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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流有源电力滤波器 并联型有源滤波器的研究与实现 .精品文档. 目录摘要IIIAbstractIV第一章 绪论11.1 谐波问题的提出和研究11.1.1谐波的基本概念11.1.2国内外研究状况21.2谐波的来源和危害21.2.1 谐波源21.2.2谐波的危害31.3 谐波治理的技术研究41.3.1 谐波抑制技术41.3.2 谐波治理措施41.4 有源滤波器的发展状况51.5 本章小结6第二章 并联型有源电力滤波器的研究82.1 有源滤波器的工作原理82.2 有源滤波器和无源滤波器优缺点92.3 有源滤波器的分类102.4 不同类型的 APF 对不
2、同类型谐波源的补偿特性142.4.1 谐波源的模型152.4.2 串联型有源电力滤波器的补偿特性152.4.3 并联型有源电力滤波器的补偿特性162.4.4 混合型有源电力滤波器的补偿特性172.5 本章小结18第三章 有源电力滤波器的关键技术203.1 谐波检测技术203.2 瞬时无功功率理论213.3基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测算法223.3.1 p-q谐波检测算法223.3.2 ip-iq谐波检测算法233.3.3 广义dk-qk旋转坐标变换理论243.4 并联型APF的电流跟踪控制方法263.4.1 滞环比较控制方式263.4.2 周期采样控制方式273.4.3 三角波比较
3、方式273.4.4 基于三电平的空间矢量电压控制方法283.5 本章小结30第四章 主电路设计及其仿真结果314.1 三相并联型有源电力滤波器的数学模型314.1.1 三相三线制有源电力滤波器主电路数学模型314.1.2 三相四线制电容中点式有源电力滤波器主电路数学模型324.2 主电路设计354.2.1 主电路的工作原理354.2.2 主电路开关器件选择354.2.3 主电路容量364.3 直流侧电压控制364.4 基于Simulink的并联型APF的仿真实现384.4.1 搭建仿真模型384.4.2 ip-iq谐波电流检测模型384.4.3 仿真结果394.5 本章小结40第五章 基于DS
4、P的并联型有源电力滤波器的设计415.1 控制系统的总体设计415.2 控制系统模块设计425.2.1 DSP 芯片简介425.2.2 DSP控制板的设计435.2.3 电流检测单元445.2.4 电压检测单元445.3 软件设计455.3.1 主程序设计455.3.2 ip-iq算法程序实现475.4 本章小结49第六章 结论50工作展望与鸣谢51参考文献52附录54摘要电力电子技术的飞速发展使得人们更加充分和合理的利用电能。但是电力电子装置作为非线性负荷的使用导致电网的电压和电流发生畸变，使得电力系统谐波污染问题日益严峻，并对电力系统的安全、稳定运行造成很大的影响。并联型有源电力滤波器能够
5、实现谐波抑制和无功功率补偿的双重功能，具有高度可控性和快速响应性，也能很好的补偿频率和幅值都在变化的负载谐波，这极大的克服了传统的LC无源电力滤波器的缺点1。该文首先介绍了谐波研究的背景，从而论证了对该课题进行研究的必要性和紧迫性，接着分析了谐波源及其对工业生产、生活带来的危害及其影响，并着眼于国内外谐波治理的发展状况和并联型有源滤波器的研究现状，然后提出谐波治理的具体措施，并将传统无源滤波和有源滤波进行了比较，论述了并联型有源滤波的发展前景。接着介绍了有源滤波器的工作原理、分类和结构形式、三相滤波系统的两种主电路的拓扑结构和不同类型的APF对不同类型的谐波源的补偿特性，并对谐波检测的几种方法
6、进行了分析研究，并确定了采用基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法。对APF的控制策略进行了深入的研究和分析。然后建立了三相制有源电力滤波器系统的数学模型，在基于MATLAB软件的基础上进行了Simulink仿真，并分析了高次谐波和补偿前后三相电流波形图。最后基于DSP（TMS320LF2812）完成了APF控制系统的软硬件实现。DSP(TMS320LF2812)作为整个控制系统的核心，设计了电流、电压信号检测单元，A/D转换模块，PWM脉冲产生模块和驱动电路模块。 关键词：并联型有源电力滤波器，谐波检测，控制策略, MATLAB/Simulink，数字信号处理器。AbstractThe rapi
