有源电力滤波器中的谐波检测电路设计

湘潭大学《电力电子》课程设计报告题目：三相并联型有源电力滤波器的设计学院：信息工程学院班级：11级自动化二班******学号：**********指导教师：***完成日期：2014 年07月02日摘要随着现代工业技术的发展，电力系统中非线性负荷大量增加。

各种非线性和时性电子装置大规模地应用，造成电能质量恶化。

电力有源滤波器以其优越的补偿性能，已成为电力电子技术领域的研究热点之一。

而其中并联型有源电力滤波器过去和将来都将占据重要地位。

有源电力滤波器的两大关键技术是谐波与无功电流的检测和补偿电流控制。

实时、准确地检测出电网中瞬态变化的谐波与无功电流是有源电力滤波器进行精确补偿的前提。

为了验证所提出的检测方法和控制方法的正确性，本论文用MATLAB2010b/SIMULNIK进行了仿真研究。

仿真结果表明本文所设计的滤波器可以很好的滤除谐波，完成抑制谐波的作用。

关键词:有源电力滤波器;谐波与无功电流检测:补偿电流控制;三角波比较和滞环控制；仿真第一章谐波概述1.1谐波产生的原因：电网中的谐波主要是由各种大量电力和用电变流设备以及其它非线性负载产生。

当正弦基波电压(当电源阻抗为零阻抗时)施加于非线性负荷时，负荷吸收的电流与施加的电压波形不同，畸变的电流影响电流回路中的配电设施。

系统中的主要谐波源可分为两大类:①含半导体非线性元件的谐波源；②含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。

所有这些都使得电力系统的电压、电流波形发生畸变，从而产生高次谐波。

1.2谐波对电网的危害理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。

谐波电流和谐波电压的出现，对电力系统的环境造成污染，影响系统的电气环境。

谐波污染对电力设备的危害是严重的，近三四十年来，各种电力电子装置的迅速普及使得公用电网的谐波污染日趋严重，谐波危害加重。

综合来说，谐波对电网及其它系统的影响大致有以下几种：1)谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。

