并联型有源电力滤波器谐波电流检测及控制策略的研究.pdf

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1、 分类号 密级 U D C 编号 CENTRAL SOUTH UNIVERSITY 硕 士 学 位 论 文硕 士 学 位 论 文 论 文 题 目 并联型有源电力滤波器谐波 电流检测及控制策略的研究 学科、专业 控制科学与工程 研究生姓名 曹 奇 导师姓名及 专业技术职务 申群太 教 授 原 创 性 声 明 原 创 性 声 明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在

2、论文中作了明确的说明。作者签名：日期：年 月 日 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。作者签名：导师签名 日期：年 月 日 I摘摘 要要 由于电网中非线性负载的应用日益广泛，电网中谐波的含量也越来越多，直接造成电能质量越来越差。有源电力滤波器以其优越的补偿性能

3、，已成为综合治理“电网污染”最有效的手段。其中并联型有源电力滤波器占据重要地位。论文首先详细论述了有源电力滤波器的概念、原理及其发展过程，并介绍了有源电力滤波器的分类，给出了三相三线制并联型有源电力滤波器的系统构成以及数学模型。然后深入分析了基于瞬时无功功率理论的pqii谐波电流检测方法，通过采用模拟滤波和数字滤波相结合的方法,较好地解决了电网谐波治理中由于模拟抗混叠滤波器在通带内非平直特性所产生的谐波测量误差问题。并加入延时补偿角，能够减小数字控制中延时对谐波电流补偿的影响。仿真结果证实了该方法的正确性。针对谐波补偿中模糊自整定PI控制和重复控制各自的优缺点，提出了模糊自整定PI-重复控制的

4、复合控制方法，其中重复控制的采用是用来保证系统的静态精度，而模糊自整定PI控制的采用则提高了系统的动态性能。为了保证有源电力滤波器直流侧电容电压的稳定，采用PI控制器去控制直流侧电压。详细介绍了控制器各个环节的设计过程，并用matlab仿真验证了系统的可行性。最后介绍了基于TMS320F2812数字信号处理器的有源电力滤波器控制系统的设计，包括硬件电路的设计和软件设计。关键词关键词：谐波，有源电力滤波器，检测，模糊自整定PI，重复控制 IIABSTRACT With the proliferation of nonlinear loads in grid,more and more harmo

5、nic current has increased.This causes the deterioration of the power quality.Therefore,with its predominant compensate performance,the active power filter(APF)is considered as the most effective method to eliminate the serious power pollution at present.The shunt active power filter plays the most i

6、mportant role in the past or future.Firstly，the dissertation introduces the concept,principle and development trends of APF in detail and analyses the classification of APF.This dissertation has presented the system structure and mathematic model of three-phase three-wire shunt APF.Furthermore，deepl

7、y analyzing theqpii harmonics current detecting method based on instantaneous reactive power theory，through the use of analog-digital filter combined can overcome the measurement error that is made by anti-mix analog filter with non-linearity in the pass-band.Adding the compensatory angle can reduce

8、 the infection of the digital controllers delay time.Simulation results prove the correctness of the algorithm.Base on deeply analyzing the advantages and limitations of the adaptive fuzzy PI control and the repetitive control in APF respectively，the dissertation adopted adaptive fuzzy PI-repetitive

9、 combined control to correct the output current waveform of the APF.The repetitive control is used to improve the steady state characteristic of the control system；The adaptive fuzzy PI control is used to improve the dynamic characteristic of the control system；The dissertation adopted PI control to

10、 makes DC side voltage of APF stability at the standard.This dissertation emphasizes on the design process of links in repetitive control，simulation in matlab show that the proposed method is valid and feasible.Finally，the control system which is based on TI digital signal processor(DSP)TMS320F2812

11、is designed，including the hardware circuit structures and the software structures.IIIKEY WORDS:Harmonic,Active Power Filter，Detect，Adaptive fuzzy PI，Repetitive control IV目 录 摘 要.I ABSTRACT.II 第一章 绪论.1 1.1 课题背景及意义.1 1.1.1 谐波的产生和危害.1 1.1.2 谐波治理的方法.2 1.2 有源电力滤波器的研究现状和发展趋势.3 1.3 本文的主要内容.4 第二章 有源电力滤波器的原理