7、d development of power electronics technology helps us make more full and reasonable use of the electric energy. Power electronic devices used as nonlinear loads result in voltage and current distortion, making the harmonic pollution problems in the power system become increasingly evident, and caus
8、ing a great impact on the safe and stable operation of the power system Shunt active power filter is able to achieve the dual function of reactive power compensation and harmonic suppression with a highly controlled and rapid response, it can be well compensate the frequency and amplitude changes in
9、 the load harmonic, and overcomes the shortcomings of the traditional LC passive power filter.This paper first introduces the background of the study of harmonic, demonstrating the necessity and urgency of the subject, and then analyze the harmonic source and its impact and hazards on industrial pro
10、duction, and our life, and focus on the development of the harmonic control at home and abroad and the research of the shunt active filters.It proposes specific measures for harmonic control and compared the traditional passive filter and active filter and discussed prospects for the development of
11、the shunt active filter.Then it describes the working principle, classification and structure of the active filter, the two main circuit topology and three-phase filtering system and the compensation characteristics of different types of harmonic sources from different types of APF. It also analyzes
12、 several harmonic detection method , and determines the ip-iq harmonic detection method based on instantaneous reactive power theory. It conductes in-depth research and analysis on the APF control strategy.Then it establishes the mathematical model of the three-phase active power filter system,and a
