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1、基于MATLAB的有源三相滤波器的设计毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）题目：基于MATLAB的有源三相滤波器的设计设计(论文)的基本内容：（1）深入理解有源滤波器的相关知识；（2）进行有源三相滤波器的设计，并用MATLAB进行仿真；（3）撰写毕业论文。毕业设计（论文）专题部分：题目：设计或论文专题的基本内容：学生接受毕业设计（论文）题目日期第周指导教师签字：年月日基于MATLAB的三相滤波器的设计摘要电能作为现代社会的重要能源之一，广泛应用于工农业生产、人民生活、国防科技等各个领域。随着电力电子技术的发展，大量的非线性负载和各种整流设备被广泛的应用于各行各业，使电网谐波含量大大增加，电能
2、质量下降。所以，抑制谐波污染、改善供电质量成为迫切需要解决的问题。目前，随着电力电子技术的飞速发展，采用有源电力滤波器动态抑制谐波成为重要的发展方向，它能克服传统LC滤波器的缺陷。有源电力滤波器是一种新型谐波、无功补偿装置，和传统的LC滤波器相比，有源电力滤波器可以对谐波、无功以及负序电流实现实时、准确的补偿。因此，有源电力滤波器有广阔的应用前景，进行有源电力滤波器的研究和开发工作具有非常重要的意义。本文以并联电压型有源电力滤波器作为研究对象，系统地分析了并联电压型有源电力滤波器的工作原理、补偿特性等问题。深入研究了基于瞬时无功功率理论的法、基于瞬时无功功率理论下的改进型谐波电流检测的法，对并
3、联型有源电力滤波器的三角波载波控制、电流滞环跟踪控制等电流控制策略进行了研究，并对传统的电流滞环跟踪控制进行了改进，同时引入直流侧电压反馈控制环节，以保证有源电力滤波器具有良好的补偿跟随特性，通过理论分析比较了各自的特点。 本文还利用MATLAB/SIMULINK进行有源三相滤波器的仿真，仿真结果表明，有源电力滤波器能够对谐波电流起到了较好的补偿作用，具有较好的动态补偿特性。关键词： 有源三相滤波器、谐波电流、瞬时无功功率理论、MATLAB目录毕业设计（论文）任务书I摘要IIMATLAB-based three-phase filter designIIIAbstractIII目录IV第1章
4、绪论11.1 课题背景11.1.1 谐波的产生原因及危害11.1.2 谐波抑制的基本方法31.2 有源电力滤波器研究的意义31.2.1 无源滤波器的缺陷31.2.2 有源电力滤波器的优势31.3 有源电力滤波器的研究现状及发展趋势41.3.1 有源电力滤波器的发展历史41.3.2 有源电力滤波器研究现状41.3.3 有源电力滤波器的发展趋势5第2章 有源电力滤波器的原理62.1 有源滤波器的工作原理62.2 有源滤波器的类型72.2.1 按使用的变流器类型分类72.2.2 按拓扑结构分类82.3 本章小结10第3章 谐波的检测理论113.1 基于FFT的数字分析法113.2 基于瞬时无功理论的
5、快速检测方法123.2.1 检测法143.2.2 检测法153.3 本章小结17第4章 有源滤波器的控制策略184.1 三角载波线性控制法194.2 滞环控制法204.3 有源滤波器直流侧电压的控制原理224.4 本章小结24第5章 MATLAB仿真软件255.1 MATLAB简介255.2 SIMULINK简介275.3 SimPowerSystems库简介285.4 本章小结29第6章 有源三相滤波器的仿真306.1 谐波和无功电流检测模块的建立306.1.1 检测模块分析306.1.2 数字低通滤波器的选择336.2 补偿电路发生器模块模型的建立346.3 系统仿真结果37第7章 总结4
6、17.1 本文工作总结417.2 进一步展望41参考文献43致谢45第1章 绪论 由于半导体工艺的不断提高和各种新型器件的出现，电力电子装置的应用也越来越广泛，它们的存在使电能得到了有效的利用，但其自身所具有的非线性也使得电网的电流和电压发生畸变，给电网中其他设备的运行带来不利的影响。因此，抑制电网中的谐波、提高装置的功率因数成为电力电子和电力系统等研究领域所面临的一个重大课题。1.1 课题背景1.1.1 谐波的产生原因及危害电力系统的谐波问题，早在20世纪20年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电网电压和电流波形的畸变。到了20世纪5060年代由于高电压直流输电