12、及结构.5 2.1 有源电力滤波器的基本原理.5 2.2 有源电力滤波器的分类.6 2.2.1 按变流器直流侧储能元件分类.6 2.2.2 按供电系统类型分类.7 2.2.3 按与电网的连接方式分类.8 2.3 并联型有源电力滤波器主电路的研究.10 2.3.1 并联型有源电力滤波器主电路的数学模型.10 2.3.2 LCL 滤波器的设计.12 2.4 本章小结.14 第三章 谐波电流的检测.15 3.1 谐波电流检测方法的现状.15 3.2 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法.16 3.2.1 瞬时无功功率理论介绍.17 3.2.2 p、q运算方式.19 3.2.3 qpii运算方式.1

13、9 3.3 基于数字系统的qpii-谐波电流检测方法的研究.22 3.3.1 电网谐波检测中的数字抗混叠方法.22 3.3.2 LPF的设计.24 3.3.3 基于延时的相位补偿.25 3.3.4 仿真结果分析.26 3.4 本章小结.30 第四章 有源电力滤波器控制的研究.31 4.1 并联型APF控制方式的研究.31 4.2 补偿电流的跟踪控制.32 V4.2.1 补偿电流控制方法简介.32 4.2.2 模糊自整定PI控制.34 4.2.3 重复控制.37 4.2.4 复合控制.38 4.3 直流侧电压的控制.45 4.4 系统仿真分析.47 4.5 本章小结.51 第五章 基于DSP的数

14、字控制系统的设计.52 5.1 控制系统的硬件设计.52 5.1.1 TMS320F2812的介绍.52 5.1.2 电源管理单元.53 5.1.2 电流检测电路.54 5.1.3 a相电压过零检测及分频电路.55 5.1.4 直流侧电容电压检测电路.56 5.1.5 光耦隔离电路.57 5.2 控制系统的软件设计.57 5.2.1 主程序.58 5.2.2 中断服务程序.59 5.3 本章小结.61 第六章 总结与展望.62 参考文献.63 致谢.67 攻读硕士学位期间发表的论文.68 中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 1第一章第一章 绪绪 论论 电能是人们社会生活和生产中的重要能源，优质

15、的电能是人们一直追求的目标。我们希望电力系统的交流电压和交流电流是理想的正弦波形，但是实际上并不能实现，接入电网中的各种非线性负载所引起的谐波电流注入电网，是使供电电压和电流产生畸变、电能质量下降的主要原因1。谐波作为评价电能质量的一个重要因素，已引起人们越来越多的关注。随着社会的发展和科技的进步，人们对电能质量的要求日益严格，为保障供电用电双方的合法利益，必须采取有效的治理谐波的措施，严格控制电网中谐波的含量，才能确保电能的质量2。本章从谐波的产生和危害出发，探讨了谐波治理的意义和主要方法，阐述了有源滤波技术的发展概况和国内外研究现状，最后介绍了本文研究的主要内容。1.1 课题背景及意义课题

16、背景及意义 1.1.1 谐波的产生和危害谐波的产生和危害“谐波”这个名词最早来源于声学。在电力系统中，国际电工标准（IEC555-2，1982）和国际大电网会议(CIGRE)定义谐波为：“谐波分量为周期量的傅立叶级数中大于1的n次分量”；IEEE标准519-1981中定义谐波为：“谐波为一周期波或周期量的正弦波分量，其频率是基波频率的整数倍”3。早在上世纪初，电力系统的谐波就引起了人们的关注。直到上世纪50-60年代，因为高压直流输电技术的飞速发展，才出现了大量关于电力系统谐波的论文1。电网中，我们希望交流电压和交流电流的波形是正弦波形，在发电机、变压器等设备正常运行时，是不会产生明显的谐波，

17、但是由于近年来，电网中大量电力电子设备的应用，使得电压和电流的波形都产生了严重的畸变，出现了大量的谐波。电网中主要有以下两类谐波源4：（1）含有半导体的设备，如常见的整流器、逆变器、变频器等；（2）含有电弧和铁磁元件的设备，如电焊机、电弧炉等。电力系统中谐波污染直接对电力系统的发输配电系统和接入电网的各种用电设备甚至其它系统造成严重的危害，主要表现有15：中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 2（1）给发输配电系统造成的影响。如谐波使电网元件产生了附加的谐波损耗，使发电、输电的效率大为降低；谐波可能引起电网中局部谐振，造成严重的安全事故等。（2）给电网中用电设备造成的影响。如使电机产生附加损耗；