13、ccomplishes the Simulink simulation based on MATLAB software, and analyzes high harmonics and the three-phase current waveform before and after compensation.Finally, it accomplishes the hardware and software of the APFcontrol system.based on DSP(TMS320LF2812). It designs DSP(TMS320LF2812) as the cor
14、e of the whole control system, and finished the design the current and voltage signal detection unit, A / D converter module, the PWM pulse generator module and the drive circuit module. KEY WORDS: shunt active power filters, harmonic detection, control strategy, MATLAB/Simulink, DSP第一章 绪论21世纪以来，电力电
15、子技术取得了飞速发展，一方面，电力电子技术帮助人们对电能有了更加充分和合理的应用，提高了生产效率、改善了人们的生活水平；另一方面，大量的电力电子装置比如电弧炉、电焊机和变频器等非线性负载接入电网，向电网中注入了大量的谐波电流和冲击性无功功率电流，导致了电网电压和电流波形产生严重畸变，严重影响了供用电系统的电能质量。并联型有源电力滤波器能动态地抑制谐波和进行无功补偿，被认为是解决电力系统谐波问题的最佳手段1。1.1 谐波问题的提出和研究1.1.1谐波的基本概念国际电工（IEC：International Electrotechnical Commission）标准（IEC555-2,1982）定
16、义谐波3为：谐波分量为周期量的傅里叶级数大于1的h次分量，把谐波次数h定义为：以谐波频率和基波频率的比值所表示的整数。在电力系统里，正弦波电压可用下式表示：式中 周期； 电压有效值； 频率； 初相角； 角频率；线性无源元器件电容、电感及电阻上施加正弦电压，他们的电流、电压是微分、积分和比例关系，仍然呈现为同一大小的正弦波。在非线性元器件施加当正弦电压加时，负载电流就显示是非正弦波，它在电网电抗上产生电压降会影响电压波形，导致电压发生畸变，成为非正弦形状。同理，在线性电路上施加非正弦电压时，会产生非正弦波形的电流。周期是的非正弦电压，可分解为以下形式的的傅里叶级数：式子中在上式中，频率为1/T分
17、量叫做基波，我们把频率值是整数倍基波频率的分量叫做谐波，谐波次数为谐波频率和基波的频率的整数比，以上公式及其定义均以非正弦电压为例，对于非正弦电流的情况也完全适用。我国规定电力系统的基波频率为50Hz，h次谐波频率为50hHz。1.1.2国内外研究状况人类在很久以前就开始重视对电力系统的波形畸变的研究，从交流电的出现到21世纪，电力工程师一直致力于如何将畸变限制在可以接受的范围内2。早在18世纪和19世纪，特别是Fourier JBJ提出的傅里叶变换，为谐波的分析奠定了基础。20世纪20年代和30年代，电力系统谐波的概念是由德国的研究者由研究静止汞弧变流器导致的波形畸变时得出，当时最有影响的是
18、Rissik H所著作的The Mercury Arc Current Converter。20世纪五六十年代高压直流输电技术的飞速发展，推进了谐波问题的研究发展，大量的论文在这一时期得以发表，Kimbark EW在其著作Direct Current Transmission中对此进行了总结，该书包括了电力系统谐波方面60篇以上的参考文献。20世纪70年代以来，国际上召开了多次有关谐波治理的学术会议，很重要的一个是自1984年开始，每隔一年召开一次的电力系统谐波国际会议(ICHPS)极大地促进了谐波治理领域的研究发展，制定了抑制供用电系统谐波的标淮。我国重视对谐波治理问题的研究较晚5，1988