三相三线制有源电力滤波器谐波检测方法韩晓新;是利娜;邢绍邦;王大志;沃松林【摘要】针对三相三线制有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)中的谐波检测,研究了基于瞬时无功理论的谐波电流快速检测算法,结合谐波检测过程中出现的频率混叠现象而搭建的二阶巴特沃斯低通滤波器,共同实现了有源电力滤波器高精度的谐波检测功能.实验结果验证了方法的正确性和可靠性,对于提高APF的补偿性能有很大的帮助.%Aiming at the harmonic in three-phase three-wire active power filter (APF), we studied a harmonic current rapid detection algorithm based on instantaneous reactive power theory. Combining with a second-order Butterworth low-pass filter for suppressing the frequency aliasing phenomenon, we realized high precision harmonic detection for APF. The experiment results validated the correctness and robustness of the method. It can greatly improve the APF compensation performance.【期刊名称】《测试技术学报》【年(卷),期】2012(026)001【总页数】7页(P35-41)【关键词】瞬时无功;频率混叠;有源电力滤波器;谐波检测;谐波抑制【作者】韩晓新;是利娜;邢绍邦;王大志;沃松林【作者单位】江苏技术师范学院电气信息工程学院,江苏常州213001;煤科总院常州自动化研究院,江苏常州213001;江苏技术师范学院电气信息工程学院,江苏常州213001;东北大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110004;江苏技术师范学院电气信息工程学院,江苏常州213001【正文语种】中文【中图分类】TM760 引言电能已成为当今社会生产和人们日常生活中不可或缺的一种重要能源,但是随着现代工业技术的发展,各种非线性和时变性电子装置如逆变器、整流器及开关电源等大规模地应用,向电网中注入了大量的高次谐波.这些谐波使电网中电压和电流的波形产生了严重的失真,大大降低了电网的供电质量,因此电网谐波含量成为了衡量电能质量最重要的指标之一.世界各国已经十分重视对电能质量的管理,有力地促进了学术界和工程界对谐波抑制、无功补偿技术的研究.谐波治理是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,因此有源电力滤波器作为综合治理电网污染的最有效手段,有着广阔的应用前景[1].1 并联型有源电力滤波器的基本原理与特点有源电力滤波器是一种新型主动抑制谐波和补偿无功的电力电子补偿装置,具有较好的动态性能,它的原理是产生和谐波源谐波电流具有相同幅值而相位相反的补偿电流来达到消除谐波的目的.电压并联型有源电力滤波器的工作原理如图1所示. 图1中,交流电网为非线性负载供电,非线性负载会产生谐波并且消耗无功功率.系统将含有谐波的电流信号采集过来,处理器得到电流数据后利用相应的谐波检测算法将电流信号中的基波分量和谐波分量提取出来.然后根据得到的谐波分量迅速发出PWM波形信号给IGBT驱动电路,变流器主电路受驱动电路控制产生与谐波电流幅值相同但方向相反的补偿电流,经电感送至电网当中从而使电网中的总谐波电流为零,达到对电网谐波实时补偿的目的[2].并联型APF克服了PF只能对特定谐波有效治理的缺点,实现了动态补偿.并联型APF可对频率和大小都变化的谐波和无功功率进行补偿,而且对补偿对象的变化有极快的响应.还具有跟随电网频率的特性,因此其补偿性能不受电网频率变化的影响.因此,在对电能质量要求越来越严格的今天,采用并联型APF作为谐波消除装置的优势已日渐突出,随着电力电子器件性价比的不断提高,有源电力滤波器必然会得到更广泛的应用[3].图1 电压型并联APF系统结构图Fig.1 Structural diagram of shunt voltage-source APF system2 基于 ip-iq算法的谐波快速检测方法谐波电流检测的准确性是有源电力滤波器可靠运行的首要环节,如果谐波电流无法准确及时地获得,那么有源电力滤波器补偿电流的准确产生及对谐波电流的补偿效果就无从说起.最早的谐波检测方法是采用模拟电路来实现的,虽然硬件实现比较简单但是所引起的相位和幅值的误差都比较大,而且受环境和参数变化的影响也比较大.随着检测算法的不断发展和处理器速度的不断提高,数字处理方法凭借其快速、稳定、可靠等优点已经取代了模拟方法并广泛应用于谐波检测当中[4].ip-iq法的核心思想是把满足ia+ib+ic=0的三相电流 ia,ib,ic首先经过不含零序分量的Park变换得到 ip,iq,然后用低通滤波器滤波提取出 ip,iq中的直流分量¯ip,¯iq,则由¯ip,¯iq即可计算出iaf,ibf,icf,进而由三相电流减去此基波正序分量 iaf,ibf,icf 即得到谐波和基波负序零序分量之和iah,ibh,ich,其检测原理如图2所示.在该方法中,正余弦函数s inω t,cosω t是采用查表计算的方法来实现的.即根据预定好的采样频率,建立起正弦和余弦函数表,将设计好的正余弦表放到处理器的程序存储器中,在每次采样时刻到来之前从表中提取出所要用到的正余弦值提供给Park 变换计算使用.由于没有直接使用系统电压信息,只是借助于构造的正弦和余弦函数来实现 Park变换,因此检测结果的精度不受系统电压波形畸变的影响,克服了 p-q法受系统电压波形畸变影响比较严重的缺点.但是这种方法对与电网频率同步采样的要求非常严格,在实际应用中采用硬件实现的锁相倍频电路可以完成对电网频率的精确跟踪,很好地解决了这个难题.基于 ip-iq算法的谐波检测方法外部硬件电路简单、可靠性高、计算速度快,对APF谐波补偿性能有很大的提高.图2 ip-iq法谐波检测原理图Fig.2 Functional block diagram for method of ip-iqharmonic detection3 混叠现象原理分析谐波检测是有源电力滤波器控制系统的核心部分,系统的采样速度和精度直接影响着系统的实时性能.因此如何得到快速精确的采样数据是谐波检测的首要任务.频率混叠是数字信号处理中特有的现象,它是由数字信号中离散采样所引起的,凡是等步长的离散采样必然会产生频率混叠现象.频率混叠会产生假频率、假信号,会严重影响测量结果.在信号采集中,当信号的频率 f超过1/2采样频率 fs,即当 f＞1/2fs时在时间域上会出现f′=｜fs-f｜的现象,其最大幅值与输入幅值的关系基本保持不变.在频域上出现频率为f′=｜fs-f｜的假频,由此折叠效应所造成的混频现象就称之为频率混叠现象[5].频率混叠现象也就是当采样信号的频率低于被采样信号的最高频率时,采样所得的信号中混入了虚假的低频分量,从而影响检测结果的准确性.有源电力滤波器谐波检测结构如图3所示,电网电流经过莱姆霍尔电流传感器按照一定的比例进行缩小,通过精密采样电阻将小电流信号转换成0～5 V电压信号,然后电压信号进入抗混叠处理电路进行滤波,最后再送入AD转换芯片进行采集.为了保证APF谐波采样的精度,设定采样频率为电网工频的256倍,也就是每个周期的电流波形用256个点来进行还原.但是,电网电流中含有大量高次谐波,为了避免三相负载电流中的高频分量在数字采样过程中产生频率混叠现象,从而影响谐波检测的精度,必须设置抗混叠低通滤波器来进行滤波.如果抗混叠低通滤波器截止频率 fs设置过低,虽然能保证滤除效果,但是过低的截止频率将使被滤波信号存在较大的相位移,影响电流检测的实时性和准确性.所以,应当合理选择抗混叠低通滤波器的截止频率,使抗混叠滤波器在保证有效滤除高频谐波的前提下,同时保证信号采样的精度[6]. 图3 谐波检测结构框图Fig.3 Diagram of harmonics detection对信号不失真采样,一般需要满足奈奎斯特抽样定理(Nyquist Sampling Theorem):1)被抽样信号为带限信号,即信号最高频率fs≠-∞;2)采样频率至少为被抽样信号最高频率的两倍,即fs≥fmax[7].