【正文】 數(shù)次諧波電流造成零線過熱，甚至引發(fā)火災(zāi)。 （3）諧波會導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動控制裝置的誤動或拒動，并使電氣測量儀表的計量不準(zhǔn)確。 （5）諧波會引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，這就使前幾個方面的危害大大增加，甚至引起嚴(yán)重事故。 目前諧波治理的措施主要有兩種[9]： （1）主動治理：即從諧波源本身出發(fā)，對其進(jìn)行改造，降低諧波源產(chǎn)生的諧波和消耗的無功功率，如有源功率因數(shù)校正技術(shù)和各種ＰＷＭ整流技術(shù)。 這兩種方法有各自的優(yōu)點和適用范圍，近年來都得到了較快的發(fā)展。改造變流裝置或利用相互問有一定移相角的換流變壓器，可有效減小諧波含量，其中包括多脈整流和準(zhǔn)多脈整流技術(shù)，但是這會使得裝置更加復(fù)雜。將多個變流器聯(lián)合起來使用，用多重化技術(shù)將多個方波疊加，以消除頻率較低的諧波，得到接近正弦波的階梯波，但裝置復(fù)雜，成本較高。采用PWM技術(shù)，使得變流器產(chǎn)生的諧波頻率較高、幅值較小，波形接近正弦波，但只適用于自關(guān)斷器件構(gòu)成的變流器。比如采用矩陣式變頻器、四象限變流器等，可以使變流器產(chǎn)生的諧波非常少，提高功率因數(shù)。在諧波源附近或公用電網(wǎng)節(jié)點裝設(shè)單調(diào)諧及高通濾波器，可以吸收諧波電流，同時還可以進(jìn)行無功功率補償，運行維護(hù)簡單。在諧波源附近或公用電網(wǎng)節(jié)點裝設(shè)并聯(lián)型或串聯(lián)型APF，可以有效地起到補償或隔離諧波的作用，并聯(lián)型ＡＰＦ還可以進(jìn)行無功功率補償。HAPF兼具PF成本低廉和APF性能優(yōu)越的優(yōu)點，屬于APF的分支和發(fā)展。APF則是在時域中對非正弦周期電流進(jìn)行分解后，再進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娏餮a償，從而改善系統(tǒng)的電流波形。PF因其結(jié)構(gòu)簡單，既可補償無功，又可抑制諧波而一直被廣泛應(yīng)用。目前的趨勢是采用電力電子裝置對諧波進(jìn)行抑制，即使用APF技術(shù)進(jìn)行諧波抑制。 APF的發(fā)展現(xiàn)狀和研究趨勢APF的發(fā)展最早可以追溯到 20 世紀(jì) 60 年代末。雖然文中沒有APF一詞，但其描述的方法是APF的基本思想的萌芽。但是由于當(dāng)時是采用線性放大的方法產(chǎn)生補償電流，損耗大，成本高，因而僅在實驗室中研究，沒能在工業(yè)中實用。從原理上看， PWM 變流器是一種理想的補償電流發(fā)生器，但由于當(dāng)時電力電子技術(shù)的發(fā)展水平有限，全控型器件功率小、頻率低，因而APF還只限于實驗研究。這一時期的一個重大突破。同時，大功率全控器件的不斷發(fā)展和成熟、PWM調(diào)制技術(shù)的不斷進(jìn)步和大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，使得APF從理論和實驗研究進(jìn)入到了廣泛實用的階段。所以，存在對 APF 的一般性定義：將系統(tǒng)中所含的有害電流（高次諧波電流、無功電流及零序負(fù)序電流）檢測出來，并產(chǎn)生與其反相的補償電流，以抵消輸電線路中的有害電流的電力變換裝置。 (2)補償裝置的數(shù)字化、智能化和多功能化，提高系統(tǒng)集成度和可靠性，增加濾波器功能，使其除能補償諧波電流外，還能夠抑制電壓閃變以及電壓不平衡等，具備綜合補償功能。 (4)提出新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高有源濾波系統(tǒng)補償性能，降低APF的成本，提高效率。 ，負(fù)載為諧波源(即補償對象)。其中，指令電流運算電路的核心是檢測出補償對象電流中的諧波和無功等電流分量，故有時也稱為諧波和無功檢測電路。目前主電路均采用PWM變流器[10]。設(shè)負(fù)載的電流為，指令電流運算電路檢測出其中的諧波作為APF的指令電流，補償電流發(fā)生電路輸出補償電流跟隨指令電流的變化，與抵消，于是電網(wǎng)電流，即等于負(fù)載的基波電流，使電源電流成為正弦波。主電路采用 PWM 變流器，作為主電路的 PWM 變流器，在產(chǎn)生補償電流時，主要作為逆變器工作，因此，有的文獻(xiàn)中將其稱為逆變器。