7、技术的发展，针对换流器产生谐波问题发表了大量的研究文章。70年代以来，随着电力电子技术的发展，以及各种电力电子装置在电力系统中的大量使用，使得谐波造成的危害也日益严重。特别是近20年来随着功率电子器件、微电子技术的飞速发展和高频开关电源的大量使用，谐波问题更加引起了世界各国的广泛重视。现代电力系统的发电机在正常稳态运行条件下，不会产生多少谐波电动势。电力系统产生谐波的装置主要是一些具有非线性伏安特性的输电设备和用电设备，引起谐波的谐波源主要有：（1）电力变压器的非线性励磁；（2）旋转电机引起的谐波；（3）电弧炉引起的波形畸变；（4）各种电器设备的工作电源(特别是高频开关电源)产生的谐波。随着电
8、力电子装置的日益增多和容量的不断增大，上述（4）部分产生的谐波比重越来越大，目前已成为主要的谐波污染源。理想的公用电网所提供的电压应该是频率固定并且电压幅值在规定的范围内。但是实际电网中由于非线性负载的大量使用不仅使得负载电流非正弦，同时使得负载端电压畸变从而使得电网中产生谐波电压。谐波对电力系统的电磁环境的污染将危害系统本身及广大的电力用户。谐波电流和谐波电压的出现，对公共电网是一种污染，在电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波污染不严重，没有引起足够的重视。近三四十年来，各种电力电子装置的迅速普及使得公共电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各
9、种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。谐波对公共电网和其他系统的危害大致有以下几个方面：（1）谐波使电网损耗增加谐波使公共电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。与基波电流相比，尽管谐波电流的比例不大，但设备的有效电阻会因肌肤效应而增大，在有铁芯的电气设备中，铁芯的磁滞损耗和涡流损耗也将增大。这些附加损耗除增加了电力系统的损耗外，还使设备温升增加，尤其局部发热点的温升可能增加更多，使设备绝缘老化加速。另外，在较高频率的电场作用下，绝缘的局部放电加剧，介质损耗显著增加，致使其温升提高。当电压畸
10、变波形出现尖顶波时，还增加了局部放电强度，从而降低绝缘寿命。（2）谐波使电能利用率下降谐波的存在使得电网中无功功率增加，导致电流增大和视在功率增加，这些无功功率将在能量循环中产生无谓的损耗，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。（3）谐波使电网的可靠性下降在电力系统中为了补偿负载的无功功率，提高功率因数，常在负载处装设并联电容器。此外，为了滤除谐波，也会装设由电容器和电抗器组成的滤波器。在工频下，这些电容器的容抗比系统的感抗大得多，不会产生谐振。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。这种谐振会使谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统，特别
11、对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，甚至引起严重事故。（4）谐波对干扰电网上电气设备谐波会影响各种电气设备的正常工作。谐波电流产生的脉动转矩会引起电机的机械振动和噪声，这些将缩短电机的寿命，情况严重时甚至会损坏电机。电力系统中的谐波会改变保护继电器的性能，引起误动作或拒绝动作。（5）谐波对干扰计算机通信系统和自动控制设备谐波干扰会引起通信系统的噪声，降低通话的清晰度，干扰严重时会引起信号的丢失。谐波还会引起自动控制系统的误动作，干扰计算机的正常运行。（6）干扰相邻通信线路和铁道信号线路的正常工作现代电力电子技术的飞速发展就如同是一把双刃剑，在不断提供各种不同形式的高质量电源同时，也对电网
12、及其它设备造成很大的危害，因此必须对电网中存在的谐波进行抑制。1.1.2 抑制谐波的基本方法目前解决谐波问题的思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的；另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为l，如采用多重化技术、PWM整流技术以及有源功率因数校正技术等。这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。1.2 有源滤波器研究的意义1.2.1 无源滤波器的缺陷谐波和无功治理是电能质量问题的核心内容之一，也是现代电力生产发展的迫切要求。采用电力滤波装置就近吸收非线性负载所产生的谐波和无功电流，是抑制谐波和无功污染的有效措施。由电力电容器、电抗