19、年出版的由吴竟昌等编写的电力系统谐波是我国对研究谐波有很大的影响。1991年出版的由许克明等编写的电力系统高次谐波，1992年出版的由张一中等编写电力谐波，而1994年出版的由夏道止主编高压直流输电系统的谐波分析及滤波，1998年出版的由林海雪主编电力网中的谐波，它们对我们分析和研究谐波给与了极大的帮助。此外，唐统一及容健纲在1991年和1994年成功翻译了Arrilaga J电力系统谐波，并且王兆安在1998年编写谐波抑制和无功功率补偿是一部十分全面的描述如何分析谐波及治理谐波污染的著作，国内很多学者参阅该著作，其中有关有源电力滤波器的研究和描述部分深受学者的钟爱。最近，我国有关会议和期刊上
20、也发表了很多有关谐波治理问题的研究文献，谐波问题已经成为电气研究领域的热点。所以我们说，我国对谐波问题的研究起步于80年代，在整个90年代取得了长足的发展，并在不断缩小与国外研究水平的差距6。1.2谐波的来源和危害1.2.1 谐波源非线性设备当做谐波源时可按如下分类：1、传统的非线性设备，包括发电机、旋转电机、变压器和电弧炉4。2、现代的非线性装备，包括开关器件、荧光灯、在当代工业设备中应用的电力电子装置和电源、晶闸管控制设备等。(1)电力变压器是一种典型的谐波源，他的谐波电流时由其励磁回路的非线性引起的。变压器使用的磁性材料通常在接近非线性或就在非线性区域运行，在这种情况下，即使所加的电压是
21、正弦的，变压器的励磁电流也是非正弦的。同样，即便励磁电流是正弦的，电压也不可能完全是正弦的。(2)在旋设计转电机时，其线圈被嵌入在线槽中，由于这些线槽不可能完全按正弦分布，从而产生的畸变的磁动势，因此旋转电机也被认为是谐波源。(3)对于电弧炉来说，他的谐波主要是由起弧的延时和电弧的严重非线性一起的。(4)静止无功补偿装置如TSC、TCR等，是由晶闸管来控制电容或是电感的导通时间，也会产生非正弦的斩波电流。(5)荧光灯的伏安特性是严重非线性的，因此也会引起严重的谐波电流。1.2.2谐波的危害伴随着电力电子装置应用的日益增多和电力电子装置容量的不断加大，其产生的谐波比重也逐年增大，目对供用电网的危
22、害越来越大，它使得对供用电设备所处的环境恶化，对周围的通信系统和供用电网以外的设备带来了危害48，大致有：(1)电力电子装置导致电流谐波放大。由于电容器的电抗与频率成反比，因此在谐波电压作用下的电抗要小于在基波电压作用下的电抗，从而产生波形畸变较大的谐波电流，即便电压中谐波所占的比重很小，也会产生显著的谐波电流。(2)增加旋转电机的损耗。谐波电流或者电压会在电机的转子回路、定子绕组以及转子和定子铁芯中导致的附加损耗。由于涡流和肌肤效应的关系，与转子和定子导体内的这些附加损耗相比，直流电阻导致的损耗就微乎其微了。(3)增加输电线的损耗，减小输电线寿命。谐波导致电压降和电流有效值的增加引起额外损耗
23、，同时影响了输电线使用寿命。(4)引起公用电网中的元器件产生附加的谐波损耗，如使电动机引起附加损耗、发热增加，使用寿命缩短，效率降低；另外降低了发电、输电、配电和用电设备的效率，大量的3次谐波电流流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。(5)谐波电流在输电线路上产生的压降会导致用户端的电压波形产生严重的畸变，导致电气设备的工作出现异常。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘过快老化，寿命缩短，甚至损坏。(6)引起电网与用于补偿电网无功功率的并联电容器发生局部并联或串联谐振，使得谐波放大，导致电容器绝缘老化，甚至引起严重事故。据调查，谐波问题引起的电容故障占电容器总故障很大比例。(7)谐波会导致继电保护
24、和自动装置的误动作，会使得电气测仪表计量不准确，影响计量精度。(8)对临近的通信系统产生干扰，轻者产生噪音，引起通信质量降低；重者导致信息丢失，干扰通信系统的正常工作。1.3 谐波治理的技术研究1.3.1 谐波抑制技术解决电力电子装置产生谐波污染的问题，基本途径有两条：一种是安装谐波补偿装置，如各种无源、有源电力滤波器，这对各种谐波源都适应；另一条是专门针对特定的电力电子装置谐波源，可以对其进行技术改造，使之不消耗无功功率或者不产生谐波，如有源功率因数校正技术和PWM整流技术。传统的抑制谐波和补偿无功的主要手段是在电力系统中安装LC调谐滤波器。LC调谐滤波器因其结构简单，既可抑制谐波，又可补偿
