流平衡具有重要的意义,已成为电力系统电能质量问题的研究热点。

针对目前采用四桥臂有源滤波器解决三相四线制系统中的谐波及中线电流过大等问题,本文开展了以下几个方面的研究工作。

首先,讨论了基于瞬时无功功率理论的三相四线制系统谐波电流检测方法,分析和比较了p-q法和p-q-r法的原理及特点。

基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法的原理是通过坐标变换,将三相电流中基波正序分量变换为直流分量,谐波及基波负序分量变换为交流分量,采用低通滤波器分离直流分量和交流分量,经反变换后得到含无功分量及谐波分量的参考电流信号。

但当电源电压不对称或含有谐波时,坐标变换后的直流分量将含有基波负序分量,因此,常规的p-q法无法得到良好的效果,这可通过锁相环提取电源电压正序分量来消除检测误差。

论文分析了常规锁相环的原理及结构,提出了一种新的基于非线性PI调节器的三相锁相环及三相四线制系统的改进p-q谐波检测算法,仿真及实验结果表明所提算法具有更好的检测精度及动态性能。