13、器和电阻器适当组合而成的LC无源滤波器是传统的抑制谐波和补偿无功的主要手段，无源滤波器结构简单、投资成本低、技术成熟、运行可靠且维护方便，是目前采用的较为广泛的谐波抑制和无功补偿手段;但由于无源滤波器是通过在系统中为谐波提供一个并联低阻抗通路，以起到滤波作用，其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定的，因而存在以下缺陷：（l）谐振频率依赖于元件参数，因此只能对主要谐波进行滤波，不能对谐波和无功功率进行动态补偿，LC参数的漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定，而且滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调；（2）滤波特性依赖于电网参数，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
14、LC网络的设计较困难；（3）只能消除特定次的几次谐波，而电网的参数与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；（4）谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可能造成滤波器过载。由于无源滤波器存在以上其自身难以克服的缺点，因此单独使用无源滤波器来抑制谐波和补偿无功已经难以满足现代电力生产和生活的需要。1.2.2 有源滤波器的优势 目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源滤波器。有源滤波器是一种电力电子装置。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，既可以对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿，因而受到广泛的重视。1.3 有源滤
15、波器的研究现状及发展趋势1.3.1 有源滤波器的发展历史有源滤波器的发展最早可以追溯到20世纪60年代。1969年B.M.Bird和J.F.Marsh发表的论文中，描述了通过向交流电网注入三次谐波电流来减少电源电流中的谐波成分，从而改善电源电流波形的新方法。在该文中虽未出现有源电力滤波器一词，但其描述的方法是有源滤波器基本思想的萌芽。1971年，H.Sasaki和T.Machida发表的论文中，首次完整地描述了有源滤波器的基本原理。但由于当时是采样线性放大的方法产生补偿电流，其损耗大，成本高，因而仅在实验室中研究，未能在工业中实用。1976年，L Gyugyi等人提出了采用PWM（Pulse
16、Width Modulation）控制变流器构成的有源电力滤波器,确立了有源滤波器的概念、有源电力滤波器主电路的基本拓扑和控制方法。从原理上看，PWM变流器是一种理想的补偿电流发生电路，但是由于当时电力电子技术的发展水平还不高，全控型器件功率小、频率低，因而有源电力滤波器仍局限于实验研究。进入80年代，随着电力电子技术以及PWM控制技术的发展，有源电力滤波器的研究逐渐活跃起来，成为电力电子技术领域的研究热点之一。这一时期的一个重大突破是1983年赤目泰文等人提出了“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有源滤波器中得到了成功的应用，极大地促进了有源电力滤波器的发展
17、。目前三相电路瞬时无功功率理论被认为是有源电力滤波器的主要理论基础之一。同时，大功率全控器件的不断发展和成熟、PWM调制技术的不断进步和大规模集成电路的飞速发展，使得有源滤波器从理论和实验研究进入到了广泛实用的阶段。1.3.2 有源滤波器研究现状有源滤波器作为改善供电质量的一项关键技术，在日本、美国、德国等工业发达国家己得到了高度重视和日益广泛的应用。特别是80年代以来，随着电力电子技术以及PWM控制技术的发展，有源电力滤波器的研究逐渐活跃起来，成为电力电子技术领域的研究热点之一。现在有源电力滤波器的实际应用在日本及欧美国家越来越多。我国对有源电力滤波器的研究起步较晚，目前有源电力滤波器在我国
