【文章內容簡介】 投入運行，所以工業(yè)上投入運行并聯型APF占多數。但由于電源電壓直接加在逆變器上，對開關器件電壓等級要求較高；負載諧波電流含量高時，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，串聯型APF 經過耦合變壓器串聯接入電網，相當于一個受控電壓源，流過正常負荷電流，損耗較大。而且串聯型APF 安裝、投切、故障后的退出及各種保護也較復雜，單獨使用串聯型APF 例子較少。從補償對象來看，并聯型APF 適合補償電流型諧波負載，串聯型APF適合補償電壓型諧波負載。3．混合型APF（HAPF）由于受開關器件限制，高頻變流器容量有限，且其造價隨容量增大而急劇增加，于是便提出各種APF 和PPF 相結合的混合型APF（HAPF），可以減少有源部分容量，提高裝置經濟性。下面列出幾種典型HAPF 拓撲。（1） 并聯APF+并聯PF 并聯APF+并聯PF 的HAPF 在使用這種裝置時，由于電網與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 由多組單調諧濾波器及高通濾波器組成，用于濾除負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）產生的開關次諧波，而APF 只補償較低次諧波，這樣，變流器開關頻率可以較低，可以采用頻率較低的大功率開關器件，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，開關器件的耐壓等級沒有降低。（2）串聯型APF+并聯PF 串聯型APF+并聯PF 的HAPF串聯APF 相當于一個電流控制電壓源，產生的諧波電壓與電網支路中諧波電流成正比。因此對諧波電流而言，APF 可以等效為一個諧波電阻。當諧波電阻的阻值遠遠大于電網阻抗和無源濾波器等效阻抗時，電網支路電壓和電流中將只有很小的諧波殘余。對基波而言，APF 呈幾乎為零的極低阻抗，不消耗基波功率。因此，APF 相當于一個諧波隔離裝置。串聯APF 將迫使負載的諧波電流流入無源濾波器，同時也阻止了電源的諧波電壓竄入負載側。對諧振頻率處的諧波，無源濾波器呈極低阻抗。這種方案結合了無源濾波器和有源濾波器各自優(yōu)點，裝置的補償容量可以做的很大。由于大部分諧波由相對廉價的無源濾波器濾除，裝置成本相對較低。這種結構的缺點是：在低次諧波及其它頻率處，要使APF 的等效諧波電阻遠遠大于無源濾波器等效阻抗是很難的，因此對電網中閃變分量，用該方法不能實現隔絕；當負載電流中存在無源濾波器不能濾除的諧波時，由于APF 強制這部分諧波流入PPF，這將在負載入端產生諧波電壓；由于APF 串聯在電路中，絕緣較困難，維護也不方便；在正常工作時，注入變壓器仍然跟單獨使用的串聯型APF 中一樣流過所有負載。（3） APF 與PPF 串聯后并聯接入電網 APF 與PF 并聯后并聯接入電網的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 濾波器易受電網阻抗的影響、可能與電網阻抗發(fā)生并聯諧振等缺點。在這種方式中，APF 不直接承受系統基波電壓，因此裝置容量小，開關器件耐壓等級降低，克服了大容量APF 結構復雜、損耗大、成本高的缺點，使整個系統獲得良好性能。另外，這種方案的結構較為復雜，需針對特征諧波選取LC 網絡的調諧頻率，不適用于非特征諧波源補償。該方式的諧波阻尼K 不能太大，否則會引起系統不穩(wěn)定。（4） 注入型APF 串聯諧振注入型 并聯諧振注入型 為了將單獨使用的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 串聯或并聯諧振網絡作為注入電路（）。 的串聯諧振注入型APF 中，LC2 網絡在基波頻率處發(fā)生串聯諧振，阻抗很小，逆變器不承受基波電壓，而對于高于基波頻率的諧波分量，LC2 網絡阻抗較大，APF 產生的諧波電流絕大部分將流入主電路，但是要同時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。并聯諧振注入方式原理與之類似。