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1、摘 要有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波和改善功率因数的新型电力电子装置。通过向电网送入与原有谐波幅值相等、相位相反的电流，达到改善和提高电能质量的目的。这种技术能对频率和幅值都变化的谐波和无功进行补偿，其补偿特性不受电网阻抗影响，具有响应快、可控性高、自适应性强等特点，克服了传统无源滤波的缺点，因而受到广泛的重视。 最后根据实际装置的研制经验,系统地讲述了并联型APF直流侧电压的计算和电容的选取。有源电力滤波器直流稳压的实现其中列举了有源电力滤波器直流侧电容电压的稳定控制：直流侧电容电压的控制原理，三相四线有源电力滤波器直流侧电压控制方法，直流侧电压控制的基本原理，模糊H控制原理 ，混合型
2、有源滤波器直流侧电压的稳定控制，并联型电力有源滤波器直流电容电压。关键词：有源电力滤波器(APF)，直流电压，模糊控制，直流侧电容，PI控制，MATLAB仿真ABSTRACTThe active electric power wave filter is that one kind is used for development restraint harmonic and improves the power factor new model electric power electronic devise. Send in electric current opposite to the
3、original harmonic amplitude equality , phase by facing an electrified wire netting, achieve improve and improve electric energy masss purpose. This technology can carry out compensation on the harmonic and idle work that frequency and amplitude all change , the person compensates characteristic prop
4、erty not accepting electrified wire netting impedance effect , strong from adaptability, have overcome passive wave filtering of tradition shortcoming , have accepted broad taking seriously as a result.Final developing according to actual device experiences , the direct-current having given an accou
5、nt of parallel type APF systematically inclines the voltage calculation and the capacitance choice. Active electric power wave filter direct-current stabilivolt realization has listed active electric power wave filter direct-current oblique tones capacitance voltage stability under the control of am
6、ong them: Direct-current oblique tones capacitance voltage controlling principle , blurred H controls principle, mixed type active wave filter direct-current inclines voltage stability under the control of , parallel type electric power active wave filter direct current holds voltage.Key Words： The