其中,采样频率fs=256×50=12.8 kHz,因此 fmax的上限值必须小于6.4 kHz,这样才能满足奈奎斯特抽样定理的要求.因此,需要设计一个截止频率为6.4 kHz的低通滤波器来实现APF电流检测过程中的抗混叠处理功能,从而保证APF谐波检测的准确性.4 抗混叠滤波器设计为了保证APF系统对电流检测的精度,在AD对电流信号进行采样之前,设计一个截止频率为6.4 kHz低通滤波器,将高次谐波除掉,以防止频率混叠现象发生.图4为应用C8051F330单片机和有源滤波芯片MAX260构成的抗混叠滤波器电路图.抗混叠滤波器采用 MAXIM 公司生产的可编程通用有源滤波器芯片MAX260,可编程通用有源滤波器MAX260的参数设置需要通过一片微处理器来完成,在这里采用C8051F330单片机来完成.其中单片机通过 P1口的 I/O引脚向有源滤波芯片MAX260中写入控制数据.A0-A3是 f0和Q及工作方式输入数据单元的地址输入端,选定地址后通过D0和D1端口写入相应的编程数据,P0.7端口模拟时钟信号作为两个二阶滤波器提供内部采样速率.由于是巴特沃斯低通滤波则选择滤波器A和滤波器B的工作方式都为方式1,根据公式 N=fCLK/f0,其中低通滤波截止频率 f0的值选择为6.4 kHz,fCLK为800 kHz,得到输入数据NA=135.08,NB=139.08,再由 Q=f0/BW得到QA=1.036,QB=0.547,对截止频率进行修正,通过单片机程序向MAX260中写入这些数据信息,就实现了所要的滤波效果.图4 C8051F330与 MAX260的电路连接图Fig.4 Circuit of C8051F330 and MAX2605 仿真结果图5为PSIM 中仿真模型图.仿真模型采用的算法为 ip-iq算法,在图5中,经过电流传感器得到的负载电流 Ia,Ib,Ic作为3个流控电压源的控制端,由电流信号变为电压信号进入到ABC-DQO变换模块,完成了三相到两相的变换,得到了有功电流 ip和无功电流iq,通过PSIM与Matlab/Simulink的接口模块SimCoupler将有功电流ip和无功电流iq的数据传递给在Simulink中搭建的数字低通滤波器模型,经过低通滤波后,将有功电流 ip和无功电流iq中交流分量滤除,得到有功电流 ip和无功电流iq中的直流分量 ipd和iqd,再通过PSIM 与Matlab/Simulink的接口模块SimCoupler将 ipd和iqd传递到 PSIM 中,进入到DQO-ABC模块进行2/3变换,得到负载电流 Ia,Ib,Ic的基波分量ia_f,ib_f,ic_f,负载电流Ia,Ib,Ic与其基波分量ia-f,ib-f,ic f相减后就得到其谐波分量iah,ibh,ich.图5 检测模块在PSIM中仿真模型图Fig.5 Diagram of simulation model for detection module under PSIM在PSIM的仿真模型中,采用了峰值电压有效值为11.82 V、频率50 Hz的三相交流电,作为三相全桥整流电路的输入,三相全桥电路是非线性的,并带有电感、电容和电阻等负载,因此负载电流有畸变,由于三相电压和电流均对称,所以只取A相电流和电压,其波形如图6所示.经电流传感器得到的三相电流ia,ib,ic经流控电压源变为电压信号后,进入ABC-DQO进行坐标变换,得到有功电流 ip和无功电流iq的数据,波形如图7所示.图6 电源电压和A相电流Fig.6 Power supply voltage and current of A-phase 图7 有功电流和无功电流Fig.7 Active current and reactive current在得到有功电流 ip和无功电流iq后,进入到椭圆低通滤波器进行滤波,滤除有功电流 ip和无功电流iq中的交流分量,得到有功电流 ip和无功电流 iq的直流分量,波形如图 8所示.在得到有功电流 ip和无功电流 iq的直流分量,后,进入DQO-ABC模块完成坐标反变换,再进入压控电流源,得到三相电流 ia,ib,ic的基波分量iaf,ibf,icf,再与负载电流ia,ib,ic相比较即可得到谐波电流分量iah,ibh,ich,如图9所示.由以上的仿真结果可以看到,ip-iq算法可以有效检测出负载电流中的基波以及谐波. 图8 有功电流和负载电流的直流分量Fig.8 DC component and of active current and reactive current图9 A相谐波电流、A相电流与A相基波电流的对比Fig.9 Harmonic current of A-phase,current of A-phase and fundamental current of A-phase6 实验结果图10是经过霍尔电流传感器进行比例变换以后的电流波形,从中可以看出由于谐波的存在,A相电流的波形和标准的正弦波有一定的差距.使用示波器中的FFT分析功能可以得到A相电流中的各次谐波含量.如图11(a)所示,图中横轴每个格代表1.25 kHz的频率,那么频率高于 6.4 kHz的信号都在 5个格以后.图11(b)是抗混叠滤波器输出的电流信号的FFT波形,可以看出5格以后频率高于6.4kHz的信号含量减少了很多,大大降低了谐波检测中信号混叠现象发生的机会.通过以上的硬件平台,我们得到了部分实验波形和数据,包括有功电流 ip、无功电流iq、有功电流的直流分量、无功电流直流分量、A相电流 ia、A 相电流滤除谐波后的基波 iaf以及A相电流中的谐波 iah.由于在谐波检测模块中没有使用D/A数模转换器,所以我们将DSP计算得到的数据从内存中取出后,选取的是电压、电流相对稳定之后的数据,使用Matlab的绘图功能绘制.图10 A相电流信号波形Fig.10 The current waeform of Phase A图11 抗混叠滤波前后的FFT波形对比Fig.11 The contrast of FFT waveform between before anti-aliasing filtering and afert it有功电流 ip、无功电流 iq、有功电流的直流分量、无功电流直流分量的实验波形如图12所示.图13为A相电流、A相电流滤除谐波后的基波以及A相电流中的谐波.将图13与图9进行对比发现:实验图形与仿真图基本接近,说明本文的谐波检测平台是有效的,谐波检测算法是正确的.图12 有功电流及其直流分量,无功电流及其直流分量的实验波形Fig.12 Test waveforms of active current,reactive current,and their DC component图13 A相电流、A相电流滤除谐波后的基波以及A相电流中的谐波Fig.13 Current of phase A,fundamental wave after filtering harmonic and its harmonic7 结论实践证明,基于瞬时无功功率理论的 ip-iq算法结合抗混叠滤波器所构成的的有源电力滤波器谐波检测方法具有外部硬件电路实现简单、可靠性高、计算速度快、检测精度高等特点,对APF谐波补偿性能有很大的提高.参考文献:[1]姜齐荣,赵东元,陈建业.有源电力滤波器—结构原理控制[M].第一版.北京:科学出版社,2005:1-20,70-78,85-100.[2]罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].第一版.北京:中国电力出版社,2006:5-13,44-57.[3]Gyugyi L,Strycula E C.Active ac Power Filters[C].Proc of IEEE/IAS Annual Meeting,1976:259-535.[4]戴朝波,林海雪,雷林绪.两种谐波电流检测方法的比较研究[J].中国电机工程学报,2002,17(1):80-84.Dai Chaobo,Lin Haixue,Lei Linxu.A study on the comparison of two harmonic current detecting methods[J].Proceedings of theCSEE,2002,17(1):80-84.(in 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谐波检测电路设计对于有源电力滤波器(APF)而言，实时准确地检测出谐波电流是非常关键的，它的快速性、准确性、灵活性以及可靠性直接决定APF的补偿性能。

