【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 投入運(yùn)行，所以工業(yè)上投入運(yùn)行并聯(lián)型APF占多數(shù)。但由于電源電壓直接加在逆變器上，對(duì)開關(guān)器件電壓等級(jí)要求較高；負(fù)載諧波電流含量高時(shí)，這種有源濾波裝置的容量也必須很大，這樣投資就比較大。另外，串聯(lián)型APF 經(jīng)過耦合變壓器串聯(lián)接入電網(wǎng)，相當(dāng)于一個(gè)受控電壓源，流過正常負(fù)荷電流，損耗較大。而且串聯(lián)型APF 安裝、投切、故障后的退出及各種保護(hù)也較復(fù)雜，單獨(dú)使用串聯(lián)型APF 例子較少。從補(bǔ)償對(duì)象來看，并聯(lián)型APF 適合補(bǔ)償電流型諧波負(fù)載，串聯(lián)型APF適合補(bǔ)償電壓型諧波負(fù)載。3．混合型APF（HAPF）由于受開關(guān)器件限制，高頻變流器容量有限，且其造價(jià)隨容量增大而急劇增加，于是便提出各種APF 和PPF 相結(jié)合的混合型APF（HAPF），可以減少有源部分容量，提高裝置經(jīng)濟(jì)性。下面列出幾種典型HAPF 拓?fù)?。?） 并聯(lián)APF+并聯(lián)PF 并聯(lián)APF+并聯(lián)PF 的HAPF 在使用這種裝置時(shí)，由于電網(wǎng)與APF 及APF 與PF 之間存在諧波通道，特別是APF與PF 之間的諧波通道，可能使APF 注入的諧波又流入PF 及系統(tǒng)中。所以較好方法是APF和PPF 按頻率分段完成濾波功能，即由PPF 濾除低次諧波，APF 濾除高次諧波，或者反之。前者PPF 由多組單調(diào)諧濾波器及高通濾波器組成，用于濾除負(fù)載中占主要成分的低次諧波；APF 采用高頻變流器，濾除剩余的高次諧波電流，由于高次諧波電流幅值較小，故APF 容量可以大大降低。后者PPF 為一組高通濾波器，濾除高次諧波及APF（變流器）產(chǎn)生的開關(guān)次諧波，而APF 只補(bǔ)償較低次諧波，這樣，變流器開關(guān)頻率可以較低，可以采用頻率較低的大功率開關(guān)器件，降低成本，減少損耗。這種裝置，APF 容量雖然降低了，但是APF 仍然承受全部基波電壓，開關(guān)器件的耐壓等級(jí)沒有降低。（2）串聯(lián)型APF+并聯(lián)PF 串聯(lián)型APF+并聯(lián)PF 的HAPF串聯(lián)APF 相當(dāng)于一個(gè)電流控制電壓源，產(chǎn)生的諧波電壓與電網(wǎng)支路中諧波電流成正比。因此對(duì)諧波電流而言，APF 可以等效為一個(gè)諧波電阻。當(dāng)諧波電阻的阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電網(wǎng)阻抗和無源濾波器等效阻抗時(shí)，電網(wǎng)支路電壓和電流中將只有很小的諧波殘余。對(duì)基波而言，APF 呈幾乎為零的極低阻抗，不消耗基波功率。因此，APF 相當(dāng)于一個(gè)諧波隔離裝置。串聯(lián)APF 將迫使負(fù)載的諧波電流流入無源濾波器，同時(shí)也阻止了電源的諧波電壓竄入負(fù)載側(cè)。對(duì)諧振頻率處的諧波，無源濾波器呈極低阻抗。這種方案結(jié)合了無源濾波器和有源濾波器各自優(yōu)點(diǎn)，裝置的補(bǔ)償容量可以做的很大。由于大部分諧波由相對(duì)廉價(jià)的無源濾波器濾除，裝置成本相對(duì)較低。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是：在低次諧波及其它頻率處，要使APF 的等效諧波電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無源濾波器等效阻抗是很難的，因此對(duì)電網(wǎng)中閃變分量，用該方法不能實(shí)現(xiàn)隔絕；當(dāng)負(fù)載電流中存在無源濾波器不能濾除的諧波時(shí)，由于APF 強(qiáng)制這部分諧波流入PPF，這將在負(fù)載入端產(chǎn)生諧波電壓；由于APF 串聯(lián)在電路中，絕緣較困難，維護(hù)也不方便；在正常工作時(shí)，注入變壓器仍然跟單獨(dú)使用的串聯(lián)型APF 中一樣流過所有負(fù)載。（3） APF 與PPF 串聯(lián)后并聯(lián)接入電網(wǎng) APF 與PF 并聯(lián)后并聯(lián)接入電網(wǎng)的HAPF該方式中諧波主要由LC 濾波器濾除，而APF 的作用是改善LC 濾波器的濾波特性，克服LC 濾波器易受電網(wǎng)阻抗的影響、可能與電網(wǎng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振等缺點(diǎn)。