7、wave filter (APF) , direct current control , mix up active electric power under the control of, direct-current inclines capacitance , PI controls, MATLAB simulates前言电力系统中的谐波问题并不是一个新的问题，早在20世纪20年代，在德国就已经提出静态整流器产生的波形畸变问题。1945年J.C.Read发表的关于变流器谐波的论文是最早对谐波问题进行研究的论文。到了五六十年代，随着高压直流输电技术的发展，各国学者发表了大量的有关变流器引起
8、电力系统谐波的论文。近年来，随着非线性负载，尤其是电力电子装置的大量使用，使谐波和无功功率大量进入电网，引起电网闪变、频率变化、三相不平衡等问题，影响电能质量、输电效率和设备的安全运行与正常使用。随着谐波危害的日趋严重，电力系统的谐波问题在世界范围内得到广泛关注。如何有效地抑制谐波注入电网是当前国际和国内的研究重点之一。各国学者提出了各种各样的方法，如无源LC滤波、电路的多重化、有源电力滤波等。其中最受推崇也是目前较实用的是有源电力滤波技术，本论文将对有源滤波的相关技术进行深入地研究。 对与论文相关的背景知识进行了介绍，包括电力系统中的谐波问题及其危害、谐波的抑制技术和有源电力滤波器的国内外发
9、展概况，表明了有源电力滤波器应用的重要性以及本文工作的意义。39目录第一篇 绪论1第一章 引言1第一节 谐波及其产生的原因1第二节 高次谐波的危害2第三节 主要谐波源3第二章 抑制谐波5第一节 无源滤波器5第二节 有源电力滤波器6第三章 研究现状9第四章 研究内容和论文构成10第一节 主要研究内容11第二节 研究路线11第二篇 谐波电流检测技术12第一章 引言12第二章 检测谐测12第三章 离散傅立叶变换法13第四章 基于瞬时无功功率理论的检测方法16第五章 小结18第三篇 有源电力滤波器直流稳压的实现19第一章 引言19第二章 有源电力滤波器直流侧电容电压的稳定控制19第三章 三相四线有源电
10、力滤波器直流侧电压控制方法21第一节 直流侧电压控制的基本原理22第二节 模糊H控制原理23第三节 模糊H控制的实现24第四章 注入式有源电力滤波器直流侧电压的剖析25第一节 系统结构26第二节 系统分析26第三节 电网电压对系统的影响27第五章 混合型有源滤波器直流侧电压的稳定控制29第一节 直流侧电压波动原因及其稳定控制方法30第二节 仿真研究及实验结果31第四篇 系统的建模与仿真33第一章 引言33第二章 系统模型33第三章 控制系统模块35第一节 直流侧电压控制模块35第二节 谐波电流检测模块37第三节 电流跟踪控制模块37第四章 仿真结果38第一节 直流侧电容电压仿真结果仿真结果38
11、第二节 三相四线有源电力滤波器直流侧电压40参考文献41经验总结43致谢44第一篇 绪论第一章 引言电力系统中的谐波问题并不是一个新的问题，早在20世纪20年代，在德国就已经提出静态整流器产生的波形畸变问题。1945年J.C.Read发表的关于变流器谐波的论文是最早对谐波问题进行研究的论文。到了五六十年代，随着高压直流输电技术的发展，各国学者发表了大量的有关变流器引起电力系统谐波的论文。近年来，随着非线性负载，尤其是电力电子装置的大量使用，使谐波和无功功率大量进入电网，引起电网闪变、频率变化、三相不平衡等问题，影响电能质量、输电效率和设备的安全运行与正常使用。随着谐波危害的日趋严重，电力系统的
12、谐波问题在世界范围内得到广泛关注。如何有效地抑制谐波注入电网是当前国际和国内的研究重点之一。各国学者提出了各种各样的方法，如无源LC滤波、电路的多重化、有源电力滤波等。其中最受推崇也是目前较实用的是有源电力滤波技术，本论文将对有源滤波的相关技术进行深入地研究。本章对与论文相关的背景知识进行了介绍，包括电力系统中的谐波问题及其危害、谐波的抑制技术和有源电力滤波器的国内外发展概况，表明了有源电力滤波器应用的重要性以及本文工作的意义。第一节 谐波及其产生的原因国际上公认的谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量。其频率为基波的整数倍数”。由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，也常称为高次谐波。除