18、使日光灯的镇流器过热甚至损坏等。（3）对其它系统的影响。如谐波会使周边的通信设备受干扰，直接影响通信效果，严重时甚至会导致整个通信系统瘫痪；谐波也可造成控制系统不能正常工作，可靠性下降等。电力系统中谐波的危害实在太多，而用户对电能的质量要求却越来越高，因此治理谐波刻不容缓。1.1.2 谐波治理的方法谐波治理的方法 为有效的治理电力系统中的谐波，将谐波的危害降到最低，目前主要有三类方法6。（1）主动治理谐波法。就是从谐波的来源出发，改造产生谐波的设备，使之产生的谐波在允许范围内，或者根本不产生谐波（甚至功率因数为1）。主动治理谐波的措施有：增加产生谐波的整流装置的相数、采用脉宽调制（PWMPul

19、se Width Modulation，）技术、采用多重化技术、采用软开关技术等。（2）被动治理谐波法。就是使用谐波补偿装置，滤除谐波源产生的谐波，使得流入电网的谐波尽可能少。被动治理谐波措施有：无源滤波器(PF,Passive Filter)滤除谐波；有源电力滤波器（APF,Active Power Filter）滤除谐波；混合有源电力滤波器（HAPF,Hybrid Active Power Filter）滤除谐波。（3）受端治理法。就是从受谐波影响的设备或系统出发，提高设备或系统的电磁兼容性能，减少其受谐波的干扰。受端治理的措施主要有：使用更加合适的电源；提高设备或系统自身的抗干扰性能等。

20、作为一种主动的谐波治理方法，主动治理谐波法的目标是对谐波源本身进行改进，而不是改善整个电网性能。受端治理只是减少设备或系统受谐波的干扰，而没有从根本上消除谐波危害的隐患。对于整个电网来说，被动治理谐波法应是最有效治理谐波的手段7。被动治理谐波法中PF成本低，结构简单，还可对无功进行补偿，且技术比较成熟，是目前使用最为普遍的谐波治理工具。不过仍有不少缺点：PF的滤波效果受电网参数影响，可能与电网一起产生谐振，使PF过载甚至烧毁；PF只能补偿某些固定次数的谐波，对于运行中谐波次数会产生变化的负载，谐波治理的效果并不好 8。中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 3随着电力电子技术的不断发展，APF逐渐

21、成为治理谐波的主要方法之一。与PF相比，APF具有以下一些优点：APF能对快速变化的谐波电流进行实时的精确补偿，且补偿效果不受电网参数影响，用一个APF就能完成各次谐波的治理9。HAPF兼具PF造价低和APF性能好的优点，属于APF的分支。APF和HAPF是治理谐波的最有效工具。以前由于受到功率器件制造水平的限制，APF未能得到快速发展。随着各种新型功率器件的出现，各种实用控制算法的提出，以及数字控制技术的不断进步，使得APF步入了实际应用阶段。1.2 有源电力滤波器的研究现状和发展趋势有源电力滤波器的研究现状和发展趋势 APF的发展最早可以追溯到上世纪60年代，70年代正式确立了有源滤波的概

22、念和基本原理。但是由于受到当时功率器件制造水平的限制，全控型功率器件功率小、频率低，使得APF只局限于实验研究。进入 80年代以后，随着各种新型功率器件(GTR,GTO,IGBT等)的出现，以及各种实用的谐波检测方法及跟踪控制算法的提出，使得APF得到迅速完善和发展，特别是赤木泰文等人提出的“三相电路瞬时无功理论”，很好地解决了谐波和无功电流的瞬时检测问题，使得APF的研究取得了新的突破，逐渐在工业场合得到广泛应用，进入实际应用阶段10。随后几十年，有源电力滤波器发展迅速，技术也越来越成熟。1990年，日本科学家H.Fujit.等提出将APF与PF串联混合使用的滤波方案，几年后，日本的研究人员