也就是說，它既工作于逆變狀態(tài)、也工作于整流狀態(tài)，且兩種工作狀態(tài)無法嚴(yán)格區(qū)分。 APF的分類 按電路拓樸結(jié)構(gòu)分類，APF可分為并聯(lián)型、串聯(lián)型、串－并聯(lián)型和混合型[14]。它主要適用于電流源型非線性負(fù)載的諧波電流抵消、無功補償以及平衡三相系統(tǒng)中的不平衡電流等。 串聯(lián)型APF。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，很少研究單獨使用的串聯(lián)型APF，而大多數(shù)將它作為混合型APF的一部分予以研究。它是在串聯(lián)型APF的基礎(chǔ)上使用一些大容量的無源LC濾波網(wǎng)絡(luò)來承擔(dān)消除低次諧波，進(jìn)行無功補償?shù)娜蝿?wù)。從而使串聯(lián)型APF的電流、電壓額定值大大減少(功率容量可減少到負(fù)載容量的5%以下)，降低了APF的成本和體積。但隨著電力電子器件性能的不斷提高，成本不斷下降，混合型APF可能被下面一種性能價格比更高的APF代替。它組合了串聯(lián)APF和并聯(lián)APF的優(yōu)點，能解決電氣系統(tǒng)發(fā)生的大多數(shù)電能質(zhì)量問題，所以又稱之為萬能APF或統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，該類APF的主要問題是控制復(fù)雜、造價較高。 三相三線制并聯(lián)型APF的數(shù)學(xué)模型在三相對稱電路中，以交流電源中點為零參考電壓。 （）當(dāng)上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷時，當(dāng)上橋臂關(guān)斷，下橋臂導(dǎo)通時，設(shè)，k=a，b，c （） 因此，APF交流側(cè)輸出電壓可以表示為:，k=a，b，c （）由原理圖可以列出APF三相回路方程為： （）在三相對稱電路中，和由上式可以得到： （）將式代入可以得到APF的數(shù)學(xué)模型方程為： （） 三相并聯(lián)型APF關(guān)鍵技術(shù)概述 對于三相并聯(lián)型APF，諧波電流的檢測、跟蹤補償控制、PWM控制和直流側(cè)電壓控制是四個主要部分，下面一一簡述。最早的檢測方法是通過模擬電路來實現(xiàn)的，但因為由模擬濾波器引起的相位和幅值誤差都比較大，而且高精度的模擬濾波器很難設(shè)計，對電網(wǎng)頻率波動和電路元件參數(shù)十分敏感，因而已經(jīng)很少采用；采用數(shù)字技術(shù)能很好的克服模擬電路檢測技術(shù)固有的缺點，因此得到越來越廣泛的應(yīng)用。這些算法均有一定的優(yōu)勢，并在一些實際裝置上得到了應(yīng)用，但需要大量的計算時間，實時性較差，大多數(shù)算法不能同時分離出無功電流和諧波電流，不適用于對頻繁變化的負(fù)載進(jìn)行補償。電網(wǎng)頻率波動時濾波效果會顯著下降，且易受外界環(huán)境的影響。目前在APF中，基于瞬時無功功率理論的諧波和無功電流檢測方法應(yīng)用最多。APF產(chǎn)生一個與諧波電流等大反向的電流來使他們互相抵消，以達(dá)到補償諧波的目的，補償電流對期望電流的跟蹤情況直接關(guān)系到諧波的補償效果。其中電流滯環(huán)比較控制法實現(xiàn)簡單、響應(yīng)較快，但是其開關(guān)頻率不固定，高頻紋波的幅度相對也大些j電壓三角載波調(diào)制法的精確度較高，但響應(yīng)速度慢些，對直流側(cè)電壓的利用率不高j電壓空間矢量法精確度高，但一般需要進(jìn)行較為復(fù)雜的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。本文在分析電流控制回路時域數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上得出了滯環(huán)控制的控制律，提出了基于滯環(huán)控制方法的三相三線制APF。在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。這里所說的效果基本相同，指慣性環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。例如一個矩形脈沖、一個三角形脈沖和一個正弦脈沖，如果它們的面積(即沖量)相等，那么當(dāng)它們分別加在同一個慣性環(huán)節(jié)上時，其輸出響應(yīng)基本相同。以上即為PWM控制的重要理論基礎(chǔ)。