13、了特殊情况外，谐波的产生主要是由于大容量电力和用电整流或换流，以及其它非线性负荷造成的。这些电力或用电设备从电力系统中吸收的畸变电流可以分解为基波和一系列的谐波电流分量。其谐波电流值实际上和50Hz基波电压值以及供电网的阻抗几乎无关。因此，大多数谐波源可以视为恒流源，它们与50Hz基波不同，后者一般是恒压源。现代电力系统中发电机和变压器在正常稳态运行条件下，它们本身不会造成电网电压或电流的较大畸变，虽然在暂态扰动时(例如系统发生短路故障时、切合空载线路或空载投入变压器)以及超出其正常工作条件时(例如变压器运行在其额定工作电压以上)将可能增大其产生的谐波含量。第二节 高次谐波的危害随着电力电子技
14、术的进步，非线性负荷的种类、数量和比重都迅速增加，谐波对电力系统的污染日益严重，它对各种电气设备都有不同程度的影响和危害。调研谐波的具体影响和各种设备承受谐波的能力，是制定谐波标准和治理谐波措施的重要前提。国内外对谐波影响已做过许多研究与试验，发表了不少文献，对这一问题的研究提供了有益的参考。但因为谐波的变化有很大随机性，以及许多因谐波影响而发生的事故和设备的损坏是在事后发现的，因此国内外对谐波影响的认识和分析的精深程度，都很不够；不同国家和不同人员对某些谐波影响的分析结论也不一致。总之，这一问题值得深入研究。下面介绍谐波的影响。(1)谐波会引起谐振和谐波电流的放大。为了补偿负载的无功功率，提
15、高功率因数，常在负载处装有并联电容器，为了提高系统的电压水平，常在变电所安装并联电容器，此外，为了滤出谐波，会装LC滤波器。工频时，电容器的容抗比系统的感抗大的多，不会发生谐振，但对谐波频率而言，系统感抗大大增加而容抗大大减小，就可能产生并联谐振或串联谐振。谐振会使谐波电流放大几倍甚至几十倍，常常使电容器和电抗器烧毁。日本的统计数据显示,电容器和与之串联的电抗器烧毁在谐波引起的事故中约占75%。(2)谐波使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗，影响电器设备正常工作。谐波对电机的主要影响是引起附加损耗，从而产生附加温升，当发电机中谐波电流的频率接近定子零部件的固有振动频率时，可能引起发电机的强烈机
16、械振动并伴有强烈的噪音。(3)谐波电流流经变压器时，除引起变压器绕组附加损耗外，也引起外壳、外层硅钢片和某些紧固件发热，并且有可能引起局部的严重过热，谐波也使变压器噪声增大。(4)谐波会引起电缆浸渍绝缘的局部放电、介质损耗和温升增大。电缆的分布电容对谐波电流有放大作用，在电网低谷负荷下当电网电压温升上升而使谐波电压也升高时，电缆很容易出故障。(5)谐波对通信线路的干扰主要通过电容耦合、电磁感应和电气传导。话音的频率范围是500Hz3KHz，在这范围内的谐波都会影响通话质量。(6)谐波电流在电网中流动会产生有功功率损耗，构成了电网线损的一部份，对电网的经济运行很不利。(7)谐波对电子设备的影响主
17、要有：l 为减小损耗和电磁干扰，变流装置中的功率器件通常选择在电压或电流的过零点动作，谐波的存在影响了过零点的准确检测，影响了正确的开关动作。l 谐波对继电保护和电力测量的影响：谐波会改变保护继电器的性能，引起误动作或拒绝动作，引起事故。谐波会使电工测量仪表产生测量误差，影响计量及测量的准确性。l 非整数和超低频谐波影响了一些视听设备的视听效果。l 由于谐波电压而引起的电压峰值点的变化影响了电视机和计算机画面大小和明暗的变化。l 谐波引起计算机死机或程序运行不正常，从而导致自控设备误动作(8)谐波对电网中的模拟式电表如电压表、电流表、功率表、电度表的测量会有影响，使测量仪表计量不准确，降低了测
18、量数据的准确性和可靠性。第三节 主要谐波源谐波是由非线性元件和非线性负荷产生的，相对于系统而言可称其为谐波源。所谓非线性设备就是在正弦供电电压下产生非正弦电流或者在正弦供电电流下产生非正弦电压的设备。作为谐波源，非线性设备可以被划分为如下几类5：(1)电力电子装置。电力电子装置近年来发展迅猛，是最严重的谐波源。它有单相和多相之分;从功能上看，有整流、逆变、交流调压和变频之分。大型的有达百万千瓦级的HDVC装置和大型铝厂的整流装置，小型的有电动机节能器、家用充电器和家用调光灯。影响面较大的单相换流装置用于工频交流电力机车。(2)电弧炉。通常所谓的电弧炉是指，用于钢铁冶炼的交流电弧炉。大型电弧炉的