23、又针对未来电力系统提出了一种新的称做统一电能质量调节器（UPQC，Unified Power Quality Conditioner）的APF拓扑结构。在日本、德国、美国等发达国家APF的应用得到了高度重视，已经广泛用于国民经济的各个生产部门。当前，全球生产APF的主要厂商有三菱电机、西门子等。在日本，已有很多台APF投入生产中运行，容量从50KVA到60MVA不等。我们国家在APF方面的研究起步较晚，直到上世纪九十年代，一些研究机构才开始进行有关APF的研究，但是这些研究得到了学术界和企业界的鼎力支持，为之学术界和企业界投入了大量的人力和物力，目前已经有不少产品问世并投入使用，不过和工业发达

24、的国家相比还是有一定的差距11。近年来，关于APF的论文、专著相继得到发表或出版，面向企业配电网的APF也不断投入到工业实用中，这些都极大地推动了APF的发展，目前，关于APF的研究主要集中在以下几个方面12：（1）合理的主电路设计。主电路的参数直接影响APF的性价比，因此需要认真选取每个参数，比如变流器直流侧电容的容量大小、两端电压值及交流侧中南大学硕士学位论文 第一章 绪论 4电感值、电容值等。（2）更为完善的谐波电流检测理论。目前的谐波电流的检测方法绝大多数都是以瞬时无功理论为基础的，但是一些量的物理概念在瞬时无功功率理论中还是很模糊，不是很容易让人理解；此外在实用中，还必须解决延时问题

25、；我们还要注意补偿的灵活性，如选择性的补偿某次或某些谐波9。（3）快速、准确的补偿电流跟踪能力。APF系统对补偿电流的跟踪能力直接决定了APF的补偿性能。随着先进的数字信号处理器（DSP）、单片机的出现，采用数字控制来实现对APF的控制已成为APF的发展趋势之一。另外那些易于用数字方法实现的先进控制算法，如预测电流控制技术也必将成为APF研究的热点10。（4）降低装置容量。在同等容量下，APF的造价要远远高于PF，为降低APF的容量，可以将APF和PF混合使用，以提高系统的容量和总体的补偿效果。另有研究人员提出了一些其它的主电路拓扑结构，如注入回路方式等，以降低APF成本。（5）系统的数字化和

26、多功能化。提高APF系统的可靠性，降低系统的损耗。增加滤波器的功能，使其不仅可以补偿谐波电流，还可以补偿无功、显示各次谐波含量等。1.3 本文的主要内容本文的主要内容 本文主要进行了以下几个方面的研究。（1）介绍了APF的研究现状、发展趋势和基本原理；从几个不同角度对APF进行了细致的分类。深入研究了三相三线制并联型APF的工作原理，对其主电路进行了数学建模。（2）介绍了已有的主要谐波电流检测方法。详细分析了基于瞬时无功功率理论的 ip-iq法，通过采用模拟滤波和数字滤波相结合的方法，较好的减少了数字采样中混叠现象引起的谐波电流检测误差。相位补偿角的引入，减少了数字系统中延时引起的谐波电流检测

27、误差。（3）比较了APF电流环常用的几种控制方法。对电流环采用模糊自整定PI控制和重复控制分别进行了分析，总结了两种方法各自的优缺点。最后提出了采用模糊自整定PI加重复控制的复合控制方法，通过仿真证明了复合控制能很好地保证系统的静态和动态性能。（4）介绍了并联型APF控制系统的硬件设计和软件设计。中南大学硕士学位论文 第二章 有源电力滤波器的原理及结构 5第二章第二章 有源电力滤波器的原理及结构有源电力滤波器的原理及结构 有源电力滤波器是一种既能动态治理谐波又能补偿无功的电力电子装置。它能对幅值及频率变化的谐波甚至变化的无功进行补偿，而又可以克服LC滤波器等传统的谐波治理和无功补偿方法的缺点，

28、所以成为了目前谐波治理和无功补偿的研究热点。本章首先介绍APF的基本工作原理，然后介绍了APF的分类。最后详细介绍了三相三线制并联型APF的主电路并给出了数学模型。2.1 有源电力滤波器的基本原理有源电力滤波器的基本原理 并联型APF和串联型APF是APF最基本的两种结构，较之串联型APF，并联型APF在实际应用中用得更多。图2-1所示为最基本的并联型APF系统结构图。图中se 是交流电源，电源电流为si，作为谐波源的非线性负载，在带来大量谐波的同时，还消耗无功功率。其中指令电流运算电路的主要作用是通过检测得到补偿对象负载电流中的谐波和无功等需补偿的电流分量。补偿电流发生电路包括电流跟踪控制电