18、的实际应用并不多，与国外相比仍有较大差距，这与我国目前谐波污染日益严重的状况很不适应。随着我国电能质量治理工作的深入开展和对谐波问题重视程度的不断提高，对有源滤波器的研究已经成为一个非常有意义的研究课题，利用有源滤波器进行谐波治理具有巨大的社会意义和市场潜力，有源电力滤波技术必将在我国得到广泛的应用。1.3.3 有源滤波器的发展趋势有关有源滤波器近期及今后研究的方向主要集中在以下几个方面：（1）谐波电流检测方法的进一步研究。（2）有源滤波器功能的进一步完善。除了补偿谐波电流及无功功率的要求外还要使有源滤波器能够抑制谐波电压、抑制电压闪烁、抑制不平衡电流等功能。（3）通过PWM调制和提高开关器件
19、的等效开关频率实现对高次谐波的有效补偿。（4）进一步研究新的功率电路拓扑结构，采用多电平软开关等技术，在提高有源电力滤波器的容量的同时，降低功率器件的电压电流应力。1.4 本章小结 本章详细的阐述了谐波的产生及危害，提出了抑制谐波的几种方法，说明了有源电力滤波器研究的意义，介绍了有源滤波器的发展历史和现状，并对其发展进行了展望。第2章 有源电力滤波器的原理有源电力滤波器（Active Power FilterAPF)是一种用于动态抑制谐波、补偿无功功率的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，从而克服LC无源滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法仅能对确定频率进
20、行滤波和补偿的缺点。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含有基波分量，以达到实时补偿谐波电流的目的。有源电力滤波器具有对补偿对象瞬态响应快、受电源阻抗影响不大、不易和电源阻抗发生谐振等优点。另外，它在补偿无功功率时不需储能元件，补偿谐波时所需储能元件容量也不大。有源电力滤波器作为一种新型的谐波抑制和无功补偿装置，引起了国内外学者的广泛关注，其产品已在日、美等国家大量投入使用，具有广阔的应用前景。2.1 有源滤波器的工作原理有源滤波器结构如图2.1所示，其工作原理可简述如下：当需要补偿负载产生谐波电流时，有源电力滤波
21、器的指令运算电路检测出补偿对象负载电流的谐波分量，由控制电路使主电路产生补偿电流与大小相等、相位相反，因而两者相抵消，最终使得电源电流只含基波，不含谐波，达到了抑制谐波、补偿无功的目的。 图2.1 有源滤波器原理结构图可用公式(2.1.1)描述： （2.1.1）其中，为有源电力滤波器检测出的补偿对象负载电流的谐波分量。为负载电流中的基波分量。主电路采用PWM变流器，作为主电路的PWM变流器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作，因此，有的文献中将其称为逆变器。但它并不仅仅是作为逆变器而工作的，如在电网向有源电力滤波器直流侧贮能元件充电时，它就作为整流器工作。也就是说，它既工作于逆变状态、也工作
22、于整流状态，且两种工作状态无法严格区分。因此，称之为变流器。如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，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负载电流的基波无功分量的成分即可。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。2.2 有源滤波器的类型有源电力滤波器可以按照所使用的变流器类型、拓扑结构和电源相数来进行分类。按所使用的变流器类型可分为电流型和电压型；按与负载连接的拓扑结构可分为并联型、串联型和串、并联混合使用型；根据使用的场合电源相数来分可分为单相、三相三线和三相四线用有源电力滤波器等。2.2.1 按使用的变流器类型分类有源电力滤波器的
23、主电路主要有两种类型，即电流型PWM变流电路和电压型PWM变流电路。它们的主要区别是直流侧的储能元件不同。电压型PWM变流器在它的直流侧有一个大电容。它的作用是产生电流来补偿非线性负荷产生的谐波电流，由于其轻便且特性较好，所以应用较为广泛。电流型有源电力滤波器它的直流侧储能元件是大电感，它具有较高的可靠性，但却有较高的损耗，因此在一般场合下使用较少。在大容量时，电压型有源电力滤波器的电容型储能元件的体积和成本随补偿器视在功率的增大而显著增加，电流型有源电力滤波器的电感型储能元件的体积和成本随补偿器视在功率的增加变化不大。所以电压型有源电力滤波器主要适用于低压配电系统中进行无功和谐波补偿，电流型