在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，而寬度是不同的。直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定控制是并聯(lián)型有源濾波器精確快速補償?shù)氖种匾沫h(huán)節(jié)。對直流側(cè)電壓進(jìn)行控制的傳統(tǒng)方法是為直流側(cè)的電容再提供一個單獨的直流電源，一般是通過一個二極管整流電路來實現(xiàn)的。現(xiàn)在已經(jīng)不采用這一傳統(tǒng)方法。目前也出現(xiàn)了大量的新的理論應(yīng)用于此，比如模糊控制，自適應(yīng)控制，單周控制等，但離實際應(yīng)用還有很大的差距，還需深入研究。第三章 三相并聯(lián)型APF直流電壓的控制方法 為使APF正常工作，達(dá)到所要求的補償效果，必須控制直流側(cè)電容電壓維持足夠高并且穩(wěn)定，以保證APF在沒有輸出補償電流時各橋臂二極管的反向偏置，并能在進(jìn)行動態(tài)補償?shù)娜魏嗡查g根據(jù)控制要求輸出所需的補償電流。為了解決這一問題，傳統(tǒng)的方法是為APF的直流側(cè)電容在提供一個單獨的直流電源，一般是通過一個二極管整流電路來實現(xiàn)的。瞬時無功功率理論的提出以后，直流側(cè)電容電壓的控制只需要通過對主電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂萍纯蓪崿F(xiàn)。若直流側(cè)電壓波動較大，就會出現(xiàn)過補償或者欠補償。APF本身并不能產(chǎn)生能量來維持電容電壓，所以必采取一定的措施來穩(wěn)定直流側(cè)電壓。電壓波動影響APF正常工作或?qū)е轮绷鱾?cè)出現(xiàn)過壓危險，危及APF安全可靠運行。 直流側(cè)電壓和電源側(cè)電流的關(guān)系 APF的作用是使電源側(cè)電流與電壓同相并保持或接近正弦波形。因此，變流器直流電容的平均電壓將保持為一定值。如果系統(tǒng)電源提供的功率低于負(fù)載需要的功率，那么直流電容的平均電壓將降低，此時就需要提高系統(tǒng)電流的幅值以增加系統(tǒng)電源提供的有功功率：反之，直流電容的電壓將升高。直流側(cè)電容的電壓的變化能夠反映出主電路與負(fù)載間功率的轉(zhuǎn)換情況。，若電網(wǎng)中電源傳輸?shù)乃矔r有功功率為，負(fù)載側(cè)傳輸?shù)乃矔r有功功率為， APF傳輸?shù)乃矔r有功功率為，則在電源、負(fù)載和APF的公共交點處，電網(wǎng)中瞬時能量的傳輸關(guān)系為： () APF系統(tǒng)的能量流動簡圖對上式取平均值可得 ()如果忽略APF本身的損耗，則根據(jù)瞬時能量守恒，可得如下關(guān)系： ()式中，C為直流側(cè)電容，出為直流側(cè)電容電壓，由此式可得APF傳輸?shù)乃矔r有功功率平均值為： ()上式中，T為一個開關(guān)周期，為t=T與t=0時的直流側(cè)電壓的平方差。 直流側(cè)電壓的控制原理 APF直流側(cè)電容電壓的控制方法有很多，本文采用簡單易行的PI（Proportion Integration，比例積分）控制?？刂破鞯妮敵鲂盘枮? （）PI控制器可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。而增加的負(fù)實部零點則可減小系統(tǒng)的阻尼程度,PI控制器通常用來改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性能[3]。為使PWM逆變器正常工作，達(dá)到補償器所要求的補償效果，必須使直流側(cè)電容電壓維持足夠高以保證有源補償器在沒有輸出補償電流時各橋臂二極管的反向偏置，在進(jìn)行動態(tài)補償?shù)娜魏嗡查g能根據(jù)補償參考電流輸出所需的補償電流。欠補償時會影響補償?shù)木?，過補償時會增加APF的干擾性諧波電流，致使補償系統(tǒng)不能很好地運行。 對直流電壓進(jìn)行控制的傳統(tǒng)方法是：為直流電容提供一個單獨的直流電源，一般是通過一個二極管整流電路來實現(xiàn)。但需要另外設(shè)計一套電路，增加了整個系統(tǒng)的復(fù)雜程度，從而增加了系統(tǒng)的成本和損耗。 在本文中通過主電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂苼韺崿F(xiàn)控制直流側(cè)電壓的目的。根據(jù)這個原則，本論文通過PI調(diào)節(jié)對直流側(cè)電壓進(jìn)行閉環(huán)控制。檢測到直流電壓與給定電壓的偏差，根據(jù)這個偏差經(jīng)PI控制運算得到補償贏流電壓的有功分量?？