25、无功而一直被广泛应用。但LC调谐滤波器也存在着很多缺点,比如滤波特性会因LC滤波器参数的漂移发生改变、补偿效果过分依赖于负载和电网参数、具有呈负性的电压调整效应、体积大、重量大和容易与系统发生串并联谐振等。目前最有发展前景的是采用电力电子装置补偿无功和抑制谐波，即利用有源电力滤波器(Active Power FilterAPF)技术进行无功补偿和谐波抑制9。电力有源滤波器是一种动态补偿无功和抑制谐波的电力电子装置，它能对频率及幅值都变化的无功和谐波进行抑制和补偿，可以克服无源滤波器的缺点，获取比无源滤波器更好的补偿效果，是一种较为理想的谐波补偿装置。1.3.2 谐波治理措施主要有三种谐波治理的
26、措施48：第一种是受端治理策略，即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们抗谐波干扰能力；第二种是主动治理策略，即从谐波源本身出发，使谐波源不生成谐波或者令谐波源生成较少的谐波；第三种是被动治理策略，即在设备中加入有源滤波器，防止电网中混入谐波，或者阻止谐波流进负载端。1、 受端治理受端治理5方法大致有如下几类：(1)合理选择供电方式。在电网设计和规划阶段考虑把谐波源由上级电网或更大容量的供用电点的电压供电，这样可以减小用电设备和系统所受谐波的影响。(2)阻碍电容器放大谐波。调节电抗器或改装电容器组的支路为有源滤波器，或把限定电容器的容量为一定范围内，这样可以很好的减弱电容器放大谐波的效果，并
27、确保电容器的正常工作。(3)将设备抵抗谐波污染的能力提高。改善设备的性能，使其在一定谐波环境里可以安全运行。(4)将谐波保护的性能加以改善。应用灵敏度更高的谐波保护设备保护那些对谐波敏感的装置，这样可以确保谐波超标时，设备不致于遭到破坏，却不利于装置正常运行。2、主动治理主动治理5的方案大致有如下几类：(1)提高变流设备脉冲数量或者相数。对变流装置进行改造或采用彼此存在一定移相角的变压器，这样可以减弱谐波比例，包括多脉整流技术，但是装置会变得复杂。(2)把谐波源的运行方式进行改善。集中那些能谐波互补的设备，否则应该分散，适当限制对会产生大量谐波的运行方式的应用。(3)采用多重化技术。联合使用多
28、个变流器，采用多重化技术将多个方波进行叠加，把频率较低的谐波滤除掉，获得接近正弦波的阶梯波，但缺点是装置复杂，成本较高。(4)谐波叠加注入。利用倍数为三次的谐波和外部的倍数为三次的谐波源，在产生的矩形波形上加入谐波电流，可以把给定的运行点处的某些谐波降低。缺点是必须确保倍数为三次的谐波源与系统的同步，并且谐波发生器的所消耗的功率总是达到整流器直流侧功率10。(5)采用PWM整流技术。应用脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)技术，使变流器生成幅值很小和频率很高，波形更接近正弦波的谐波，但PWM技术只适用于特定元器件组成变流器。(6)装设功率因数比较高的变流器。应用矩阵式
29、变频器，能够令变流器生成非常少的谐波。3、被动治理被动治理5的策略主要有：(1)应用电力无源滤波器PF(Passire Filter)。装设单调谐及高通滤波器在在公用电网节点或者谐波源处，可以将谐波电流吸收，同时还可以补偿无功功率，运行维护也简单。(2)采用电力有源滤波器APF(Active Power Filter)。在公用电网节点和谐波源附近安装串联型或者并联型APF，可以有效地补偿或隔离谐波，并联型有源电力滤波器还可以补偿无功功率，但装置成本较高。(3)采用混合型电力有源滤波器HAPF(Hybrid Active Power Filter)。HAPF兼具PF成本低廉和APF性能优越的优点
30、，属于APF的分支和拓展。HAPF的种类很多，大致有两类：与PF的混合和与其它变流器的混合。1.4 有源滤波器的发展状况1971年，HSasaki等就首次完整地描述了电力有源滤波器的基本工作原理，但由于当时产生谐波补偿电流的方法是采用线性放大的方法，其损耗大，成本高，因而仅局限于实验室分析研究，未能应用于工业中12。1976年，LGyugyi等人提出了用大功率晶体管和PWM逆变器构成的电力有源滤波器，并正式明确了有源滤波的概念，提出了有源电力滤波器主要控制方法和主电路的几种基本拓扑结构。PWM交流器是一种理想的补偿电流发生电路，但是受限于当时电力电子技术的滞后的发展水平，全控型器件频率低，功率
