【文章內(nèi)容簡介】 濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項(xiàng)重要措施。它分為“無源濾波” （PF: PASSIVE FILTER）和“有源濾波” （APF: ACTIVE POWER FILTER） [10]。（1） 無源濾波圖 11 無源濾波器結(jié)構(gòu)無源濾波器，又稱 LC 濾波器，是利用電感、電容和電阻的組合設(shè)計(jì)構(gòu)成的濾波電路，可濾除某一次或多次諧波，最易于采用的無源濾波器結(jié)構(gòu)是將電感與電容串聯(lián)，可對主要次諧波構(gòu)成低阻抗旁路；單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器、高通濾波器都屬于無源濾波器。無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、運(yùn)行可第 3 頁共 25 頁靠性較高、運(yùn)行費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)?；镜臒o源濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如上圖 11 所示。（2）有源濾波目前，諧波抑制的一個重要趨勢是采用電力有源濾波器(ACTIVE POWER FILTERAPF)。有源電力濾波器也是一種電力電子裝置。其基本原理是從補(bǔ)償對象中檢測出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流，從而消除電網(wǎng)中的諧波。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，因而受到廣泛的重視，并且在日本等國得到廣泛的應(yīng)用。有源電力濾波器的基本思想在六七十年代就己經(jīng)形成。80 年代以來，由于大中功率全控型半導(dǎo)體器件的成熟，脈沖寬度調(diào)制(PULSE WIDTH MODULATIONPWM)控制技術(shù)的進(jìn)步，以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測方法的提出，有源電力濾波器才得以迅速發(fā)展。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀早在 20 世紀(jì) 70 年代初，日本學(xué)者就提出了有源電力濾波器的概念，當(dāng)時由于電力電子器件制造水平的限制，這項(xiàng)技術(shù)沒有引起廣泛的關(guān)注。直到 80 年代，隨著大中功率全控型半導(dǎo)體器件的成熟，脈寬調(diào)制(PWM )控制技術(shù)的進(jìn)步以及赤木泰文〔AKAGI H〕瞬時無功功率理論的提出，有源電力濾波器才得到迅速發(fā)展和完善。作為改善供電質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，有源電力濾波器在日本、美國、德國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到了高度的重視和日益廣泛的應(yīng)用，目前世界上 APF 的主要生產(chǎn)廠家有日本三菱電機(jī)公司、美國西屋電氣公司和德國西門子公司等。我國在有源電力濾波器方面的研究起步較晚，1989 年才有這方面研究的文章出現(xiàn)，1993 年才見到試驗(yàn)性的工業(yè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。但近十幾年來，越來越多的研究單位對有源濾波技術(shù)開展了深入的理論研究和實(shí)驗(yàn)，這些研究有的已達(dá)到或接近國際先進(jìn)水平。當(dāng)前研究工作的關(guān)鍵是加快有源電力濾波器在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用，提高實(shí)際應(yīng)用水平 [1]。 本課題研究的意義隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大量由電力電子開關(guān)構(gòu)成的、具有非線性特性的用電設(shè)備。廣泛應(yīng)用于冶金、鋼鐵、交通、化工等工業(yè)領(lǐng)域。如電解裝置、電氣機(jī)車、軋制機(jī)械、高頻爐等使電網(wǎng)中的諧波污染狀況日益嚴(yán)重。電網(wǎng)中的高次諧波會造成旋轉(zhuǎn)電機(jī)和變壓器過熱。使電力電容器組工作不正常，甚至造成熱擊穿損壞。對電力系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)、繼電保護(hù)自動裝置和電能計(jì)量等也有很大危害。嚴(yán)重時會引發(fā)誤動作；造成重大事故。諧波污染對通信、第 4 頁共 25 頁計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、高精度加工機(jī)械，檢測儀表等用電設(shè)備也有嚴(yán)重的干擾。