19、发展方向是采用更经济更有效的直流电弧炉。在谐波源分类上，直流电弧炉由整流器馈电，故应列入电力电子装置。铁合金矿石炉、电石炉和电弧炉虽都采用石墨电极来注入熔化电流，但用电特性有很大区别。(3)家用电器。例如日光灯、电视机、调速风扇、空调、电冰箱等。(4)高新技术应用的多种设备。例如电子计算机、敏感电子器件、功调器、激光切割设备、卫星传送器、核磁共振设备、节能灯(例如高压钠灯和其他气体放电灯)等。国外的经验表明，各种非线性用电设备容量的增长率大大超过电网的发电设备容量的增长率。这一事实决定了谐波监督和治理工作的长期性和艰巨性。表1-1列出了1980年、1985年和1990年陕西省电网发电量和电气化
20、铁道、电解铝的用电量的统计值。由表可以看出，这些非线性负荷用电量的年增长率远高于发电量年增长率。这是陕西电网的谐波问题，尤其是陕西各地区电网中的电气化铁道的谐波问题，在80年代以来迅速恶化的根源。表1-1陕西省电网发电量和电气化铁道、电解铝用电量的统计项目年电量(亿kWh)年增长率()1980198519901980198519851990发电量79.1108.8149.76.586.59电气化铁道用电量2.5053.9375.6969.467.67电解铝用电量0.9920.9723.941-0.41表1-2列出了1980年、1985年和1990年我国全国的发电装机容量、发电量和电气化铁道长度
21、及其用电量的统计值，同样表明了电气化铁道用电量的增长率远高于发电量的年增长率。与此相应，电气化铁道负荷较重的电网，自80年代以来，都尖锐地反映了电气化铁道谐波污染和危害问题。表1-2中国发电装机容量、发电量和电气化铁道长度及其用电量统计项目年统计值年增长率()1980198519901980198519851990发电装机容量(万kW)60008495135007.29.71发电量(亿kWh)3006406061506.28.66电气化铁道长度(km)16674150.56940.820.010.83电气化铁道用电量(亿kWh)2.86712.95237.87135.224.94发达国家的经验
22、和预测表明，随着科学技术的发展，非线性负荷用电设备的种类、数量和用电量将迅猛增加。例如美国IEEE学会认为，伴随着当代一项重大的科技进步，即电力电子技术的发展，作为非线性用电负荷的敏感电子器件已经大量涌现，其负荷在90年代后期的美国要上升到1992年的45倍。英国有学者认为，自60年代以来由于电力电子技术的发展，若不进行有效的谐波控制，在80年代末，英国的供电电压畸变率可能高达1078。日本电气协同研究会的电力系统高次谐波对策委员会论述说：日本当前的重要谐波源依次是电力换流器(占谐波源总数的66)、家用电器(占谐波源总数的23)以及大型电弧炉。在高技术的电力电子领域中，换流装置占核心位置。在日
23、本，从这种装置的15年销售量累计比例来推测，这种装置在2000年的普及率和增长率达到1987年的2.5倍。若按照合同电力的增长，估计日本到2000年，谐波电流和电力系统容量的比例要上升到1990年的2倍左右。很明显，随着我国改革开放和经济建设的发展，我国电网已经遭遇并面临发达国家当前的谐波局面，即谐波源随着高新技术的发展而猛增，电网电压畸变率也将上升。第二章 抑制谐波消除谐波，应从产生谐波的装置即电力电子装置出发来研究解决的方法。消除谐波主要有两种途径9：主动型：从装置本身出发，设计不产生谐波的变流器；被动型：外加电力滤波器，比如在电力系统中加上LC滤波器，或加有源电力滤波器等。至于采用哪种途
24、径，应根据经济效益来决定。另外，对已经在运行工作的装置只能通过加装滤波器来实现。主动型的变流器谐波抑制方案主要有：多脉冲整流及准多脉冲整流，多电平变流技术，脉宽调制(PWM)技术等，主动型的谐波抑制代表了电力电子技术的发展方向。被动型的谐波抑制即安装电力滤波器是本文研究的重点。滤波器可分为无源滤波器和有源电力滤波器。第一节 无源滤波器对于谐波污染，目前主要采用电感和电容组成的无源谐振电路作为一定频率谐波电流、电压的通路，从而消除谐波的影响。当滤波器的固有频率(1-1)与某阶次谐波频率相等，即时，滤波器在该次谐波频率下的阻抗最低，大部分谐波电流注入滤波器，被滤波器吸收。因此无源滤波器可以设计成针