在這種方式中，APF 不直接承受系統(tǒng)基波電壓，因此裝置容量小，開關(guān)器件耐壓等級(jí)降低，克服了大容量APF 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、損耗大、成本高的缺點(diǎn)，使整個(gè)系統(tǒng)獲得良好性能。另外，這種方案的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需針對(duì)特征諧波選取LC 網(wǎng)絡(luò)的調(diào)諧頻率，不適用于非特征諧波源補(bǔ)償。該方式的諧波阻尼K 不能太大，否則會(huì)引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。（4） 注入型APF 串聯(lián)諧振注入型 并聯(lián)諧振注入型 為了將單獨(dú)使用的APF 上承受的基波電壓移去，使有源裝置只承受諧波電壓，從而顯著降低有源裝置的容量，可以選擇用LC 串聯(lián)或并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)作為注入電路（）。 的串聯(lián)諧振注入型APF 中，LC2 網(wǎng)絡(luò)在基波頻率處發(fā)生串聯(lián)諧振，阻抗很小，逆變器不承受基波電壓，而對(duì)于高于基波頻率的諧波分量，LC2 網(wǎng)絡(luò)阻抗較大，APF 產(chǎn)生的諧波電流絕大部分將流入主電路，但是要同時(shí)獲得較好的諧波不唱性能 和較小的有源裝置容量比較困難，而且支路上端的電容將很大。并聯(lián)諧振注入方式原理與之類似。，LC 網(wǎng)絡(luò)在基波頻率出發(fā)生并聯(lián)諧振，阻抗很大，基波電壓基本上加在LC 網(wǎng)絡(luò)上，而對(duì)于高于基波頻率的諧波分量，LC 網(wǎng)絡(luò)阻抗較小，并遠(yuǎn)小于支路中另一個(gè)電感的諧波阻抗，則APF 產(chǎn)生的諧波電流的絕大部分也將流入主電路。另外，值得一提的是，串聯(lián)諧振注入型APF 可以補(bǔ)償無功功率，主要由支路上端的電容補(bǔ)償；而并聯(lián)諧振注入型APF 可以補(bǔ)償無功功率，因?yàn)橹飞隙说牟⒙?lián)諧振電路的基波阻抗很大，難以產(chǎn)生較大的基波無功電流注入主電路。 并聯(lián)有源電力濾波器補(bǔ)償特性的研究并聯(lián)型APF不是一種理想的補(bǔ)償裝置，其補(bǔ)償特性會(huì)受到諧波源特性的影響。適用于補(bǔ)償諧波電流源。所謂“諧波源通常是指各類特定的用電設(shè)備，即非線性設(shè)備，或稱非線性電力負(fù)荷。諧波源分為諧波電流源和諧波電壓源件，這是諧波產(chǎn)生的根本原因。1．諧波電流源對(duì)于各種換流設(shè)備，電氣化鐵道，電弧爐及數(shù)量很大的電子節(jié)能設(shè)備，家用電器等典型非線性負(fù)載，即使供給理想的正弦波電壓，它們也將產(chǎn)生非正弦電流。且諧波成分基本上只與其固有的非線性及工況有關(guān)，而與這些負(fù)載的內(nèi)部阻抗的變化幾乎無關(guān)。因此，此類非線性負(fù)載可以認(rèn)為是諧波電流源。2．諧波電壓源典型的諧波電壓源是發(fā)電機(jī)。由于結(jié)構(gòu)上不可能完全對(duì)稱，空氣隙的磁導(dǎo)不可能完全均勻等因數(shù)，發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)總會(huì)產(chǎn)生一些諧波分量，其諧波電勢(shì)取決于發(fā)電機(jī)本身結(jié)構(gòu)及工況，它是一個(gè)諧波電壓源。通常忽略由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的諧波電勢(shì)，只考慮非線性負(fù)載產(chǎn)生的非正弦電流。有源電力濾波器對(duì)高次諧波的補(bǔ)償效果可以用以下兩個(gè)指標(biāo)來衡量。1．諧波含有率HR 該次諧波的均方根值與基波均方根值的百分比表示，稱為諧波含有率HR。 h次諧波的電流含有率 h次諧波的電壓含有率 2．總諧波畸變率THD(Total Harmonic Distortion) 指各次諧波均方根值的平方和的平方根值與基波均方根值的百分比 提高電能質(zhì)量，對(duì)諧波進(jìn)行綜合治理，防止諧波危害，就是要把諧波含有率和總諧波畸變率限制到國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許范圍之內(nèi)。補(bǔ)償后的電源電流總諧波畸變率THD越小，補(bǔ)償效果越好。