24、有源电力滤波器则可用于高压供电系统的无功和谐波补偿。2.2.2 按拓扑结构分类 最早的有源电力滤波器为单独使用的并联型有源电力滤波器，经过多年的发展，为尽量发挥有源电力滤波器的特长、提高其性能，提出了串联型有源电力滤波器、串联混合型有源电力滤波器、并联混合型有源电力滤波器等。根据有源电力滤波器接入电网的方式不同，将其系统构成分为串联型、并联型和混合型三大类。它们又分别包括不同的类型，具体划分如图2.2所示。每一种类型的有源电力滤波器结构不同，因而其工作原理和特性也各不相同。图2.2 有源滤波器类型2.2.2.1 并联型有源电力滤波器并联型有源电力滤波器是使用最广泛的一种滤波器形式，包括单独使用
25、方式、与无源滤波器混合使用方式、注入方式、与旋转电机并用等多种方式。（1）单独使用的并联有源电力滤波器单独使用的并联有源电力滤波器，负载为产生谐波的谐波源，变流器和与其相连的电感、直流侧贮能元件电容共同组成有源电力滤波器的主电路。与有源电力滤波器并联的小容量一阶高通滤波器，用于滤除有源电力滤波器所产生的补偿电流中开关频率附近的谐波。由于有源电力滤波器的主电路与负载并联接入电网，故称为并联型。又由于其补偿电流基本上由有源电力滤波器提供，为与其他方式相区别，称之为单独使用的方式。这是有源电力滤波器中最基本的形式，也是目前应用最多的一种。这种方式可用于：只补偿谐波；只补偿无功功率；补偿三相不对称电流
26、；补偿供电点电压波动；以上任意项的组合。在这种方式中，只要采用适当的控制方法就可以达到多种补偿的目的，它可以实现的功能最为丰富灵活。但是，由于交流电源的基波电压直接或经变压器施加到变流器上，且补偿电流基本由变流器提供，故要求变流器具有较大的容量，这是这种方式的主要缺点。（2） 与无源滤波器混合使用方式这种方式正是为克服上一种方式要求容量较大这一缺点而提出的。其基本思想是利用无源滤波器来分担有源电力滤波器的部分补偿任务。由于无源滤波器与有源电力滤波比，其优点在于结构简单、易实现成本低，而有源电力滤波器的优点是补偿性能好。两者结合同时使用，既可克服有源电力滤波器容量大、成本高的缺点，又可使整个系统
27、获得良好的性能。并联型有源电力滤波器与无源滤波器混合使用的方式又可以分为两种。一种是有源电力滤波器与无源滤波器并联，另一种是有源电力滤波器与无源滤波器串联。但是，凡使用LC滤波器均存在与电网阻抗发生谐振的可能，因此在有源电力滤波器与LC滤波器混合使用的方式中，需对有源电力滤波器进行有效的控制，以抑制可能发生的谐振。（3）注入电路方式注入电路方式是用电感和电容构成注入回路，利用电感电容电路的谐振特性，使得有源电力滤波器只需承受很小部分的基波电压，从而极大地减小有源电力滤波器的容量。在注入电路方式中，为保证补偿电流流入电网与负载的连接处，需合理配置注入电路中的几个电感、电容的参数。根据电感电容电路
28、谐振性的不同，注入电路方式又分为LC串联谐振注入电路方式和LC并联谐振注入电路方式两种。（4）与旋转电机并用方式采用了与绕线转子异步电功机构造相同的旋转电机，通过控制转子侧所接的逆变器来控制电机的励磁电流，从而向电网中注入补偿电流。这种方式的特点也是可以减小变流器的容量。2.2.2.2 串联型有源电力滤波器串联型有源电力滤波器包括单独使用方式和与LC滤波器混合使用方式两种。（1）单独使用的串联型有源电力滤波器这种方式的特点是有源电力滤波器作为电压源串联在电源和谐波源之间。串联型有源电力滤波器与并联型有源电力滤波器不同，主要用于补偿可看作电压源的谐波源。电压谐波源的一个典型例子是电容滤波型整流电
29、路，这种整流电路从交流侧可被看作电压源。针对这种谐波源，串联型有源电力滤波器输出补偿电压，抵消由负载产生的谐波电压，使供电点电压波形成为正弦波。串联型与并联型可以看作是对偶的关系。（2）与LC滤波器混合使用方式这种方式是在并联的负载和LC滤波器与电源之间串入有源电力滤波器，谐波基本上由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。可将有源电力滤波器看作一个可变阻抗，它对基波的阻抗为零，对谐波却呈现高阻抗，阻止谐波电流流入电网，而迫使谐波电流流入LC滤波器。换言之，有源电力滤波器起到了谐波隔离器的作用。这样还可抑制电网阻抗对 LC滤波器的影响，以及抑制电网与LC滤波器之间可能
30、发生的谐振，从而极大地改善LC滤波器的性能。2.2.2.3 统一电能质量调节器1998年日本学者Akagi首次提出了统一电能质量调节器(Uinfied Power Quality Conditioner)的概念。在这种系统中一个并联型有源电力滤波器和一个串联型有源电力滤波器通过公共的直流母线组合在一起，就可以同时使几种电能质量功能得到改善。串联有源电力滤波器起到补偿电压谐波、消除系统不平衡、调节电压波动或闪变以及改善配电网的稳定性或阻尼振荡的作用；并联变流器起到补偿电流谐波与不平衡、补偿无功、调节变流器直流侧电压的作用，被认为是最理想的有源滤波器的结构。但这种结构比较复杂、成本比较高、控制困难