设计的谐波检测电路检测出的多路模拟信号会有一定的延迟性，这会大大影响APF计算谐波的精确性和准确性。

本文中谐波检测装置所用的AD7656具有6路同步采样特性，克服了测量结果之间延迟的缺点，使得测量精度高。

以上优点弥补了目前APF中谐波电流检测技术的缺陷，而且抗混叠滤波器、隔离放大器、过零检测电路、锁相倍频电路的设计增强了检测的精确性。

1 装置整体运行原理及相关算法1．1 装置运行原理图1为并联型有源电力滤波器的原理结构框图。

图中，交流电网对非线性负载电，非线性负载为谐波源，产生谐波并且消耗无功功率。

有源电力滤波器由4部分组成：谐波电流检测电路、电流跟踪控制电路、主开关器件驱动电路和主电路。

谐波电流检测电路采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq算法，根据有源电力滤波器的补偿目的检测出负载电流中的谐波分量，同时还要检测直流侧母线电容电压。

然后将这些信号输入电流跟踪控制电路，通过控制算法生成一系列PWM信号，以此作为补偿电流的指令信号。

这些信号经过电平转换后输入主开关器件驱动电路，驱动主电路中的主开关器件。

此时，APF产生并向电网注入补偿电流，该电流与非线性负载电流相位相反，幅值为负载电流中的谐波分量，从而达到滤波目的。

有源电力滤波器检测模块的工作框图如图2所示。

6路电流信号包括三相电流ia、ib、ic以及由APF发出的补偿电流，这6路电流信号经霍尔电流传感器变换后，在高精度取样电阻上形成与原信号成比例的电压信号，霍尔电流传感器采用LEM公司生产的LA55-P，采用这种霍尔传感器加高精度取样电阻的方式，可以获得更好的抗干扰能力，模拟信号变换的精度更高。