29、路、驱动电路及主电路三部分，其主要作用是根据指令电流运算电路得到的需补偿电流的指令信号，控制主电路产生实际的补偿电流。这两大部分共同组成了APF系统。主电路目前大都采用PWM变流器。作为主电路的PWM变流器既工作在逆变又工作在整流状态，而且两种状态不能明显分别，故在本论文中将其称为变流器。主电路运算电路驱动电路电流跟踪控制电路APF电源非线性负载CiLiSieSCRLHPF指令电流 图 2-1 并联型有源电力滤波器系统结构图 中南大学硕士学位论文 第二章 有源电力滤波器的原理及结构 6APF的基本工作原理是，通过电压和电流传感器实时检测补偿对象(非线性负载)的电压和电流信号，然后经指令电流运算

30、电路计算出补偿电流指令信号，以此信号作为参考输入去控制变流器，使变流器输出与补偿电流大小相等、相位相反的实际补偿电流，以实现谐波及无功补偿的目的，最终得到期望的电源电流。如图2-1，假如要抑制电流中的谐波，则可以通过APF的指令电流运算电路，得到负载电流Li中需补偿的谐波分量Lhi，再将Lhi反极性后得到*ci，把*ci作为补偿电流的指令信号，使补偿电流发生电路产生实际补偿电流ci，它与Lhi大小相等、方向相反，两者之和为0，可以相互抵消，使得si 中只含基波分量Lfi，谐波分量全部滤除。这样抑制si 中谐波电流的目的就达到了。上述原理可以用以下的公式组表示：sLcLLfLhcLhsLcLfi

31、iiiiiiiiiii=+=+=+=（2-1）当APF既要补偿谐波又要补偿负载消耗的无功功率时，则只要在*ci中增加与Li的基波无功电流分量大小相等、极性相反的成分就可以了。这样，ci 就可以将Li中的谐波及无功电流成分抵消掉，si 只包含Li的基波有功分量。补偿以后的si 波形将是一个与电源电压频率、相位皆相同的标准正弦波，则APF不但可以有效的抑制谐波而且能补偿无功，理想情况下可实现单位功率因数1。2.2 有源电力滤波器的分类有源电力滤波器的分类 经过几十年的发展，有源电力滤波器衍生出了很多种类型，它们的工作原理不完全一致，分类方式也各种各样。按变流器直流侧储能元件的不同，有源电力滤波器可

32、以分为电流源型APF和电压源型APF；按供电系统类型分类，有源电力滤波器可分为单相APF和三相APF两种，其中三相的包括三相三线制APF、三相四线制APF等；按与电网的连接方式分类，有源电力滤波器可分为并联型APF和串联型APF以及混合型APF三大类1 12。2.2.1 按变流器直流侧储能元件分类按变流器直流侧储能元件分类 从变流器直流侧储能元件这个角度，APF可以分为：电流源型APF和电压源型APF。APF主电路中，为了实现补偿目的，直流侧必须要与交流侧交换能中南大学硕士学位论文 第二章 有源电力滤波器的原理及结构 7量，这就要求主电路的直流侧要有储能元件，既可以用大电感储能，又可以用大电容

33、储能。因此APF既有直流侧储能元件采用电感的电流源型APF又有直流侧储能元件采用电容的电压源型APF。电流源型APF如图2-2所示。在正常工作情况下，流经大电感的电流变化非常小，具有电流源的性质。由于电流源型APF直流侧的储能元件是电感，故在装置发生短路等故障时，可以阻碍电流的急剧变化。但由于一直有电流流过电感，在电感的内阻不能忽略情况下，电感将消耗较多的能量，因此，电流源型APF不适用于大容量系统，目前使用较少 13。电压源型APF如图2-3所示。在正常工作情况下，大电容两端的电压波动非常小，具有电压源的性质。电压源型APF通过控制变流器的输出电压而得到所需要的补偿电流。电压源型APF损耗小