刂浦绷鱾?cè)電容電壓通常是在電流或電壓主控制環(huán)的基礎(chǔ)上加一個附加的控制環(huán)。 直流側(cè)穩(wěn)壓控制的指令電流運算原理圖 直流側(cè)電壓控制的仿真與控制器參數(shù)的設(shè)計 直流側(cè)電壓PI控制仿真模型的建立作為APF控制的一個重要組成部分，直流側(cè)電壓的控制與其他部分有著緊密的聯(lián)系，各部分組成一個不可分割的系統(tǒng)。 含直流側(cè)電壓控制的仿真圖 PI控制器內(nèi)部仿真圖 當(dāng)直流側(cè)不加任何控制時，交流側(cè)不斷供給直流側(cè)電流，電容兩端電壓將持續(xù)升高，最終可能擊穿電容，這是很危險的，并且將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的補償效果。調(diào)節(jié)器參數(shù)的確定稱為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整定，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的任務(wù)就是根據(jù)調(diào)節(jié)對象的動態(tài)特性選擇最佳的調(diào)節(jié)器參數(shù)，以使調(diào)節(jié)過程具有最佳的品質(zhì)指標(biāo)。 1. PID控制器參數(shù)的整定方法 調(diào)節(jié)器的參數(shù)可以通過理論計算求得，也可以通過現(xiàn)場試驗調(diào)整求得。由于表征調(diào)節(jié)對象動態(tài)特性的傳遞函數(shù)是近似的，所以最佳整定參數(shù)的理論計算結(jié)果是大致正確的。 （1）衰減曲線法 衰減曲線法是在總結(jié)臨界比例帶法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它是利用比例作用下產(chǎn)生的4:1衰減振蕩(ψ=)過程時的調(diào)節(jié)器比例帶δ及過程衰減周期，或10:1衰減振蕩(ψ=)過程時調(diào)節(jié)器比例帶δ及過程上升時間，據(jù)經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)。第二步，在系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)后作階躍擾動試驗，觀察控制過程。對于ψ=，也是一樣地做上述試驗，直到出現(xiàn)10:1的衰減過程。(a)或(b)所示的曲線上求取ψ==，結(jié)合此過程下的調(diào)節(jié)器比例帶。與臨界比例帶法一樣，衰減曲線法也是利用了比例作用下的調(diào)節(jié)過程。對于三參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律，由于微分作用的引入提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，因此可將減小至后作為調(diào)節(jié)器比例帶設(shè)定值，同時積分時間與無微分作用下相比也適當(dāng)減小了。這時控制系統(tǒng)處于邊界穩(wěn)定狀態(tài)，記下此狀態(tài)下的比例帶值，即臨界比例帶以及振蕩周期，然后根據(jù)經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)。臨界比例帶法的具體步驟是： 第一步，將調(diào)節(jié)器的積分時間置于最大，即→∞；置微分時間 =0；置比例帶于一個較大的值。一般振蕩持續(xù)4～5個振幅即可。 臨界比例帶法計算公式規(guī)律P————PI——PID 第四步，將計算好的參數(shù)值在調(diào)節(jié)器上設(shè)置好，作階躍響應(yīng)試驗，觀察系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，適當(dāng)修改調(diào)節(jié)器的參數(shù)，直到調(diào)節(jié)過程滿意為止。 （a）有自平衡能力對象 （b）無自平衡能力對象 動態(tài)響應(yīng)曲線對于有自平衡能力對象，(a)所示。作響應(yīng)曲線直線段的漸近線交時間軸于C，過直線段上任一點A作時間垂線并交于B，則， （）在取得對象的單位階躍響應(yīng)曲線后，通過在曲線上作圖，求出對象的特征參數(shù)、或、。對于采用比例積分調(diào)節(jié)，積分作用的加入使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，；對于采用