從原理上講，有源電力濾波器可以實(shí)現(xiàn)諧波源負(fù)載中諧波的完全補(bǔ)償，但實(shí)際這是很難實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)樵谥C波檢測(cè)環(huán)節(jié)、控制系統(tǒng)和指令電流運(yùn)算電路的誤差導(dǎo)致補(bǔ)償電流存在誤差。誤差可以分為：幅值誤差和相位誤差，會(huì)影響有源電力濾波器的補(bǔ)償特性，使諧波源的諧波不能徹底完全補(bǔ)償。 并聯(lián)型APF對(duì)諧波源進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)。圖中：為電源端電壓，當(dāng)電源中沒有諧波，只包含基波時(shí)(分別為基波電流和電源基波阻抗)。由于電力系統(tǒng)中大多數(shù)諧波源為諧波電流源要補(bǔ)償諧波就要有一個(gè)APF向電流型諧波源提供諧波電流，從而，電源只向諧波源提供基波電流。式中：為諧波源電流，為電源提供的基波電流，為APF向諧波源提供的諧波電流，可以利用APF的并聯(lián)補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)。若電源向其它負(fù)荷供電，因?yàn)殡娫幢旧碇话?，不?huì)對(duì)其它設(shè)備產(chǎn)生干擾。 諧波源的數(shù)學(xué)模型的研究 單相橋式整流電路非線性負(fù)荷，設(shè)電源電壓為 ，式中U為電源電壓有效值，為基波電壓和電流的相位差。為便于分析，假設(shè)以下理想條件：交流側(cè)電抗為零，而直流側(cè)電感L 為窮大，并且忽略電流脈動(dòng)，則交流側(cè)電流為理想方波。 將交流側(cè)理想的方波電流進(jìn)行傅立葉分解得到： (26)式中： (n=1,3,5,7…） 從上式看出，當(dāng)正弦波電壓加在單相橋式整流電路上時(shí)，電源側(cè)只含有奇次諧波分量，說明電源側(cè)的電流發(fā)生了畸變，即有諧波電流存在。 三相橋式整流電路非線性負(fù)荷 三相整流裝置可整流電壓脈動(dòng)較小，脈動(dòng)頻率較高，而且由于三相平衡，對(duì)供電系統(tǒng)得影響較小，因而容量較大的整流裝置常采用三相整流的方式。三相整流有三相半波，三相全控橋式，三相半控橋式，本節(jié)主要研究典型的三相全控橋式整流電路產(chǎn)生諧波的機(jī)理，為后文非線性負(fù)載的MATLAB 仿真做準(zhǔn)備。 是三相6 脈波整流電路接線圖。 中，在電源電壓的一個(gè)周期內(nèi)有6 次，上下橋各有3 次，所以稱為6 脈動(dòng)整流，本節(jié)對(duì)下圖做如下假設(shè)：（1）整流橋用的GTO（可關(guān)斷晶閘管）為理想元件，正向電阻為零，反向電阻為無窮大；（2）電源為理想的三相平衡系統(tǒng)，并以A 相電壓為基礎(chǔ)；（3）控制觸發(fā)角為零，即相當(dāng)于不可控整流；（4）交流側(cè)的電感為零，即換相重疊角γ =0。 A，B，C 三相的電流波形都是由正負(fù)兩個(gè)序列的方波組成。方波的幅值設(shè)為 ，方波的寬度等于，正負(fù)波形對(duì)橫軸對(duì)稱。然后對(duì)各相非正弦電流波形進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解，得到基波和一系列諧波表達(dá)式： 由上式可見，A 相電流除基波外，還包含了5，7，11，13，17，19…等次諧波。它們的有效值為： 同理可以寫出B，C 兩相電流的表達(dá)式，分別如下： (27) (28)以上分析可得出以下結(jié)論：（1）各次諧波對(duì)基波的比值，也就是諧波的含有量，與諧波的次數(shù)成反比；（2）三相橋式整流電路中只含有（6k177。1）次諧波；（3）（6k1）次諧波，即5，11，17．．．次諧波構(gòu)成負(fù)序三相系統(tǒng)，而（6k+1）次為正序三相系統(tǒng)；（4）三相橋式整流電路不存在電流的零序分量。3 基于無功功率的諧波檢測(cè)方法 1．早期的諧波檢測(cè)方法都是基于頻域理論，即采用模擬濾波器原理。優(yōu)點(diǎn)是原理和實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單、造價(jià)低、輸出阻抗低、品質(zhì)因素易于控制。但存在諸多缺點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)電路的濾波中心頻率對(duì)元件參數(shù)十分敏感、受外界環(huán)境影響較大、難以獲得理想幅頻和相頻特性；電網(wǎng)頻率波動(dòng)不僅影響檢測(cè)精度，而且檢測(cè)出的諧波中含有較多的基波分量：當(dāng)需要檢測(cè)多次諧波分量時(shí)，實(shí)現(xiàn)電路變得復(fù)雜，其電路參數(shù)設(shè)計(jì)難度隨之增加；運(yùn)行損耗大。