34、、效率高、性价比高，特别适用于电网级别的谐波治理。但它存在一个致命的缺点：由于直流侧为电容，如果变流器的某个桥臂发生短路，就会造成直流贯通短路，造成很大的危害，这就对主电路的保护提出很高的要求。目前电压源型APF技术相对成熟、完善，市场占有率在90%以上。非线性负载电源LdcAPF 非线性负载电源CdcAPF 图 2-2 电流源型 APF 图 2-3 电压源型 APF 本文选择使用的主电路结构为电压源型。2.2.2 按供电系统类型分类按供电系统类型分类 根据供电系统的不同，可将APF分为单相APF和三相APF，其中三相APF又可分为三相三线制APF和三相四线制APF。单相APF用于抑制单相系统

35、的谐波，一般用于小功率场合，比如医院、学校以及小型工厂等。单相负荷一般都是由三相四线制系统供电的，这些负荷不仅给三相四线制系统带来了谐波和无功电流，还容易使三相四线制系统不平衡。三相四线制APF的研制就是为了抑制这类系统出现的谐波。三相三线制APF，用于治理三相三线系统的谐波，实际应用中占多数，因此本文主要研究的就是三相三线制APF。中南大学硕士学位论文 第二章 有源电力滤波器的原理及结构 82.2.3 按与电网的连接方式分类按与电网的连接方式分类 从与电网的连接方式这个角度分类，APF可分为并联型APF和串联型APF以及并联和串联一起使用的混合型APF三大类。有源电力滤波器并联型并联混合型串

36、联型单独使用方式注入回路方式串联APF并联PF单独使用方式并联APF并联PFAPF与PF串联后并联接入电网并联谐振式串联谐振式并联APF串联APF 图 2-4 APF 连接方式分类（1）并联型APF 并联型APF是APF中最基本的一种结构，同时也是现在工业中实际应用最多的一种APF。并联型APF与负载并联接入电网，主要用于电流型负载的谐波补偿。它可等效为一个受控电流源，通过向电网注入与谐波电流大小相等，极性相反的补偿电流，来抵消谐波源所引起的谐波，从而达到谐波治理的目的。如图2-5，单独使用的并联型APF具有很多优点，比如可实现的功能比较灵活、保护简单等优点。但由于电源电压是直接加在变流器上，

37、因此对变流器的功率器件的耐压等级要求比较高，全部谐波电流的补偿任务差不多全由APF承担，在负载谐波含量较高时，这就需要APF的容量很大，使得成本较高。非线性负载变流器APF电源 图 2-5 单独使用的并联型 APF 中南大学硕士学位论文 第二章 有源电力滤波器的原理及结构 9在使用APF的同时，可采用PF来承担大部分滤波任务以降低并联型APF的容量，较之APF，PF结构简单、易实现，且成本低，两者结合同时使用，不仅扩大了补偿装置的补偿容量，还降低了补偿装置的的成本，使整个系统获得良好的性能，在补偿任务相同的情况下减小了APF的容量14。并联型APF与PF混合使用的方式有并联和串联两种，如图2-

38、6，图2-7。PF变流器APF非线性负载电源 PFAPF变流器非线性负载电源 图 2-6 并联型 APF 与 PF 并联混合使用 图 2-7 并联型 APF 与 PF 串联混合使用 APF的容量由其承受的电压和流经的电流共同决定，为减小APF的容量，降低功率器件的耐压等级，可设法使APF所承受的电压降低。为了减小单独使用的APF上承受的电网电压，可以利用电感电容电路的谐振特性，使得APF只需承受很小部分的电网电压，从而极大地减小APF的容量。串联谐振式注入型APF和并联谐振式注入型APF分别如图2-8，图2-9所示。谐波源变流器APF电源 谐波源变流器APF电源 图 2-8 串联谐振式注入型

39、APF 图 2-9 并联谐振式注入型 APF （2）串联型APF 串联型APF通过耦合变压器串联到输电网络中，是另一种基本的APF结构，它等效于一个受控电压源，通过跟踪谐波源电压中的谐波分量，产生极性与之相反的谐波电压，从而抑制谐波源引起的谐波电压。串联型APF能补偿电压性质的谐波，特别适用于对电压敏感的负载，容量小，运行效率高，这是它的最大优点。但与并联型APF相比，串联型APF的主要缺点是不能补偿电流性质的谐波，且流过的负载电流很大，因此损耗较大；此外串联型有源电力滤波器的投切、以及各种保护措施较为复杂。目前单独使用串联型APF的例子较少，研究一般集中在其与PF并联混合使用，如图2-11中