，LC 網絡在基波頻率出發(fā)生并聯諧振，阻抗很大，基波電壓基本上加在LC 網絡上，而對于高于基波頻率的諧波分量，LC 網絡阻抗較小，并遠小于支路中另一個電感的諧波阻抗，則APF 產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，串聯諧振注入型APF 可以補償無功功率，主要由支路上端的電容補償；而并聯諧振注入型APF 可以補償無功功率，因為之路上端的并聯諧振電路的基波阻抗很大，難以產生較大的基波無功電流注入主電路。 并聯有源電力濾波器補償特性的研究并聯型APF不是一種理想的補償裝置，其補償特性會受到諧波源特性的影響。適用于補償諧波電流源。所謂“諧波源通常是指各類特定的用電設備，即非線性設備，或稱非線性電力負荷。諧波源分為諧波電流源和諧波電壓源件，這是諧波產生的根本原因。1．諧波電流源對于各種換流設備，電氣化鐵道，電弧爐及數量很大的電子節(jié)能設備，家用電器等典型非線性負載，即使供給理想的正弦波電壓，它們也將產生非正弦電流。且諧波成分基本上只與其固有的非線性及工況有關，而與這些負載的內部阻抗的變化幾乎無關。因此，此類非線性負載可以認為是諧波電流源。2．諧波電壓源典型的諧波電壓源是發(fā)電機。由于結構上不可能完全對稱，空氣隙的磁導不可能完全均勻等因數，發(fā)電機在運行時總會產生一些諧波分量，其諧波電勢取決于發(fā)電機本身結構及工況，它是一個諧波電壓源。通常忽略由發(fā)電機產生的諧波電勢，只考慮非線性負載產生的非正弦電流。有源電力濾波器對高次諧波的補償效果可以用以下兩個指標來衡量。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 提高電能質量，對諧波進行綜合治理，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準規(guī)定的允許范圍之內。補償后的電源電流總諧波畸變率THD越小，補償效果越好。從原理上講，有源電力濾波器可以實現諧波源負載中諧波的完全補償，但實際這是很難實現的。因為在諧波檢測環(huán)節(jié)、控制系統和指令電流運算電路的誤差導致補償電流存在誤差。誤差可以分為：幅值誤差和相位誤差，會影響有源電力濾波器的補償特性，使諧波源的諧波不能徹底完全補償。 并聯型APF對諧波源進行補償時。圖中：為電源端電壓，當電源中沒有諧波，只包含基波時(分別為基波電流和電源基波阻抗)。由于電力系統中大多數諧波源為諧波電流源要補償諧波就要有一個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的并聯補償實現。若電源向其它負荷供電，因為電源本身只包含基波，不會對其它設備產生干擾。 諧波源的數學模型的研究 單相橋式整流電路非線性負荷，設電源電壓為 ，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，假設以下理想條件：交流側電抗為零，而直流側電感L 為窮大，并且忽略電流脈動，則交流側電流為理想方波。 將交流側理想的方波電流進行傅立葉分解得到： (26)式中： (n=1,3,5,7…） 從上式看出，當正弦波電壓加在單相橋式整流電路上時，電源側只含有奇次諧波分量，說明電源側的電流發(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荷 三相整流裝置可整流電壓脈動較小，脈動頻率較高，而且由于三相平衡，對供電系統得影響較小，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生諧波的機理，為后文非線性負載的MATLAB 仿真做準備。 是三相6 脈波整流電路接線圖。 中，在電源電壓的一個周期內有6 次，上下橋各有3 次，所以稱為6 脈動整流，本節(jié)對下圖做如下假設：（1）整流橋用的GTO（可關斷晶閘管）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，并以A 相電壓為基礎；（3）控制觸發(fā)角為零，即相當于不可控整流；（4）交流側的電感為零，即換相重疊角γ =0。 