直流母线电压信号经霍尔电压传感器变换后，由于对直流母线电压的精度要求不高，就不再进行信号调理而直接进入A／D芯片的模拟信号输入通道。

摘要随着电力系统的发展以及电力市场的开放，电能质量问题越来越引起广泛关注。

由于各种非线性负载(谐波源)应用普及，产生的谐波对电网的污染日益严重。

谐波是目前电力系统中最普遍现象，是电能质量的主要指标。

电力系统谐波是电能质量的重要参数之一，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。

谐波给供电众业的安全运行和经济效益带来了巨大影响。

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。

因此，谐波及其抑制技术己成为国内外广泛关注的课题。

对电力系统谐波的治理，需要电力部门和用户共同参与。

一方面，用户需要电力部门公共电网电能质量能确保用户正常生产用电；另一方面，电力部门也要求用户的生产用电不影响公共电网的正常供电，特别是对于一些会对公必电网电能质量造成睡大影响的大型用户，从源头上进行电能质量的治理是必须的。

本文介绍了谐波的概念、检测及危害，详细介绍了谐波产生的来源于，电力系统中的谐波来自电气设备。

也就是说来自发电设备和用电设备。

同时介绍了谐波的危害，包括对电网运行和用电设备的危害，还包括对继电保护和自动装置的影响。

为了有效补偿负荷产生谐波电流，首先对谐波的成分有精确认识，因而需要实时检测负载电流中的谐波。

本文着重介绍了基于三相电路瞬时无功功率理论的谐波测量的理论。

进而研究了电力系统谐波的抑制措施，消除或抑制谐波的对策,可以有效地减小谐波对电网的影响，以消除和防止谐波的影响。

关键词：电力系统谐波；危害；p、q检测方法,；ip、iq检测方法目录摘要 (I)目录 (I)第1章绪论 (3)1.1 谐波的提出及意义 (3)1.2国内外研究状况及进展 (4)1.2.1国外研究现状 (4)1.2.2国内研究现状 (6)1.3本文主要研究的内容 (7)第2章电力系统谐波的分析 (8)2.1 谐波的基本概念 (8)2.1.1 谐波的定义 (8)2.1.2 电力系统谐波的表达式 (8)2.1.3 电力系统谐波的标准 (9)2.2 电力系统谐波的产生 (10)2.3 电力系统谐波的危害 (12)2.3.1 对电机的危害 (12)2.3.2对变压器的危害 (12)2.3.3 对线路的危害 (13)2.3.4 对电容器的影响 (13)2.3.4 对继电保护、自动装置工作的影响 (14)2.3.5 对其通信系统的影响 (14)2.4 本章小结 (14)第3章电力系统谐波的检测 (16)3.1谐波检测的几种方法比较 (16)3.2基于三相电路瞬时无功功率理论的谐波测量 (18)3.2.1 瞬时有功功率和瞬时无功功率 (18)3.2.2 瞬时有功电流和瞬时无功电流 (20)3.2.3 基于瞬时无功功率的p、q检测方法 (21)3.2.4 基于瞬时无功功率的ip、iq检测法 (22)3.2.5 检测示例 (24)3.3本章小结 (26)结论 (27)参考文献 (28)附录1 (29)附录2 (32)致谢 (337)燕山大学毕业论文评审意见表 (38)个人简介 (40)第1章绪论1.1 谐波的提出及意义“谐波”一词起源于声学。

高通和低通滤波器对谐波检测电路检测摘要从基于瞬时无功功率理论的一种谐波电流检测方法，推出了采纳高通和低通滤波器的两种谐波电流检测电路。

利用MATLAB仿真软件建立了相应的仿真电路，并就滤波器对谐波电流检测电路检测效果的妨碍进行了仿真研究，同时对两种电路的性能进行了比照，结果讲明，滤波器的截止频率、阶数和类型对检测电路的动态响应过程、检测精度都有非常大妨碍。