25、对特定谐波阶次的滤波设备，如3次、5次、7次、11次谐波滤波器。当时，则滤波器对该次谐波来讲为容性负载，因此所有各阶次谐波的滤波器对基波来讲都呈容性，能够起到对基波的补偿作用。任何高一阶次的滤波器，对于低阶次谐波来讲都是容性负载，有放大低阶次谐波的作用，因此，电网中存在多阶次谐波并采用多个阶次的谐波滤波器时，投入和切除的顺序应为：先投入后切除低阶次谐波的滤波器，后投入先切除高阶次谐波的滤波器，避免投切过程中发生谐波放大。无源滤波器适用于负荷运行平稳，谐波频率大小确定功率因数不高等需要补偿的场所。它具有成本低、结构简单、技术成熟等优点。但存在以下难以克服的缺陷：1） 滤波器的设计大多针对特定频率
26、的谐波，只能滤除特定次的谐波，谐振频率依赖于元件参数，LC参数的漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定。2） 滤波器依赖于电网参数，而电网的阻抗和谐波频率随着电力系统的运行工况随时改变，因而LC参数的设计比较困难。3） 电网阻抗与LC可能产生串联谐振，电网中的某次谐波电压可能在LC网络中产生很大的谐波电流。4） 电网阻抗与LC可能产生并联谐振使该次谐波分量放大，使电网供电质量下降。5） 对于变化范围较大的负载，谐振电路还存在过电流和过电压问题。6） 体积大、损耗大。为了解决无源滤波器的局限性，人们做了许多研究与探索，其中具有代表意义的是有源电力滤波技术。从目前国外的使用情况来看，利用有源电力
27、滤波器进行谐波和无功补偿是今后的一个发展趋势。第二节 有源电力滤波器有源电力滤波器(APF:Active Power Filter)是属于柔性交流输电(FACTS)的新一代电力电子产品，利用了大功率电力电子器件(如IGBT、GTO)。有源电力滤波器的思想最早出现于1969年B.M.Bird和J.F.Marsh的论文中。文中描述了通过向交流电源注入三次谐波电流以减少电源中的谐波，改善电源电流波形的新方法。文中所述的方法被认为是有源电力滤波器思想的诞生。1971年，日本H.Sasaki和T.Machida首次发表论文完整描述有源电力滤波器的基本原理14。1976年，美国的L.Gyugyi和E.C.
28、Strycula提出采用脉宽调制(PWM：Pulse Width Modulation)控制的有源电力滤波器，确定了主电路的基本拓扑结构和控制方法，从原理上阐明了有源电力滤波器是一理想的谐波电流发生器，并讨论了实现方法和相应的控制原理，奠定了有源电力滤波器的基础。然而，在20世纪70年代由于缺少大功率可关断器件，有源电力滤波器除了少数的实验室研究外，几乎没有任何进展。进入20世纪80年代以来，新型电力半导体器件的出现，PWM技术的发展，尤其是1983年日本的H.Akagi16等人提出了“三相电路瞬时无功功率理论”，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在三相有源电力滤波器中得到了成功的应用，极
29、大的促进了有源电力滤波器的发展。图1-1为最基本的有源电力滤波器系统构成的原理图。图中表示交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由两大部分组成，即指令电流运算电路(谐波电流检测)和补偿电流发生电路(由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成)。其中，指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量，因此有时也称为谐波和无功电流检测电路。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。主电路目前均采用PWM变流器。1-1有源电力滤波器系统构成的原理图有源电力滤波器的基本工作原理是，检测补偿对象的电压和电流