A，B，C 三相的電流波形都是由正負兩個序列的方波組成。方波的幅值設為 ，方波的寬度等于，正負波形對橫軸對稱。然后對各相非正弦電流波形進行傅立葉級數分解，得到基波和一系列諧波表達式： 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 兩相電流的表達式，分別如下： (27) (28)以上分析可得出以下結論：（1）各次諧波對基波的比值，也就是諧波的含有量，與諧波的次數成反比；（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．．．次諧波構成負序三相系統，而（6k+1）次為正序三相系統；（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方法 1．早期的諧波檢測方法都是基于頻域理論，即采用模擬濾波器原理。優(yōu)點是原理和實現電路簡單、造價低、輸出阻抗低、品質因素易于控制。但存在諸多缺點：實現電路的濾波中心頻率對元件參數十分敏感、受外界環(huán)境影響較大、難以獲得理想幅頻和相頻特性；電網頻率波動不僅影響檢測精度，而且檢測出的諧波中含有較多的基波分量：當需要檢測多次諧波分量時，實現電路變得復雜，其電路參數設計難度隨之增加；運行損耗大。由于上述嚴重缺陷，隨著電力系統諧波檢測要求的提高及新的諧波檢測方法日益成熟，該方法已極少采用。 2．基于Fryze傳統功率定義的諧波檢測法原理是將負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)。因為Fryze功率定義是建立在平均功率基礎上，所以要求瞬時有功電流需要一個周期的積分，需要一個周期才能得出檢測結果，再加上其它運算電路，需要有幾個周期的延遲。因此，用這種方法求得的“瞬時有功電流”實際上是幾個周期前電流，實時性不好。 3．近年來，國內外對神經網絡(N眥al Network，NN)進行諧波檢測的相關研究文獻迅速增加，并取得了一些工程應用或成果，概括起來有兩個方面：一是提出了基于多層前饋網絡NN的電力系統諧波檢測方法，該方法利用多層前饋神經網絡來進行諧波檢測；二是將Adaline神經網絡和自適應對消噪聲技術相結合進行諧波檢測。諧波NN檢測方法優(yōu)點：(1)計算量?。?2)檢測精度高，各次諧波檢測精度不低于FT和WT，能取得令人滿意的結果；(3)對數據流長度的敏感性低于FT和wT：(4)實時性好，可以同時檢測任意整數次諧波；(5)抗干擾性好，在諧波檢測中可以應用一些隨機模型的信號處理方法，對信號源中的非有效成份(如直流衰減分量)當作噪聲處理，克服噪聲等非有效成份的影響。但是，NN用于工程實際還有很多問題：沒有規(guī)范的NN構造方法，需要大量的訓練樣本，如何確定需要的樣本數沒有規(guī)范方法，NN的精度對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，研究和應用時間短，實現技術上需完善，因此，目前在工程應用中未優(yōu)先選用。 4．基于傅里葉變換的諧波檢測法方法檢測精度高、實現簡單、功能多且使用方便，在諧波檢測方面得到廣泛應用。傅里葉分析具有如下局限性：(1)FFT需要一定時間的采樣值，計算量大，計算時間長，使得檢測時間較長，檢測結果實時性差；(2)沒有反映出隨時間變化的頻率，當人們需要在任何希望的頻率范圍上產生頻譜信息時，FFT不一定適用；(3)由于一個信號的頻率與其周期長度成正比，對于高頻譜的信息時間間隔要相對地小以給出比較好的精度，而對于低頻譜的信息，時間間隔要相對地寬以給出完全的信息，亦即需要一個靈活可變的時間一頻率窗，使在高“中心頻率時自動變窄，而在低“中心頻率”時自動變寬，FFT自身并沒有這個特性，目前諧波FFT檢測都是基于這樣的假設：波形是穩(wěn)態(tài)和周期的，采樣的周波數是整數的，針對FFT這一局限，1946年Gabor提出的短時傅里葉變換(Short TIile Fourier TransformafiOn，STFT)，又稱加窗FT或Gabor變換，對彌補FT不足起了一定作用，但并沒有徹底解決這個問題；(4)從摸擬信號中提取全部頻譜信息需要取無限的時間量，