【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(duì)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(jiǎn)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(gè)重要趨勢(shì)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(duì)象中檢測(cè)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(duì)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(shí)無功功率理論的諧波電流瞬時(shí)檢測(cè)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(shí)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(shí)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(duì)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(huì)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(duì)電力系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)、繼電保護(hù)自動(dòng)裝置和電能計(jì)量等也有很大危害。嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)誤動(dòng)作；造成重大事故。諧波污染對(duì)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(cè)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(duì)某些次數(shù)的諧波呈現(xiàn)低阻來達(dá)到濾波的目的。同時(shí)還兼顧無功補(bǔ)償?shù)男枰?。由于并?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(shì)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(duì)變化的諧波進(jìn)行迅速的動(dòng)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(gè)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(duì)不同諧波源制定相應(yīng)的對(duì)策，解決最優(yōu)配置、有源濾波器的相互干擾及其對(duì)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(chǎng)合 [2]。 本課題研究方法有源電力濾波器是當(dāng)前對(duì)電網(wǎng)中諧波污染補(bǔ)償或抵消的有效手段，本文對(duì)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(gè)方面。利用SIMPOWER 工具箱對(duì)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(gè)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(gè)方面出發(fā)對(duì)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(cè)方法，并分析了各種諧波檢測(cè)方法的工作原理和特性，通過對(duì)比選擇 P、Q 算法作為本文諧波檢測(cè)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(duì)各個(gè)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(duì)負(fù)載電流波形和補(bǔ)償后的電流波形進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了 APF 的補(bǔ)償性能。第五部分對(duì)全文做出總結(jié)，對(duì)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(cè)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(shí)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(gè)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(gè)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(jià)比。該類 APF 的主要問題是控制復(fù)雜、造價(jià)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(cè)方法文字說明1． 基于頻域的檢測(cè)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(cè)時(shí)他的缺點(diǎn)是:當(dāng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí),所設(shè)計(jì)的濾波器中心頻率會(huì)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(huì)使檢測(cè)出的諧波信號(hào)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(shí)空間矢量法基于瞬時(shí)無功功率理論的瞬時(shí)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(duì)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(duì)稱三相且無畸變的電網(wǎng)；IPIQ 法不僅對(duì)電源電壓畸變有效，而且也適用于不對(duì)稱三相電網(wǎng)；基于同步旋轉(zhuǎn) PARK 變換的 DQ 法不僅簡(jiǎn)化了對(duì)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(duì)稱、有畸變的電網(wǎng) [6]。 有功分離法該方法將被檢測(cè)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(duì)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(jiǎn)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(gè)工頻周期的延時(shí)，實(shí)時(shí)性較差。并且當(dāng)電源電壓存在畸變時(shí)，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(cè)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(duì)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(dòng)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(cè)法。 同步測(cè)定法針對(duì)三相不平衡系統(tǒng)提出了同步測(cè)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(shí)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(duì)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(hào)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(hào),從而在逆變器輸出端獲得所需波形。其優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)好,開關(guān)頻率固定,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)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