由于上述嚴(yán)重缺陷，隨著電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)要求的提高及新的諧波檢測(cè)方法日益成熟，該方法已極少采用。 2．基于Fryze傳統(tǒng)功率定義的諧波檢測(cè)法原理是將負(fù)荷電流分解為與電壓波形一致的分量(“有功電流”)，其余分量作為廣義無功電流(包括諧波電流)。因?yàn)镕ryze功率定義是建立在平均功率基礎(chǔ)上，所以要求瞬時(shí)有功電流需要一個(gè)周期的積分，需要一個(gè)周期才能得出檢測(cè)結(jié)果，再加上其它運(yùn)算電路，需要有幾個(gè)周期的延遲。因此，用這種方法求得的“瞬時(shí)有功電流”實(shí)際上是幾個(gè)周期前電流，實(shí)時(shí)性不好。 3．近年來，國內(nèi)外對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(N眥al Network，NN)進(jìn)行諧波檢測(cè)的相關(guān)研究文獻(xiàn)迅速增加，并取得了一些工程應(yīng)用或成果，概括起來有兩個(gè)方面：一是提出了基于多層前饋網(wǎng)絡(luò)NN的電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)方法，該方法利用多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行諧波檢測(cè)；二是將Adaline神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)對(duì)消噪聲技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行諧波檢測(cè)。諧波NN檢測(cè)方法優(yōu)點(diǎn)：(1)計(jì)算量?。?2)檢測(cè)精度高，各次諧波檢測(cè)精度不低于FT和WT，能取得令人滿意的結(jié)果；(3)對(duì)數(shù)據(jù)流長度的敏感性低于FT和wT：(4)實(shí)時(shí)性好，可以同時(shí)檢測(cè)任意整數(shù)次諧波；(5)抗干擾性好，在諧波檢測(cè)中可以應(yīng)用一些隨機(jī)模型的信號(hào)處理方法，對(duì)信號(hào)源中的非有效成份(如直流衰減分量)當(dāng)作噪聲處理，克服噪聲等非有效成份的影響。但是，NN用于工程實(shí)際還有很多問題：沒有規(guī)范的NN構(gòu)造方法，需要大量的訓(xùn)練樣本，如何確定需要的樣本數(shù)沒有規(guī)范方法，NN的精度對(duì)樣本有很大依賴性等。另外，NN和、ⅣT一樣，都屬于目前正在研究的新方法，研究和應(yīng)用時(shí)間短，實(shí)現(xiàn)技術(shù)上需完善，因此，目前在工程應(yīng)用中未優(yōu)先選用。 4．基于傅里葉變換的諧波檢測(cè)法方法檢測(cè)精度高、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、功能多且使用方便，在諧波檢測(cè)方面得到廣泛應(yīng)用。傅里葉分析具有如下局限性：(1)FFT需要一定時(shí)間的采樣值，計(jì)算量大，計(jì)算時(shí)間長，使得檢測(cè)時(shí)間較長，檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)性差；(2)沒有反映出隨時(shí)間變化的頻率，當(dāng)人們需要在任何希望的頻率范圍上產(chǎn)生頻譜信息時(shí)，F(xiàn)FT不一定適用；(3)由于一個(gè)信號(hào)的頻率與其周期長度成正比，對(duì)于高頻譜的信息時(shí)間間隔要相對(duì)地小以給出比較好的精度，而對(duì)于低頻譜的信息，時(shí)間間隔要相對(duì)地寬以給出完全的信息，亦即需要一個(gè)靈活可變的時(shí)間一頻率窗，使在高“中心頻率時(shí)自動(dòng)變窄，而在低“中心頻率”時(shí)自動(dòng)變寬，F(xiàn)FT自身并沒有這個(gè)特性，目前諧波FFT檢測(cè)都是基于這樣的假設(shè)：波形是穩(wěn)態(tài)和周期的，采樣的周波數(shù)是整數(shù)的，針對(duì)FFT這一局限，1946年Gabor提出的短時(shí)傅里葉變換(Short TIile Fourier TransformafiOn，STFT)，又稱加窗FT或Gabor變換，對(duì)彌補(bǔ)FT不足起了一定作用，但并沒有徹底解決這個(gè)問題；(4)從摸擬信號(hào)中提取全部頻譜信息需要取無限的時(shí)間量，