30、，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。当只补偿负载产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象负载电流的谐波分量，将其反极性后作为补偿电流的指令信号，由补偿电流发生电路产生与负载电流中的谐波分量大小相等、方向相反的补偿电流，两者相互抵消，使得电源电流中只含基波、不含谐波。上述原理可以用如下一组公式描述：(1-2)(1-3)(1-4)(1-5)式中，为负载电流的基波分量。 当在补偿谐波的同时，补偿负载的无功功率，则只要在补偿电流的指令信号中增加与负载电流的基波无功分量
31、反极性的成分即可。这样，补偿电流与负载电流中的谐波及无功成分相抵消，电源电流等于负载电流的基波有功分量。与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性，其具体特点如下：(1)适应功能，实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应。(2)可同时对谐波和无功功率进行补偿，补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需储能元件的容量不大，且补偿无功功率的大小可以做到连续调节。(3)受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振；且可以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。但有源电力滤波器也存在价格昂贵、运行成本高和难以构
32、成大容量补偿装置等缺点。无源滤波器和有源电力滤波器的工程造价与谐波要求关系如图1-2所示17。从图1-2可以看出，谐波标准越高，对无源滤波器而言，就是滤波支路增多，其硬件造价几乎是以指数速率增长的。而对有源电力滤波器而言，主要是增加控制的难度和复杂度，硬件的造价基本不受影响。因此对于电能质量要求越来越严格的今天，采用有源电力滤波器作为谐波消除装置的优点越来越突出。造价无源滤波器有源电力滤波器谐波要求严格图1-2有源电力滤波器和无源电力滤波器性价比的对照第三章 研究现状工业APF在日本、美国、德国等工业发达国家已得到了高度重视和日益广泛应用18。目前，世界上APF的主要生产厂家有日本三菱电机公司
33、、美国西屋电气公司、德国西门子公司、ABB公司等。在国外有源电力滤波器技术已经成熟，产品已批量生产。富士电机从1991年起即开发有源电力滤波器产品投入市场。1996年富士电机又生产出适用于小容量(MINI)的有源电力滤波器供应市场，受到各方好评。1998年又开发了上述MINI的上位机，即新型有源电力滤波器FUJIACT200/400系列。该系统所有电路与部件与通用变频器可以达到互换、单机容量可以从400kVA到最大。据介绍，自1982年以来，日本已有500多台有源滤波器投入市场。容量由50kVA到60MVA。有源滤波器的容量越来越宽，功能也越来越丰富，除补偿谐波电流外，还可以补偿基波无功、平衡
34、三相电压、抑制电压闪变等功能。例如：将由5MVA的串联型APF和25MVA的并联型PPF组成的混合型滤波器安装于高速磁悬浮列车上，用于抑制谐波。由三个APF并联组成的48MVA并联型APF安装于向“子弹头”列车供电的某电站，用于补偿无功电流和负序电流，抑制电压闪变和三相电压不平衡。与国外的广泛应用相比，我国的APF的研究与应用远落后于国外，尚处于实验研究和理论研究阶段，这与我国目前谐波污染严重的状况很不适应。许多高校都对APF进行介绍、研究、研制和试验。西安交通大学已研制出120kVA的并联型有源滤波器的实验样机。哈尔滨工业大学电力电子研究所与其他单位合作完成了100kVA广义电力有源滤波器，
35、株洲变流技术国家工程研究中心于2005年11月研制出10kV/260kVA的并联型有源滤波装置，并在怀化电力局肖家变电站正式投入使用。我国在有源电力滤波器方面研究起步较晚，目前还主要以理论研究和实验为主,今后加强引进发达国家技术,提高器件制造水平，发展适合我国电力系统标准的控制技术,研制开发低损耗、低价格、大容量的APF是加快在生产实际的应用,改善电能质量的有效途径。在有源电力滤波器的发展过程中，先进的检测方法和控制方法的提出和改进，一直是各国学者研究的一大热点。目前APF的控制方法主要有三角载波调制法、电流滞环控制法、无差拍控制法、电压空间矢量法等。其中三角载波调制法虽然最简单易行，但是跟踪
