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1、有源电力滤波器作为一种理想的抑制谐波和改善功率因数的装置，能够对频率和幅值均发生变化的谐波和无功进行补偿，弥补了传统无源电力滤波器的不足。本文应用基于瞬时无功功率理论的谐波检测法包括：一夕检测法、4-4检测法、ip-ig检测法，然后对1检测法作了改进，得出了一种基于ip-ig法的电流平均值检测法，该方法具有较快的动态响应速度。对比分析了两种补偿电流的控制方法：三角波比较控制法、滞环比较控制法的特点。为了验证各种检测方法和控制方法的正确性，本文用MATLAB/SIMULINK中的电力系统模块SimPoWerSyStemSBk)CkSet对整个三相并联电压型有源电力滤波器进行了仿真研究。该系统仿真
2、模型结果准确，验证了检测算法和控制方法的有效性，能实时反映动态过程变化。关键词：谐波电流；有源电力滤波器；谐波补偿；瞬时无功功率理论；仿真AbstractAsanidealdevicetoeliminateharmoniccurrentandimprovepowerfactor,activepowerfiltercancompensatetheharmonicandreactivepowerwithvariablebothoffrequencyandamplitude,anditmakesupthedrawbackofthepassivepowerfilter.Inthispaper,theh
3、armonicdetectionmethodbasedontheinstantaneousreactivepowertheoryisused,itconsistsofthep-qdetectionmethod,d-qdetectionmethodandip-iqdetectionmethod,thenitmakesimprovementsonip-iqdetectionmethod.Aftertheabove,thepaperproposesanotherdetectionmethodwhichbasedontheip-i(/averagecurrent,andthismethodhasafa
4、sterdynamicresponsespeed.Thentakethesetwokindsofcompensationcurrentcontrolmethodintocomparativeanalysis:triangularwavecomparecontrolmethodandhysteresiscomparecontrolmethod.Inordertovalidatethecorrectionofdifferentdetectionandcontrolmethods,thethree-phaseshuntvoltageparallelactivepowerfilterwassimula
5、tedinMATLAB/SIMULINKbyusingSimPowerSystemsBlockset.Thesimulationresultiscorrect,provesthevalidityofthedetectingandcontrolmethodswhichcanreflectdynamicchange.Keywords:Harmoniccurrent;Activepowerfilter;Harmoniccompensation;Instantaneousreactivepowertheory;Simulation第1章概述11.1 课题研究的背景11.2 谐波的危害和无功功率的影响1
6、1.3 谐波的抑制方法21.4 有源电力滤波器的发展历史及研究现状31.5 本文的主要工作4第2章有源电力滤波器52.1 有源电力滤波器的基本原理和分类52.2 有源电力滤波器的系统构成72.3 本章小结10第3章谐波和无功电流检测113.1 三相瞬时无功功率理论113.2 基于瞬时无功功率理论的谐波与无功电流检测法133.3 本章小结17第4章有源电力滤波器控制方法184.1 三角波比较法184.2 滞环比较法194.3 主电路直流侧电容电压的控制194.4 本章小结21第5章三相并联电压型有源电力滤波器的仿真225.1 三相谐波源的仿真225.2 谐波与无功电流检测方法的仿真235.3 补
7、偿电流控制方法的仿真295.4 对直流侧电压控制的仿真325.5 三相并联电压型有源电力滤波器的整体仿真335.6本章小结36结论37参考文献38致谢39第1章概述1.1 课题研究的背景随着电力电子技术的飞速发展，在现代工业、企业和运输部门中，各种电力电子设备，如晶闸管整流和变流装置得到了广泛的应用，同时在居民用电设备中，各种家用电器相当普及。这些负荷虽然在节省电能、提高生产效率和生活质量等方面起着重要作用，但由于它们的非线性和多样性特点，使得大量的谐波与无功电流注入电网，对公用电网的供电质量和用户设备的安全可靠运行造成了严重威胁；另一方面，现代工商业、企业和居民用户对供电质量也提出了很高的要
8、求，尤其是IT产业的迅猛发展使得人们更加依赖于数字化设备所提供的信息服务，而数字化设备对供电质量的要求更高。近年来出现的用户电力技术（CUStOmPOWer）W就表明信息时代的电力用户已经对电能质量提出了明确的要求，因而对改善电能质量的研究已刻不容缓。谐波与无功电流是影响电能质量的主要因素。目前，谐波与电磁干扰、功率因数降低并列为电力系统的三大公害。所以，抑制谐波和改善功率因数已成为电力电子技术、电气自动化、电力系统、理论电工等领域中的重要研究课题。1.2 谐波的危害和无功功率的影响1.2.1 谐波的危害理想的公用电网提供的电压，应该具有单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波的产生，对公用电