谐波电流检测电路采纳低通滤波器，不管从设计上依然从检测效果都有优势。

要害词：有源电力滤波器瞬时无功功率理论谐波检测滤波器AStudyaboutInfluenceofHighandLowPassFiltersonDetectingEffectofHarmonicsDetectionCircuitsWangQun YaoWeizheng WangZhaoan(Xi'anJiaotongUniversity710049China)Abstract Twocircuitsusinghighpassandlowpassfiltersareobtainedbyintroducingadet ectingapproachofharmoniccurrentsbasedontheinstantaneousreactivepower theory.TheirsimulationcircuitsarebuiltbyMATLABsimulationsoftware,res pectively.Thesimulationstudiesabouttheinfluenceofthefiltersinthedetecting circuitontheirdetectingeffectarecarriedoutand,atthesametime,theperforma ncesoftwocircuitsarecompared.Theresultsshowthatthedynamicresponsean dthedetectingprecisioncangreatlybeinfluencedbythecut-offfrequencies,the orderandthetypeofthefilters,andthatthecircuitcontainingLPFisbetterthanthe onecontainingHPFinbothdesignanddetectingeffect.Keywords:Activepowerfilter InstantaneousreactivepowertheoryHarmonicdetection Filter1 引言有源电力滤波器(APF——ActivePowerFilter)是近年来开展起来的一种抑制电网谐波的先进手段［1］。

电力有源滤波器谐波提取技术的设计与应用电力有源滤波器是现代电力电子技术中常用的一种电路。

在电力系统中，谐波是不可避免的，但它们会影响电力系统的稳定性和运行效率。

因此，采用电力有源滤波器去除谐波已成为电力系统中重要的技术手段之一。

电力有源滤波器能够通过控制逆变器的输出电压和电流相位，实现对电网电流中的谐波进行抑制。

这种电路通过制定合适的控制策略，能够在一定程度上去除谐波，达到滤波效果，同时只消耗被补偿谐波的电流，不影响基波电流的传输。

相比于传统的无源滤波技术，电力有源滤波器的滤波效果更好，运行更稳定。

电力有源滤波器谐波提取技术的设计与应用主要包括以下步骤：第一步，确定滤波器的调制框架和控制策略。

有源滤波器的控制策略有许多种，一般有单独控制、同步控制和分布式控制等方法。

在选择控制策略时，需要考虑电力系统的实际情况，比如电网的电压、负载电流等因素。

第二步，选取合适的滤波器拓扑结构。

电力有源滤波器有多种拓扑结构可供选择，如LC 滤波器、LCL 滤波器、双穿越桥等。

不同的拓扑结构在滤波效果、控制复杂度和成本等方面存在差异，要根据实际情况进行选择。

第三步，设计电路参数和控制算法。

这一步需要根据滤波器的拓扑结构和控制策略，综合考虑电路参数的选择和控制算法的设计。

电路参数包括电容器的容值、电感的感值等，而控制算法则包括相位锁定环路、电流控制环路等等。

第四步，进行算法仿真和实验验证。

在设计完成后，需要进行电路仿真和实验验证，以验证设计效果的正确性和可行性。

对于仿真，可以利用专业软件进行模拟计算，而在实验验证时，需要搭建相应的实验平台，进行控制算法的实现和滤波效果的测试。

在电力系统中，通过采用电力有源滤波器这种滤波技术，能够有效降低谐波对电网和电气设备的危害，提高电力系统的能源利用效率和稳定性。

随着电力电子技术的不断发展和完善，电力有源滤波器在电力系统中的应用前景也将越来越广阔。

有源电力滤波器(APF)在谐波治理中的应用摘要：现如今我国整体经济增长不断加快，社会对电力的需求一直在增加，使得电网的覆盖面积也在持续扩大，从而导致各种不同的运行问题出现。

其中，谐波便是常见的一类影响因素，电网在运行的时候，其会产生强烈的破坏，若情况严重，还会引发安全事故。

因此，这些年部分工作人员就开始尝试使用有源电力滤波器(APF)进行处理，降低其造成的影响。

本篇文章主要介绍了APF设备，探讨了谐波出现的原因和带来的危害，分析了APF在谐波治理中的应用，并对于治理案例发表一些个人的看法。

关键词：有源电力滤波器；谐波治理；实际应用引言：在西方发达国家中，APF的应用率非常广，使得电网的供电水平有了明显上升，特别是对于谐波的治理。

这些年中，我国工业化水平也有了显著进步，谐波逐渐成为影响正常用电的基础问题，对我国工业发展的阻碍明显。

因此，相关工作人员同样可以尝试使用APF，对谐波予以控制，将其造成的损害降到最低。

一、APF的概念所谓APF（有源电力滤波器），源自于英文词组Active power filter，指的是一类能够对谐波产生抑制且实现无功补偿目标的电子设备。

基于各类不同的谐波，该设备可以快速进行跟踪并予以补偿。

之所以称作有源，主要是相比无源LC滤波器，其只能被动完成吸收，且对于谐波本身的频率以及大小有所限制。

二、谐波出现的原因和带来的危害（一）谐波出现的原因1.电源质量的原因发电机在实际发电的时候，由于三相绕组的设计很难做到完美对称，因此就会有谐波出现。

不仅如此，发电机里面绝大多数芯片也不能保证足够均匀，所以同样有概率在运行时造成大量谐波产生。

2.配电网的原因在配电网以及输电网内部通常会设置多个变压器，而变压器在实际运行的时候便会形成大量谐波，从而使得配电网以及输电网的正常工作受到影响，出现运行方面的问题。