36、误差大、调制带宽有限、无法滤除所有调制信号的脉动；电流滞环控制法的开关损耗小，动态响应快，具有很强的鲁棒性，但是开关频率不固定，容易引起脉电流和开关噪声；无差拍控制法20最显著的优点是能快速响应电流的突然变化，但是计算量大，造成延迟，且对系统参数依赖较大，影响整个系统的稳定性。电压空间矢量精确度高，但一般需要进行较为复杂的坐标转换。有源电力滤波器工作时等效于一个无功和谐波源，基于目前一些常用控制方法，在指令电流变化较大时补偿电流往往不能完全跟踪指令，从而在补偿后的主电流中有比较大的“尖峰”现象出现。滑模变结构控制(Sliding Mode Control，SMC)对系统内摄动和外干扰具有完全鲁
37、棒性，即系统的运动与摄动及干扰无关。由于滑模变结构控制具有快速性、鲁棒性、稳定性和对外界的干扰不敏感等特性从而使其适合于有源电力滤波器的控制。如何寻求一种跟踪能力强、稳态误差小的新的控制方法是各国学者努力的目标。第四章 研究内容和论文构成有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波和改善功率因数的新型电力电子装置。通过向电网送入与原有谐波幅值相等、相位相反的电流，达到改善和提高电能质量的目的。这种技术能对频率和幅值都变化的谐波和无功进行补偿，其补偿特性不受电网阻抗影响，具有响应快、可控性高、自适应性强等特点，克服了传统无源滤波的缺点，因而受到广泛的重视。 最后根据实际装置的研制经验,系统地讲述了并联型
38、APF直流侧电压的计算和电容的选取。重点介绍了有源电力滤波器直流稳压的实现，其中列举了有源电力滤波器直流侧电容电压的稳定控制：直流侧电容电压的控制原理，三相四线有源电力滤波器直流侧电压控制方法，直流侧电压控制的基本原理，模糊H控制原理 ，混合型有源滤波器直流侧电压的稳定控制，并联型电力有源滤波器直流电容电压。第一节 主要研究内容 有源电力滤波器直流侧电容电压的稳定控制：直流侧电容电压的控制原理，三相四线有源电力滤波器直流侧电压控制方法，直流侧电压控制的基本原理，模糊H控制原理 ，混合型有源滤波器直流侧电压的稳定控制，并联型电力有源滤波器直流电容电压。第二节 研究路线研究采用了解析分析、仿真研究
39、和实验研究三者紧密结合的方法，理论上充分利用已有的谐波特性分析及抑制策略的研究成果，高起点对有源电力滤波器的技术方案及控制系统设计问题展开分析、研究工作。通过解析分析获得定性和半定量的结论，并运用计算机仿真这一先进的研究手段进行辅助分析，从而获得了直观和感性的认识。依托株洲变流技术国家工程研究中心，建立了完整的实验系统，通过大量实验工作，实现了从理论到实践的全面、综合研究。第二篇 谐波电流检测技术第一章 引言有源电力滤波器可分为两部分，即谐波电流检测(指令电流运算电路)和补偿电流发生。准确、实时地检测出电网中的谐波电流是有源电力滤波器进行精确补偿的关键。本章首先对近年来发展起来的谐波电流检测技
40、术进行了概述，然后详细讨论了两种检测技术：傅立叶检测法和基于瞬时无功功率理论的检测法，从理论上详细分析了它们的原理、优缺点，并用MATLAB进行了建模仿真，为后面的研究打下基础。第二章 检测谐测有源电力滤波器的检测方法经历了一个由频域、时域、神经网络、自适应参数辨识的发展过程。（1） 基波电流减去法 该方法是早的谐波电流检测方法，它使用带阻滤波器将基波电流从检测的电流中滤去，从而得到高次谐波电流作为补偿对象。该方法虽然简单，但这样的有源电力滤波器功能单一(只能消除高次谐波)，而且带阻滤波器是理想的模型，工程上不可能实现。这种方法多用于补偿效果要求不高的场合，已不能适应现代电力系统的需要。（2）
41、 傅立叶检测法 该方法的基础是傅立叶级数分析，将检测到的畸变电流(或电压)进行傅立叶变换，分解为高次谐波代数和的形式，再将其合成为总的补偿电流。由于傅立叶变化需要进行大量的运算，当要求消除的谐波次数很高时，微机的适时计算有困难，不适合实际控制。（3） 瞬时空间矢量法 利用瞬时无功功率理论，检测出三相电压与负载电流，计算出瞬时实功率和瞬时虚功率，算出补偿电流。该方法的优点是能快速跟踪补偿电流，进行适时补偿，系统频率特性不变，即使高次谐波增加，系统也不会过载，且不受电网参数和负载变化的影响；缺点是成本高，系统损耗大，特别当补偿谐波电流次数较高时，需要较高的PWM控制开关频率。（4） 基于现代控制理