9、网是一种污染。近些年来，各种电力电子装置的迅速普及使得公用电网的谐波污染问题日益严重，由此引发的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性已经引起人们的高度关注。对公用电网和其他系统，谐波危害大致表现如下几个方面：（1）使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电和用电设备的效率。大量3次谐波电流流过中性线时会使线路过热，甚至发生火灾。（2）影响各种电气设备的正常工作。如谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压、使变压器铁损增大、出现局部严重过热。另外，谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短以致损坏。（3）引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，进
10、而导致谐波放大，甚至引起严重事故。（4）致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准确。（5）对邻近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量，重则导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。1.2.2 无功功率的影响基波无功功率对公用电网的影响有以下几个方面网：（1）增大设备的容量。无功功率的增加，将导致电流和视在功率增大，从而使发电机、变压器及其它送配电设备的容量和导线容量增加，同时也使用户的起动和控制设备、测量仪器仪表的尺寸和规格增大。（2）使设备和线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路损耗增加。（3）使线路及变压器的电压降增大。如果是冲击性无功功率负载，还
11、可能使电压产生剧烈波动，导致供电质量严重降低。1.3 谐波的抑制方法1.3.1 传统谐波抑制方法由于谐波对电网和用电设备造成的危害日趋严重，世界各国都对谐波问题十分关心和重视。传统的谐波抑制方法有两大类，一类是对产生谐波源装置本身进行改造的方法，另一类是设置谐波滤波器装置的方法。对于第一类方法，目前主要有：增加整流相数；采用多重化接线方式；采用先进的控制技术如PWM技术，谐波消去优化法；限制变流装置的容量；加入滤波环节等。尽管这些措施可以有效地减少谐波，但由于一些电力电子装置的工作机理所决定，必然要产生一定量的谐波。第二类方法，目前普遍采用由交流电抗器、电容器和电阻适当组合而成的LC无源滤波器
12、，这种方法既可抑制谐波又可补偿无功功率，而且结构简单、技术成熟、运行可靠、维护方便，一直被广泛使用。1.3.2 有源电力滤波器抑制谐波有源电力滤波器是一种动态抑制谐波和改善功率因数的新型电力电子装置，它能对频率和幅值都发生变化的谐波和无功进行补偿，弥补了无源电力滤波器的不足，具有比无源电力滤波器更好的补偿性能，是一种理想的抑制谐波和改善功率因数的装置。与无源电力滤波器相比，有源电力滤波器具有以下优点：（1）具有高度的可控性和快速的响应性。（2）能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿变化的无功功率且大小连续可调，有一机多用的特点。（3）补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需的储能元件容量也不大。
13、（4）即使补偿对象的电流过大，也不会发生过载，仍能继续运行。（5）受电网阻抗的影响小，不易和电网阻抗发生谐振。（6）能跟踪电网频率的变化，故补偿特性不受电网频率变化的影响。（7）既可单独对一个谐波源补偿，也可以同时对多个谐波源集中补偿。（8）控制电路容易实施限流保护，体积较小，重量较轻。由于以上优点，有源电力滤波器已成为抑制谐波和改善功率因数的重要方法，受到了极大的关注。随着容量的不断提高,有源滤波技术作为改善电能质量的关键技术,其应用范围也将从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统的电能质量的方向发展。1.4 有源电力滤波器的发展历史及研究现状1.4.1 有源电力滤波器的发展历史20世纪70年
14、代初期，日本学者首先提出了有源电力滤波器的概念。1976年美国西屋电气公司的L.Gyugyi又提出：利用大功率晶体管组成的PWM逆变器来构成APF,以消除电网谐波。由于受当时功率半导体器件水平以及控制方法的限制，APF的研制一直处在实验阶段6进入20世纪80年代后，随着电力电子技术及控制技术的飞速发展、大功率可关断器件（GTR、GT0、IGBT等）的不断进步、以及对非正弦条件下无功功率理论的深入研究，特别是1983年日本学者H.Akagi提出的瞬时无功功率理论，为APF的实际应用提供了必要的条件。又经过20多年的研究和探索,有源滤波技术得到了长足的发展,越来越多的APF投入了运行，不论是在实际
15、功能还是在运行效率上都有了明显的改善。目前，APF已用在提高电能质量、调节三相电力系统中的终端电压、抑制电压波动、改善电压平衡以及抑制谐波和改善功率因数等问题上。1.4.2 有源电力滤波器的国内外研究现状有源电力滤波器作为改善电能质量的一项关键技术，在日本、美国、德国等发达工业国家已得到了高度重视和日益广泛的应用。目前，世界上APF的主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电器公司、德国西门子公司等。据统计，仅在日本，自1981年以来，己有500多台APF投入运行，其容量范围从50KVA到60MVA越来越宽，功能从谐波抑制和功率因数校正到抑制闪变和电压调节等越来越丰富。国内对APF的研究也十分
16、活跃，技术上已经比较成熟，但仍处于实验阶段。有关APF的研究主要集中在并联型和混合型。并联型APF的研究最为成熟，主要以理论和实验研究为主。理论上涉及到了功率理论的定义、各种谐波电流的检测方法、APF的稳态和动态特性分析等。虽然在理论上取得了一定的进展，但由于多方面条件的限制，至今未有并联型APF的正式产品用于实际。目前，以高速数字信号处理器（DigitalSignalProcessor,DSP）为基础的实时数字信号处理技术的迅速发展使得采用模拟量控制的电能质量调节装置正被采用数字量控制的电能质量调节装置所取代。随着DSP性价比的不断提高，用DSP控制APF已成为当今和未来技术发展的一个新热点。此外，大功率电力电