3.用电设备的原因电网中的多数用电设备都有非线性负载的情况，在日常运行的时候，就会形成大量谐波，从而使得用户的正常用电受到严重干扰。

有源电力滤波器（APF）在谐波治理中应用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。

本文作者研究了有源电力滤波器（APF）在谐波治理中应用。

标签：有源电力滤波器;谐波治理;应用0、引言有源电力滤波器（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，抵消负载中相应电流，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。

1、有源电力滤波器的工作原理有源电力滤波器（Active Power Filter，简称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。

可以同时滤除多次及高次谐波，滤除率高达95%以上，且不会引起谐振。

有源滤波器APF通过外部电流互感器CT，实时检测负载电流，并通过内部DSP计算，提取出负载电流的谐波成分。

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大小相等、方向相反的电流注入到电网中补偿谐波电流，实现滤波功能。

APF的内部框架图如图1所示。

2、有源滤波和谐波治理的关系对供电系统中周期性非正弦电量进行傅里叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。

它实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。

向供用电网注入谐波电量或在公用电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源。

在一些工业和商业的电力供应系统中，在额定负荷范围内，有时发生补偿电容器或熔断器频繁发热烧毁、一些测控元件或控制保护设备产生异常误差或误动作、负荷开关失控、生产工艺或产品质量不稳定等原因莫名故障或事故，其实这些问题的最大的起因就是谐波的存在。

并联有源电力滤波器之谐波电流检测设计摘要：电力电子装置和非线性负载的普遍使用，使谐波和无功电流大量注入电网，严重威胁电网和电气设备的安全运行与正常使用，对谐波无功进行滤波和补偿已成为电力电子技术、电力系统、电气自动化、理论电工等领域的重要课题。

本文总结性地概述了谐波的影响和有源电力滤波器的发展及应用，并对谐波电流和无功电流的实时检测进行了深入地阐述。

关键词：电力系统谐波、有源电力滤波器、瞬时无功功率理论1、引言目前，随着电力电子技术的发展，在电力系统中增加了大量的非线性负载，比如各种晶阐管可控整流器、变频器、电弧炉、UPS 不间断电源等，给电力系统带来了严重的谐波污染和功率因数的明显降低，导致无功需求增加和电网电压波动，多种电力运行指标恶化。

谐波对负载及供电系统的严重污染问题已经引起了有关专家的特别关注。

高次谐波电流使电机、变压器产生附加损耗，给通讯线路和工业自动化检测与控制系统带来噪声干扰，对变电所内的过流、欠压、距离和周波等保护继电器均会引起拒动或误动，使保护装置失灵或动作不稳定。

传统的无功补偿及无源LC滤波器虽然在吸收高次谐波方面有明显的效果，但存在以下问题：1）电源阻抗严重影响滤波特性；2）随着电源侧谐波增加，滤波器有可能过载；3）同一系统内在设置很多LC滤波回路情况下，难以取得高次谐波流入平衡；4）无源LC滤波回路会因系统阻抗参数变化而发生与系统并联谐振问题，造成电源侧在某一频率上谐波电流倍增。

有源电力滤波器作为一种动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能对频率和幅值都发生变化的谐波和无功电流进行补偿，克服了无源电力滤波器等传统谐波抑制和无功补偿方法的缺陷。

有源电力滤波器补偿电流的检测和控制是决定其工作特性的关键性环节，直接影响到它的补偿精度和补偿速度。

因此，研究谐波和无功电流的实时检测和跟踪控制具有非常很需要的意义。

2、谐波的影响从二十世纪六七十年代以来，由于大功率电力电子装置的广泛应用、大量家用电器的使用以及其它各种非线性负载的增加，导致电力系统小型畸变日益严重，加上为了充分利用电工材料，对电工设备日益倾向于采用在其磁化曲线临界情况甚至饱和区段下工作，导致这些设备的励磁电流波形严重偏离正弦波而发生畸变，这些畸变成分是电力系统中谐波产生的根源。

三相三线制有源电力滤波器LCL参数设计方案1 引言三相三线制有源电力滤波器（APF）可以对现代电力系统中的谐波进行补偿，但是有源电力滤波器本身变流器采用的是PWM调制技术，采用PWM调制技术会产生高频的开关次谐波，这些高次谐波会对一些设备产生很大的电磁干扰，影响设备的正常运行[1-3]。

有源电力滤波器对谐波电流进行补偿时，需要及时跟踪指令电流。

当输出电抗器感量选的很小时，虽然保证了电流的跟踪效果却造成电流的开关次纹波很大；APF的输出电抗器的感量也不能够太大，否则桥臂输出电流会滞后指令电流，造成补偿效果变差。