因此，必須采取有效的措施來消除電網(wǎng)中的高次諧波。目前大量采用并聯(lián)型無源濾波器來抑制諧波，它由電容器、電抗器、電阻器組成的單調(diào)諧濾波器和高通濾波器構(gòu)成。通過對某些次數(shù)的諧波呈現(xiàn)低阻來達(dá)到濾波的目的。同時還兼顧無功補(bǔ)償?shù)男枰Ｓ捎诓⒙?lián)型的無源濾波器存在不少問題，影響到實(shí)際應(yīng)用。所以目前的趨勢是采用電力電子裝置進(jìn)行諧波補(bǔ)償，這就是電力有源濾波器( APF)。與無源濾波器( PF)相比,電力有源濾波器能對變化的諧波進(jìn)行迅速的動態(tài)跟蹤補(bǔ)償，而且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響. 國外電力有源濾波器的研究以日本為代表，已進(jìn)入實(shí)用化階段,隨著容量的逐步提高，其應(yīng)用范圍也從補(bǔ)償用戶自身的諧波問題向改善整個電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的方向發(fā)展。在裝置技術(shù)方面。主要朝提高補(bǔ)償容量、改善補(bǔ)償性能、降低成本和損耗、多功能化和裝置小型化等方向發(fā)展。在應(yīng)用方面，主要致力于針對不同諧波源制定相應(yīng)的對策，解決最優(yōu)配置、有源濾波器的相互干擾及其對電網(wǎng)上裝設(shè)的 LC 濾波器的影響以及停電和瞬間保護(hù)等問題。自 1976 以來 L. GYUGI 提出了并聯(lián)有源濾波器方案。到目前為止已經(jīng)研究出了有關(guān)有源濾波器的近十幾種濾波方案，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，分別應(yīng)用于不同場合 [2]。 本課題研究方法有源電力濾波器是當(dāng)前對電網(wǎng)中諧波污染補(bǔ)償或抵消的有效手段，本文對有源電力濾波系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了理論研究和分析。MATLAB /SIMUL INK 提供的 SIMPOWER 工具箱基本涵蓋了電力系統(tǒng)建模和仿真的各個方面。利用SIMPOWER 工具箱對有源電力濾波器裝置進(jìn)行了建模和仿真，能夠?qū)⒂性措娏V波器的工作過程及有關(guān)波形準(zhǔn)確直觀地顯示出來,驗(yàn)證了理論分析的正確性。 本文研究的內(nèi)容本文主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：第一部分為引言，概述了課題背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、有源電力濾波器發(fā)展現(xiàn)狀以及本課題研究方法等。第二部分分析了有源電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理和工作特性。從多個方面出發(fā)對有源電力濾波器進(jìn)行了分類和介紹，并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。第三部分分析了有源電力濾波器諧波檢測方法，并分析了各種諧波檢測方法的工作原理和特性，通過對比選擇 P、Q 算法作為本文諧波檢測方法。第四部分在 MATLAB/SIMULINK 中建立三相三相制有源電力濾波器的仿真模型，并對各個模塊進(jìn)行仿真和詳細(xì)的闡述。選擇不同的整流負(fù)載，對負(fù)載電流波形和補(bǔ)償后的電流波形進(jìn)行對比，驗(yàn)證了 APF 的補(bǔ)償性能。第五部分對全文做出總結(jié)，對有源電力濾波器系統(tǒng)存在的一系列問題進(jìn)行第 5 頁共 25 頁探討，并提出下一步的展望。1. APF 的工作原理和結(jié)構(gòu) APF 的基本原理和種類APF 的基本原理是檢測電網(wǎng)中的諧波電流。通過可控功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流, 使電源的總諧波電流為 0, 從而達(dá)到實(shí)時補(bǔ)償諧波電流的目的。其原理框圖如圖 21 所示：圖 21 有源電力濾波器系統(tǒng)原理圖APF 的結(jié)構(gòu)形式很多，但其基本原理都是類似的，按電路拓樸結(jié)構(gòu)可分為并聯(lián)型 APF、串聯(lián)型 APF 和串并聯(lián)型 APF。（1）并聯(lián)型APF 圖 22 為并聯(lián)型 APF 基本結(jié)構(gòu)。由于與系統(tǒng)并聯(lián), 可等效為一受控電流源。并聯(lián)型 APF 可產(chǎn)生與負(fù)荷電流大小相等、方向相反的諧波電流, 從而將電源側(cè)電流補(bǔ)償為正弦基波電流。主要適用于抵消非線性負(fù)載的諧波電流、無功補(bǔ)償及平衡三相系統(tǒng)中的不平衡電流等。并聯(lián)型 APF 在技術(shù)上比較成熟。圖 22 并聯(lián)型有源濾波器結(jié)構(gòu)圖（2）串聯(lián)型APF圖 23 為串聯(lián)型 APF 基本結(jié)構(gòu)。