40、南大学硕士学位论文 第二章 有源电力滤波器的原理及结构 10所示。变流器APF谐波源电源 变流器APF谐波源PF电源 图 2-10 单独使用的串联型 APF 图 2-11 串联型 APF 与 PF 并联混合使用（3）并联型APF与串联型APF混合使用 1994年，提出了一种并联型APF和串联型APF混合使用的新型APF拓扑结构，这种HAPF也叫做统一电能质量调节器 15。UPQC具有两种APF的共同的优点，是针对未来电力系统设计的，目前制造这种APF的成本相当高，图2-12给出了UPQC的拓扑结构。谐波源UPQC变流器变流器电源 图 2-12 并联型 APF 与串联型 APF 混合使用 2.3

41、 并联型有源电力滤波器主电路的研究并联型有源电力滤波器主电路的研究 2.3.1 并联型有源电力滤波器主电路的数学模型并联型有源电力滤波器主电路的数学模型 三相三线制电压源型APF在APF的实际工业应用中占大多数。其中，单独使用的并联型APF是最基本的一种，在工业中也应用最广泛。故本文主要研究了三相三线制单独使用的并联型APF，对于单相或三相四线制的系统，只需在三相三线制的基础上适当变化即可，对此不再详细介绍16。要想有效地分析和研究有源电力滤波器，必先建立有源电力滤波器的数学模型。本文研究的APF的主电路结构见图2-13。中南大学硕士学位论文 第二章 有源电力滤波器的原理及结构 112L1LC

42、aebece1V3V5V4V6V2VdC+-arubrucrudciNVdcu 图 2-13 并联型有源电力滤波器主电路结构图 如图2-13所示，为了对开关纹波更好的吸收，变流器输出滤波采用LCL滤波器17。1L 为变流器侧滤波电感，2L 为电网侧滤波电感，C 为滤波电容，dC 为变流器直流侧电容，NV 是电容负端相对电源公共点的电压，aci,bci,cci 为补偿电流。开关纹波电流主要流入LCL中的电容，基本不流入电网。变流器的交流侧可用公式描述为 231121223112122311212()()()aacacaarbbcbcbbrcccccccrd edid ieLCLLL L Cudt

43、dtdtd edid ieLCLLL L Cudtdtdtd edid ieLCLLL L Cudtdtdt+=+=+=（2-2）其中 aradcNbrbdcNcrcdcNuS uVuS uVuS uV=+=+=+（2-3）式中,abcSS S是开关函数。其取值原则如下：当i桥臂的上管导通，下管截止时iS=1；当i桥臂的下管导通，上管截止时iS=0。其中i=a，b，c。流经变流器直流侧电容的电流为 ()dcdca acb bcc ccduCiS iS iS idt=+（2-4）在对称的三相三线制系统中，三相电流之和始终为零，即 0acbccciii+=（2-5）由式（2-2）、式（2-3）、式

44、（2-4）和式（2-5）则可以推导出 ()()1133NarbrcrabcdcVuuuSSSu=+（2-6）中南大学硕士学位论文 第二章 有源电力滤波器的原理及结构 12APF主电路中功率器件的通断，是由采样时刻处补偿电流指令信号、实际补偿电流和指令信号的偏差、iS取值原则三者共同决定。2.3.2 LCL 滤波器的设计滤波器的设计 将APF结构化简，可得到其LCL等效原理图，如图2-14所示。通过LCL滤波器，可把PWM变流器输出的电压信号转变成需补偿的谐波电流，最后注入电网。在变流器输出的电压中含有变流器开关频率及其附近的谐波，应避免流入电网18。1L接变流器，把变流器输出的电压信号转换为谐