由此可以看出在选取小感量电抗器保证电流跟踪效果的同时需要在并网点加上LCL滤波环节来滤除开关次高频纹波[4]。

在有源滤波器并网时加上LCL滤波环节后参数选取会影响滤波效果，甚至造成系统谐振，因此需要先分析了解带LCL的APF数学模型，找到谐振点以及合适的参数，从而保证滤波的效果最好。

2 三相三线制APF-LCL数学模型三相三线制APF采用LCL并网接法结构图如图1所示[5-6]。

图1 APF的LCL并网接法图1中的为电网侧相电压，为变流桥交流侧电压，为APF输出电抗感量，为LCL电网侧电抗感量，C为LCL 电容值，R为电阻值。

将图1的三相结构模型等效成单相的结构模型为图2所示，阻尼电阻R的作用是抑制谐振。

根据图2得到LCL的数学模型为方程组（1）：图2 等效的单相LCL模型（1）方程组（1）经拉普拉斯变换后的到结构框图如图3所示。

图3 等效单相LCL模型结构框图可以得到传递函数.可以得出谐振频率为：。

3 APF-LCL数学模型的参数分析根据参考文献[7-8]中LCL参数的选取方法，并考虑到LCL电容值参数在APF不可控整流预充电过程中有较大的影响（例如APF启动时限流电阻为51Ω，40uF电容时整流后直流侧电压稳定在473V，整流时直流侧电容充电过程如图4所示），在APF仿真模型中LCL参数分别取值为表1，分析改变电气参数对系统性能的影响。

电力系统中的谐波分析与滤波器设计谐波是指在电力系统中产生的与基波频率不同的周期性波动。

在电力系统中，各种电力设备和负载会引入谐波，导致电网中出现频率不是50Hz（或60Hz）的电压和电流波形。

谐波对电力系统的稳定性和设备的正常运行造成了许多不利影响，因此谐波分析和滤波器设计是电力系统工程中的重要环节。

谐波分析是指通过测量、分析和评估电网中的谐波含量和频率，以便减少谐波对系统的负面影响。

谐波分析的第一步是进行谐波测量。

常用的谐波测量设备包括数字式谐波分析仪、示波器和功率质量分析仪。

这些设备能够测量电压和电流波形，并计算出各阶谐波的含量和相位。

通过对谐波分析结果的评估，可以确定系统中谐波问题的严重程度和主要源头。

在谐波分析的基础上，根据实际情况设计合适的滤波器是解决谐波问题的关键。

滤波器是一种能够滤除谐波波形的设备，其作用是在电网中引入合适的阻抗来抑制谐波的传输与扩散。

谐波滤波器的设计需要考虑电力系统的频率及其谐波频率、电源类型、负载特点、系统容量以及谐波抑制要求等因素。

谐波滤波器通常分为无源滤波器和有源滤波器两类。

无源滤波器主要由阻抗元件组成，如电感、电容和电阻。

它们被设计为在特定的谐波频率上具有较高的阻抗，以便吸收或反射谐波电流。

有源滤波器则利用电子器件（如晶体管、场效应管和运算放大器）产生与谐波相反相位的电流，从而实现谐波的相消。

常见的谐波滤波器设计方法包括被动滤波器、谐波箱和主动滤波器。

被动滤波器是应用最广泛的一种，通过选择合适的电感和电容值来滤除特定的谐波分量。

谐波箱是一种集成了多个被动滤波器的设备，可以同时滤除多个谐波分量。

主动滤波器则利用电子器件实时控制谐波电流，以实现较高的谐波抑制效果。

在谐波滤波器设计过程中，需要根据电力系统的实际情况选择适当的滤波器拓扑结构。

常见的拓扑结构包括LC型滤波器、LCL型滤波器和有源滤波器。

LC型滤波器是最简单的一种，由电感和电容串联组成，适用于滤除低频谐波。

目录中文摘要 0Abstract................................................. 错误！未定义书签。

前言................................................. 错误！未定义书签。

1谐波问题.............................................. 错误！未定义书签。

1.1谐波的基本概念 (1)1.2电力系统中的主要谐波源 (2)1.3谐波的危害 (3)2有源电力滤波器的基本原理 (3)2.1有源电力滤波器的发展 (3)2.2有源电力滤波技术的提出 (4)2.3有源电力滤波器的基本结构 (4)........................................................ 错误！未定义书签。

........................................................ 错误！未定义书签。

........................................................ 错误！未定义书签。

3谐波检测方法.. (7)3.1基本谐波检测方法 (7)........................................................ 错误！未定义书签。

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3.2瞬时无功功率理论基础及其发展 (7)3.3基于瞬时无功理论的谐波快速检测方法 (8)........................................................ 错误！未定义书签。