31、小，同样有源滤波器仍只能进行实验分析。1983年，日本长冈科技大学的Akagi H等人提出了基于分解理论的三相电路瞬时无功功率理论，为解决瞬时检测三相电力系统电流的畸变提供了理论依据；绝缘栅型双极性晶体管(IGBT)等快速新型大容量功率元器件相继问世；PWM调制技术、微型计算机控制技术都取得到了很大的发展。这些都极大地发展了并联型电力有源滤波技术，使电力有源滤波器真正得以应用在工业中。目前并联型电力有源滤波器作为改善电能质量的一项关键技术在美国、日本等电子工业发达国家已广泛用于国民经济的各个生产部门，并且谐波补偿的次数逐年提高(典型值达25次)，单机装置的容量也取得了很大的提高(APF的最大容
32、量可达50MVA)，其应用领域正从补偿负载自身的谐波向改善整个供电系统电能质量的方向发展。我国学术界和企业界的十分重视有源电力滤波器在工业中的应用，并投入了大量的人力和物力进行应用研究，但和日本、美国、德国等国家相比有一定的差距。到目前为止，我国也有几台设备应用于工业中，如华北电力试验研究所、冶金部自动化研究院联合开发、研究的有源高次谐波治理装置于1992年在北京木材厂变电站应用于工业中，这个设备用应用三个单相全控桥逆变器，但是该套装置容量不是很大，且补偿效果主要集中在几个次数的谐波上，同时载波调制的频率(3.3kHz)不是很高；华南理工大学研发的混合型APF，主要用于治理牵引变电站的谐波。该
33、装置在降低有源部分容量及如何实现上进行了大量的研究分析，虽然取得了很好的成果，但依然存在一些有待完善和改进的技术，例如不是很理想的滤波效果，同时无源网络阻抗的设计实现还存在一些困难，则当无源部分的电抗小，则系统滤波效果好但是有源部分偏大；当无源部分电抗变大，则有源部分随之减小，但是滤波效果变差很多。西安交大研发的将四重化变流器当做容量较大的电力有源滤波器主电路的方法，有效地解决了开关频率和有源部分大容量的矛盾，但其缺点是相对成本较高，在很多具体实现技术上仍有很大的突破空间11。总的来讲，目前我国电力有源滤波技术在工业上的应用方面依旧处在试验阶段，特别是同时抑制谐波和补偿无功功率的并联型APF系
34、统方面，还有许多基础理论与技术有待于深入研究。1.5 本章小结本章主要介绍了谐波问题的研究背景，谐波的基本概念的定义以及国内外有关谐波问题的科研状况。然后分析了高次谐波的来源以及高次谐波带来的危害，接着介绍了谐波治理技术的研究，主要是几种谐波治理的技术及其治理措施，主要是分析了有源滤波器用于谐波治理，从而研究了并联型有源滤波器的国内外发展状况为后文重点分析并联型有源滤波器的工作原理打下基础。第二章 并联型有源电力滤波器的研究2.1 有源滤波器的工作原理图2-1为APF的结构和基本工作原理，并联型电力有源滤波器主要由两大部分组成，即指令电流运算电路与补偿电流发生电路，其中补偿电流发生电路又由主电
35、路、驱动电路、电流跟踪控制电路和高通滤波器(High Pass Filter HPF)等部分组成4。并联型APF主电路目前都是采用PWM变流器，PWM变流器作为主电路，在生成补偿电流时，主要作为逆变器而工作。但它并不仅仅是运行在逆变器状态的，如当电网向电力有源滤波器的直流电容储能时，它运行在整流器状态。所以，它能同时运行在整流状态和逆变状态，且无法严格区分这两种工作状态。因此，一般称其为变流器。并联型APF的工作原理为：实时检测待补偿对象电流和电压，通过指令电流运算电路计算出补偿电流的指令信号，该指令信号经过补偿电流发生电路放大，产生无功和谐波补偿电流，该补偿电流与无功和谐波电流是幅值相等相位
36、相反，当加入到电网中时将负载电流中的无功谐波电流抵消掉，最终获得期望的电源电流。非线性负载生成的电流为，它含有谐波。由上式可知，负载电流由三部分构成：基波有功电流，和系统基波电压有相同的相位；基波无功电流，它和基波有功电流正交；高次谐波电流由上图可知：其中，为APF产生的补偿电流、为供电系统的电流。系统电流在补偿只存在基波有功电流。当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象的负载电流的谐波分量，将他的极性取反后作为补偿电流的指令电流信号，由补偿电流发生电路产生的补偿电流，即与负载谐波电流的谐波分量幅值相等但是相位相反，从而抵消负载电流中的谐波分量，使得电源电流中只含有基波分