42、论的方法 最早应用的基于P-I控制器的方法，因P-I控制器的特性不能适应负载及电网的变化，后来又提出了滑模控制及模糊控制等现代控制方法，它们都是直接根据逆变器直流侧的电压或电流，求出所需的电网电流的基波有功分量幅值，从而求出所需的补偿电流的指令值。（5） 自适应检测法 该方法基于自适应滤波中的自适应干扰抵消原理，从负载电流中消去基波有功分量，从而得到需补偿的电流值。该方法的优点是对电网电压畸变、频偏及电网参数变化有较好的自适应能力，但其动态响应较慢。（6） 基于神经网络检测法 该方法是随着神经控制理论在系统中的应用发展起来而形成的一种新型智能控制手段。人工神经网络以自学功能性强，进化算法和方向
43、传播用于神经网络的训练，不但避免了对于给定补偿电流的复杂计算，且有广泛的适应性。可用于补偿单相、三相三线或三相四线制非线性负载的APF系统。具有一下优点：可以通过模拟电路实现，所以该方法简单而方便；该方法对负载具有自适应的特点；该方法克服了采用电子滤波的时延现象；该方法可以同时检测谐波、无功、基波负序和零序电流。但是目前出现的很多方法，例如基于现代控制理论、基于神经网络检测等方法，大多处于理论研究阶段，在实际中运用的很少。目前应用较广泛的谐波电流检测方法是频域中的快速傅立叶分解法(FFT)、时域的瞬时无功功率理论法。下面对这两种方法进行详细研究。第三章 离散傅立叶变换法离散傅立叶变换法在谐波检
44、测与分析中早有应用。这种方法原理比较简单，将检测到的畸变电流(电压)进行傅立叶变换，得到各次谐波的幅值和相位，将欲消除的谐波分量进行傅立叶反变换，得到补偿参考信号。由于该方法是根据采集到的一个周期内的电流值进行计算，计算结果有一个周期的延时，且计算量大，实时性不好，因此在20世纪80年代，瞬时无功功率理论出现后就不再采用。但随着微计算机技术和数字信号处理(DSP)技术的迅猛发展，基于离散傅立叶变换的谐波电流检测方法再次引起人们的关注。按照前面关于谐波的定义，采用傅立叶分析，要完整地描述、获得电力系统中的电压或电流的谐波需要一个工频周期(对于50Hz的系统为20ms，对于60Hz的系统为16.6
45、7ms)的时间。因此如果严格按照谐波的定义检测谐波，然后采用有源滤波装置进行补偿，所需的响应时间至少在2025ms以上。而由于很多非线性负荷对于谐波的反应时间小于10ms(如基于变流器的非线性负荷，响应时间可能小于5ms)，因此采用谐波定义方法计算谐波，再进行快速补偿，就不能很好地消除谐波对敏感负荷的影响。提出了一种用离散傅立叶变换DFT(Discrete Fourier Transform)实现特殊滤波器的瞬时谐波电流的检测方法。该滤波器在基频处的幅值无衰减，相位无延时，能将2次以上的谐波全部滤掉。根据滤波器冲激响应的特点得到了滤波算法的递推关系，大大地节约了计算量。以A相负载电流为例，因其
46、为非正弦周期信号，则可表示为：(2-1) 式中T为的周期，=0,1,2,。一般满足狄里赫利条件，因此，它可展开为一个收敛的傅立叶级数，即(2-2) 式中，(2-3)(2-4)(2-5) 对负载电流进行离散采样，一个周期T内的采样个数取为N，则采样周期为T/N，设的N个采样值为1，2，N,与其对应的电源电压的幅值为1的正弦离散采样值为，由式(2-4)可得(2-6)(2-7)(2-8)(2-9)式中，0，1，2，N-1。这是离散傅立叶变换的基本公式，求出基波和各次谐波有功电流幅值，再用负载电流减去基波有功电流，就可以求出需补偿的谐波和无功电流。从公式中可以看出，它要求从固定点的起始点开始，定义的一
47、个周期内的N个采样数据同时参与计算，计算量和延时都非常大。在这里，我们采用移动窗口方法，即每采样得到一个新数据，则剔除一个时间最早的数据，将新数据与其它数据一起构成新的数据窗，进行傅立叶分析得到各次谐波。(2-10)(2-11)(2-12)式中为最新的采样数据点。用代替了，用代替了，淘汰了最老的数据，而最新的实时数据参与负载电流检测，大大加快了采样数据的更新速度，提高了系统跟踪电流变化的能力。但由于新的采样点逐步加入进行的，当系统谐波含量发生突变时，必须经过一个周期的测量，傅立叶分析得到的基波及谐波才能完全跟上系统谐波的变化。所以该方法存在一个周期的延时。图2-1傅立叶检测方法的MATLAB仿真模型 图2-1为MATLAB仿真模型，输入信号LoadAC、LoadBC、Load