45、波电流信号1I，由于电感可以阻碍流经其电流的变化，故可在一定程度上进行滤波。2L与C可对1I中高频的开关频率及其附近的谐波进行滤波，滤波的效果由2L和C在开关频率及其附近的阻抗来确定，最后得到输出的补偿电流2I。由于2L和C的滤波，2I中的开关纹波比1I要小。1L越大，2L和C所要滤除的开关纹波成分就越小，这样虽然可以减小C的大小，但是增大1L会影响APF的动态性能，使补偿效果最终变差19。2I2L1L1IinUseC 图 2-14 LCL 单相等效原理图 设1L、2L和C的内阻分别为1LR、2LR和CR，根据LCL等效原理图，可得到LCL的传递函数 2323210()()()()inIsP

46、sH sUsQ sQ sQ sQ=+(2-7)其 中()1CP sR Cs=+，312QL L C=，21212()()LCLCQRRLRRL C=+，212112()LCLLCQRRR CR R CLL=+，120LLQRR=+。1LR、2LR和CR的阻值很小，若忽略，则()H s可以简化为 312121()()H sL L CsLL s=+(2-8)中南大学硕士学位论文 第二章 有源电力滤波器的原理及结构 13图2-15为在电感值相等下，LCL滤波器和L滤波器的波特图。图 2-15 LCL 滤波器和 L 滤波器波特图比较 由图2-15可知，在频率较低时，LCL滤波器和L滤波器一样，都是以2

47、0 dB/10倍频的速率衰减，但是在频率很高时，LCL滤波器是以60 dB/10倍频的速率衰减，而L滤波器却仍然是以20 dB/10倍频的速率衰减，由此可见，在频率较高时，LCL滤波器的滤波性能要比L滤波器好。但是LCL滤波器存在谐振峰，必须采取抑制措施，其谐振角频率为 121(/)oLL C=（2-9）LCL滤波器是在LC滤波器的基础上添加了一个网侧电感而成，相当于使电网阻抗值增大了，这样用很小的电容就可得到良好的滤波效果，从而使流入电网的变流器开关纹波减少了。将2L等效到电网内部的阻抗，就可以LCL滤波器的设计简化成LC滤波器的设计，等效电路图如图2-16所示。2I1L1ICinUsysZ

48、 图 2-16 LCL 简化单相等效原理图 中南大学硕士学位论文 第二章 有源电力滤波器的原理及结构 14图2-16中sysZ为电网阻抗Z等效到APF侧的阻抗和2L的阻抗2LX之和，设APF和电网之间的耦合变压器的变压比为:1n，则 22sysLZn ZX=+(2-10)1L、2L和C的设计必须满足以下二个条件20：（1）在开关频率及其附近，1(/)CsysLXZX（其中CX为C的阻抗，1LX为1L的阻抗）。这样就可以使APF输出的开关纹波电压基本由1L承担，而电容C两端的开关纹波电压就很小。还要保证2CLXX，这样就可以使经1L滤波后还剩下的高频电流分量尽量流经电容C，最终就可以使很小的开关

49、频率电流注入电网。（2）CX、1LsysXZ。满足该条件的即可保证电感1L和电容C之间的分压受sysZ的影响不大，同时这也可以降低有源电力滤波器的容量。本文研究的APF是针对用于低压配电网(相电压有效值220V，频率为50Hz)、补偿容量为100KVA的并联型有源电力滤波器。PWM调制频率为6.4KHz、变流器直流侧电压为800V。综合考虑取1L=1mH，C=5uF，2L=1mH。2.4 本章小结本章小结 本章详细介绍了APF的工作原理，从变流器直流侧储能元件的不同、供电系统类型及与电网的连接方式三个方面分别对APF进行了分类。分析了实际应用最多的三相三线制并联型APF的主电路，并给出了数学模

50、型。对主电路的LCL滤波电路进行了深入研究，并对其参数进行了设计。中南大学硕士学位论文 第三章 谐波电流的检测 15第三章 谐波电流的检测第三章 谐波电流的检测 由并联型APF的系统构成可知，指令电流运算电路的主要作用是检测出补偿对象电流中的谐波电流分量，并得到相应的补偿电流指令信号，并以此作为参考信号来控制PWM变流器产生相应的补偿电流。APF的动态补偿特性对谐波电流的实时检测提出了很高的要求。补偿电流指令信号获取的实时性与准确性直接决定了APF跟踪负载谐波电流变化的能力，从而影响到APF的补偿性能。因此，谐波电流的检测是谐波治理中的一个关键技术，必须引起高度重视。3.1 谐波电流检测方法的