37、量，不含有谐波分量，这样达到了抑制谐波要求。以上理论有下式给出： 图2.1 有源电力滤波器的原理图如果并联型有源电力滤波器同时补偿谐波和补偿负载无功功率，则只需将与基波无功分量极性相反的信号加入到补偿电流的指令信号中即可，即并联型APF输出的补偿电流既包含与无功电流幅值相等，相位相反的分量；也包含与谐波电流幅值相等，相位相反的分量13。这样，补偿电流与负载电流中的谐波和无功分量相抵消，使得补偿后的系统电流中仅含有基波有功电流。2.2 有源滤波器和无源滤波器优缺点1、无源滤波器缺陷目前由电抗器和电容器串联后组成的分路调谐LC滤波器作为无源滤波器广泛应用于我国电力系统中，但这种无源型LC滤波器抑制
38、谐波的效果并不十分理想，系统电抗参数L、C总是发生变化，LC无源滤波器将产生和系统并联或串联谐振。一旦系统电抗参数发生变化，将会引起某一频率大小的谐波电流增大，所以通常只适合静态补偿20。它有如下缺陷：(1)滤波特性受到电源电抗影响较大；(2)增多电源侧谐波可能会引起滤波器产生过载；(3)在同一系统内设置很多LC滤波回路情况下，难以很好的平衡高次谐波电流的流入。2、有源滤波器的优势并联型有源电力滤波器是一种用于动态补偿无功和抑制谐波的新型电力电子设备，它能补偿幅值和频率都变化的无功和谐波，他的特性可弥补无源LC滤波器等传统的抑制谐波和电容器等补偿无功的手段的缺陷，是电力系统柔性交流传输系统(F
39、ACTS)中的一个重要的研发方向4。有源电力滤波器的特点为：(1)实现了动态补偿，可补偿频率和幅值都变化的谐波和变化的无功功率，可以快速响应补偿对象的变化；(2)可同时对无功功率和谐波进行补偿，且可以做到连续调整补偿无功功率的大小；(3)补偿无功时不需要专门的储能元件，所需补偿谐波时的储能元件容量也很小；(4)即使补偿负载电流过大，并联型电力有源滤波器也不会产生过载，并能安全发挥补偿作用；(5)受电网阻抗参数变化的影响较小，不容易与电网阻抗发生并联或者串联谐振；(6)能实时跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响；(7)既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源进行集中
40、补偿。2.3 有源滤波器的分类有源电力滤波器可以按照应用场合、直流侧储能元件、拓扑结构和电源相数来分类。按变流电路类型分为电流型和电压型；按拓扑结构可分为并联型、串联型和串、并联混合型。1、根据应用场合的不同分类APF可以分为有源直流滤波器和有源交流滤波器两大类16。前者主要用来消除高压直流(HVDC)系统中换流器直流侧的电流、电压谐波，后者则应用于消除交流电力系统中的谐波。2、根据直流侧储能元件的不同分类按照有源电力滤波器直流侧储能元件类型的不同，能够把它分成：直流侧采用电感的电流型有源电力滤波器和直流侧采用电容的电压型有源电力滤波器16。并联型电力有源滤波器的是用来抑制谐波和补偿无功，因此
41、其与交流侧间必存在能量的交换，并且为了确保电力有源滤波器的正常运行，所以并联型电力有源滤波器的直流侧肯定存在储存能量的元器件，例如电感或者电容，主电路见图2.2和图2.3。图2.2 电压型有源滤波器图2.3 电流型有源滤波器我们根据直流侧的储能元件不同区别电流型电力有源滤波器和电压型电力有源滤波器。在补偿大容量系统时，电压型电力有源滤波器储能元器件是电容，它的成本和体积因为增多补偿器视在功率而成正比的增多，电流型有源电力滤波器的储能元件是电感，他的成本和体积与补偿器视在功率的改变关系不大。因此电压型电力有源滤波器适用于补偿低压配电系统中的无功和谐波。电流型电力有源滤波器则可用于补偿高压供电系统