通過 1 個匹配變壓器將 APF 串聯(lián)在電源和負(fù)載之間, 以消除電壓諧波 , 平衡或調(diào)整負(fù)載的端電壓。與并聯(lián)型 APF 相比, 串聯(lián)型 APF 損耗較大, 且各種保護(hù)電路也較復(fù)雜。因此, 很少單獨(dú)使用串聯(lián)型APF, 大多將其作為混合型 APF 的一部分。第 6 頁共 25 頁圖 23 串聯(lián)型有源濾波器結(jié)構(gòu)圖（3）串—并聯(lián)APF圖 24 為串并聯(lián)型 APF 基本結(jié)構(gòu)。具有串聯(lián) APF 和并聯(lián) APF 的優(yōu)點(diǎn), 能解決電氣系統(tǒng)發(fā)生的電能質(zhì)量問題, 又稱為萬能 APF 或統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器。串聯(lián)型 APF 將電源和負(fù)載隔離，阻止電源諧波電壓串入負(fù)載和負(fù)載電流流入電網(wǎng)。并聯(lián)型 APF 提供一個零阻抗的諧波支路，把負(fù)載中的諧波電流吸收掉。這種方案兼有串、并聯(lián) APF 的功能，可以抑制閃變、補(bǔ)償諧波、消除共同耦合點(diǎn)處的三相電壓不平衡，具有較高的性價比。該類 APF 的主要問題是控制復(fù)雜、造價較高。圖 24 串聯(lián)—并聯(lián)型有源濾波器結(jié)構(gòu) APF 的諧波檢測方法文字說明1． 基于頻域的檢測方法這是最早應(yīng)用于指令電流運(yùn)算的一類方法。其基本思想是利用模擬帶(或陷波)濾波器進(jìn)行諧波檢測時他的缺點(diǎn)是:當(dāng)電網(wǎng)頻率波動時,所設(shè)計(jì)的濾波器中心頻率會發(fā)生偏移,加上該中心頻率易受器件參數(shù)及溫度影響,會使檢測出的諧波信號中含有大量基波分量，增加了 APF 的設(shè)計(jì)容量和有功損耗，因此，已基本不用。 瞬時空間矢量法基于瞬時無功功率理論的瞬時空間矢量法是目前三相電力有源濾波器中應(yīng)用最廣的一種指令電流運(yùn)算方法。最早是由日本學(xué)者 HAKAGI 于 1984 年提出，僅適用于對稱三相電路，后經(jīng)過不斷地改進(jìn)，現(xiàn)已包括 PQ 法、IPIQ 法以及 DP 法等。PQ 法最早應(yīng)用，僅適用于對稱三相且無畸變的電網(wǎng)；IPIQ 法不僅對電源電壓畸變有效，而且也適用于不對稱三相電網(wǎng)；基于同步旋轉(zhuǎn) PARK 變換的 DQ 法不僅簡化了對稱無畸變下的指令電流運(yùn)算，而且也適用于第 7 頁共 25 頁不對稱、有畸變的電網(wǎng) [6]。 有功分離法該方法將被檢測量分解為理想傳輸量(即從公共供電點(diǎn)上看去，負(fù)荷是三相對稱且純阻性的,該負(fù)荷只消耗有功能量)和另一分量之和,簡單明了、易于實(shí)現(xiàn)。但該方法以平均有功功率理論為基礎(chǔ)，至少存在一個工頻周期的延時，實(shí)時性較差。并且當(dāng)電源電壓存在畸變時，與電壓諧波同次的諧波電流(有功部分)將被淹沒一部分。另外，該方法不能單獨(dú)分離出基波有功分量。 自適應(yīng)檢測法該方法基于自適應(yīng)濾波中的自適應(yīng)干擾抵消原理，從負(fù)載電流中消去基波有功分量，從而得到所需的補(bǔ)償電流指令值。該方法的突出優(yōu)點(diǎn)是對電網(wǎng)電壓畸變、頻率偏移及電網(wǎng)參數(shù)變化有較好的自適應(yīng)調(diào)整能力，但目前其動態(tài)響應(yīng)速度還較慢。后來又提出了用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)檢測法。 同步測定法針對三相不平衡系統(tǒng)提出了同步測定法,可分為等功率法、等電流法和等電阻法 3 類,即把補(bǔ)償分量分配到三相中去,分別使補(bǔ)償后的每相功率、每相電流或每相電阻相等。該方法的缺點(diǎn)是計(jì)算量大、時間延遲大。 APF 的補(bǔ)償電流控制方法目前電力有源濾波器的閉環(huán)控制策略中最常用的是 PI 控制，另外國內(nèi)外的學(xué)者還對變結(jié)構(gòu)控制，模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)控制等現(xiàn)代新型控制方法進(jìn)行了研究。APF 控制策略還包括開關(guān)器件的 PWM 脈沖信號的形成[7]。目前 PWM 生成方式的研究主要集中在載波比較法、滯環(huán)控制法、無差拍控制法和空間矢量法等方法上： 三角載波控制將電流實(shí)際值與參考值之間的偏差經(jīng) P I 調(diào)制后與高頻三角載波相比較,所得矩形脈沖作為逆變器開關(guān)元件的控制信號,從而在逆變器輸出端獲得所需波形。其優(yōu)點(diǎn)是動態(tài)響應(yīng)好,開關(guān)頻率固定,實(shí)現(xiàn)簡單,缺點(diǎn)是輸出波形中含有與三角載波相同頻率的高頻畸變分量,開關(guān)損耗較大,在大功率