42、的谐波和无功。3、按照接入电网的方式分类根据有源电力滤波器接入电网的方式13，可以将其分成三大类：并联型有源电力滤波器(Shunt APF)、串联型有源电力滤波器(Series APF)和串并联混合型有源电力滤波器即统一电能质量调节器(UPQC)。串联型APF与负载串联接入电网，主要用来消除电压型谐波源对系统的影响。并联型APF与负载并联接入电网，主要适用于补偿电流型谐波源的谐波、无功和负序电流。在多数情况下，并联型APF主要用于补偿可以看作电流源的谐波源，典型的如直流侧为阻感负载的整流电路。此时，并联型APF本身表现为电流源特性。串联型APF主要用于补偿可以看作电压源的谐波源，典型的如电容滤
43、波型整流电路。对于这种谐波源，串联型APF输出补偿电压，消除由负载产生的谐波电压，使供电电源处电压波形成为正弦波。目前，单独使用方式中，并联型APF应用较多些，串联型有源电力滤波器应用相对较少。正负载电流流过串联型有源电力滤波器，损耗很大；同时串联型有源电力滤波器的投切、故障后的退出和各种保护也比并联型有源电力滤波器复杂，因此使用范围是有限的。图2.4为有源电力滤波器与无源LC滤波器混合使用的系统构成方式以及根据接入电网的方式进行的详细分类。图2.4 有源电力滤波器的系统的构成分类4、按照注入电路方式分类为了降低电力有源滤波器容量而提出该方式的，电力有源滤波器的大小主要取决于其流过的电流和经受
44、的电压。该方式利用电感电路和电容电路的串并联谐振性能，使得并联型电力有源滤波器只承受很小的基波电压，这样可以很大程度的减小滤波器的容量。在此电路方式中，为保证补偿电流能顺利的流入电网与负载的连接处，需要合理地配置注入电路中几个电感、电容的参数13。此外，该方式有源电力滤波器的缺陷是不能补偿基波无功功率。注入电路方式根据电感电容电路的谐振特性的不同，又分为 LC并联谐振注入电路方式和LC串联联谐振注入电路方式。(a)并联型有源电力滤波器 (b)串联型有源电力滤波器（c）LC并联谐振型注入电路方式 （d）LC串联谐振型注入电路式 （e）并联混合型有源电力滤波器 （f）串联混合型有源电力滤波器(g)
45、无源与有源APF串联并入电网 (h)统一电能质量调节器图2.5 有源电力滤波器与电网、负载之间的连接方式图2.5a所示为单独使用的并联型APF。由于其补偿电流基本上由APF提供，这是有源电力滤波器中最基本的形式，也是目前采用最多的一种。这种方式的特点是可用于补偿谐波、连续调节补偿无功功率。但是他的缺点也很明显，它要求变流器的容量要比较大。图2.5b所示为单独使用串联型APF。单独使用的特点是在电源和谐波源之间串联作为电压源的有源电力滤波器。串联型APF输出补偿电压抵消由负载产生的谐波电压，使得供电点电压波形成为正弦波。串联型与并联型可以看做是对偶的关系。图2.5c 所示为 LC并联谐振注入电路
46、方式，在并联型APF及电网间接入 L1-C回路，这样基波电压很大部分加在该L1-C谐振电路上，有源电力滤波器和 L2仅仅承受剩余较小基波电压。所以LC滤波器承担了绝大部分补偿谐波和无功的任务，而有源电力滤波器是改善整个系统的性能，其所需要的容量与单独使用方式相比可大幅度降低！图2.5d所示为LC串联谐振注入电路方式，在电源电压基波频率C2-产生串联谐振，电容C1承担了大部分的基波电压，所以谐波和无功功率主要由LC滤波器补偿，而有源电力滤波器的作用是改善LC滤波器的滤波特性，克服了LC滤波器容易受电网阻抗的影响、易于电网阻抗发生谐振的缺点。图 2.5e所示并联型APF与LC滤波器混合使用，在并联
47、的负载和LC滤波器与电源之间并入有源电力滤波器。它是由容量较小的APF和容量较大的无源滤波器配合使用，抑制谐波的主要是无源滤波器，而有APF用来改善补偿特性，能很好的补偿注入电网中的大容量谐波源产生的谐波。这种方案结合了无源和有源电力滤波器的优点，具有很好的滤波性能，在目前是一种性价比较高的设计方案。图2.5f 所示串联型APF与LC滤波器混合使用，在并联的负载和 LC滤波器与电源之间串入APF。谐波大部分由 LC滤波器补偿，LC滤波器的滤波特性由串联型APF来改善。有源电力滤波器起到了谐波隔离的作用，原理是APF对基波呈现低阻抗，对谐波却呈现高阻抗，抑制谐波电流流入电网，迫使谐波电流流入LC 滤波器支路。另外，这样还可以消除电网阻抗对LC滤波器的影响，抑制电网与LC滤波器之间可能发生的谐振，从而极大地改善了LC滤波器的性能。图2.5g 所示为APF与LC滤波器串联后与电网并联联接方式。在这种方式中，APF可看作是电流控制电压源，由于LC滤波器的存在避免了电源电压直接加在有源电力滤波器的主电路上。这种方式的优点是，注入变