31、，需要进一步的研究，提高实用性。2.3 本章小结 本章介绍了有源滤波器的工作原理，及有源滤波器的分类，并对并联型有源滤波器及串联型有源滤波器的结构和使用方式，做了详细介绍，为有源三相滤波器的设计打下了基础。第3章 谐波的检测理论谐波检测是有源电力滤波器非常关键的一环，因为只有检测到了谐波才能进行合理的补偿，谐波检测环节给出有源滤波器需要补偿谐波的参考值，控制系统根据该参考值产生相应的脉冲，控制有源滤波器产生相应补偿电流或电压跟踪该参考值，起到补偿效果。在有源滤波器补偿分量检测方法的研究方面，从历史来看，经历着一个由频域、时域、神经网络、自适应参数辨识的发展过程。目前，补偿电流的检测方法主要有以
32、下几种：3.1 基于FFT的数字分析法 基于FFT的数字分析法原理比较简单，其原理为将检测到的一个周期的谐波信号用FFT分解，即可得到各次谐波的幅值和相位，从而也得到了各次谐波的表达式。采用FFT快速算法可以很快检测到测量波形中的各次谐波，但这种方法的缺点是需要一个周期的采样数据，所以具有较大的延时，不能称为快速检测法。目前通用的方法是采用移动窗口方法，即每采样得到一个新的数据，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FFT分析得到各次谐波。这样，每个采样点即可计算得到各次谐波。由于新的采样点是逐步加入进来的，当系统谐波含量发生突变时，必须经过一个周期的测量，FFT
33、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，基于FFT的数字分析方法存在一周期的延时。FFT方法思路比较简明，原理和工作过程十分清晰，对所补偿的谐波可以进行有目的的选择，适用于各种状况。但缺点是由于需要对误差信号进行重构，运算较为发杂，故具有一定的延时，实时性较差；而且该方法是建立在Fourier分析的基础上，因此要求被补偿的波形是周期性变化的，否则会带来较大的误差，所以限定了其使用范围。3.2 基于瞬时无功功率理论的快速检测方法基于瞬时无功功率理论检测法是目前APF中应用最广的一种补偿电流检测方法。最早是由日本学者H.Akagi于1989年提出，仅适用于对称三相电路，后经过不断的改
34、进现已包括法、法和法等。其中法最早应用，它仅适用于对称且无畸变的电网；而法不仅对电源电压畸变有效，也适用于不对称三相电网；基于同步旋转park变换的法不仅简化了对称无畸变下的指令电流运算，而且也适用于不对称有畸变的电网；基于瞬时无功功率的谐波检测法（Instantaneous Reactive Power Theory）亦称为p-q法，是日本学者Akagi H. 于1984年提出的，其目的是为了解决其研制的并联型有源滤波器谐波与无功功率的快速检测，从而为有源滤波器提供参考的补偿电流。该方法对有源滤波器的实用化研究及滤波响应速度的提高起了很大的推动作用，为实现谐波、无功的实时补偿提供了理论依据，
35、后来发展的很多谐波快速检测方法都是基于该方法的思想。该方法的核心思想是根据所定义的瞬时功率的波动部分为谐波电流和系统电压作用的结果的这一特点来提取谐波分量。以三相三线制系统为例，三相电流、电压的瞬时值分别为、和、，因为是三相三线制，所以三相电流、电压满足关系式+=0，+=0。因而三相三线制系统中电流和电压信号实际上只有两项是独立的，为此可利用电力系统分析中常用的-变换，可以将三相电压、电流信号变换为正交的-坐标系中的向量。令 （3.2.1）则三相电流、电压信号可以变换为-坐标系中的向量，即 （3.2.2） （3.2.3）瞬时有功电流和瞬时无功电流分别为矢量在矢量及其法线上的投影，即 （3.2.
36、4） （3.2.5）其中，、分别是矢量和矢量与方向的夹角。则瞬时有功功率p和无功功率q为： （3.2.6）其中。三相电路各相的瞬时无功电流、是、两相瞬时有功电流、通过两相到三相变换所得到的结果。瞬时有功电流、是、两相瞬时有功电流、通过两相到三相变换所得到的结果。即 （3.2.7） （3.2.8）式中以三相电路瞬时无功功率理论为基础，计算p、q或、为出发点可以得到三相电路谐波检测的两种方法，分别称之为p-q检测法和检测法。对于三相三线制电路，不论三相电压、电流是否对称，p-q检测法的检测结果都有误差，只是误差的情况有所不同；而检测法的检测结果不受电压波形畸变的影响，检测结果比较准确。3.2.1
37、检测法检测法原理图如图3.1所示，图3.1 检测法原理图检测法是以瞬时无功功率理论为基础，从瞬时有功功率和瞬时无功功率q的定义出发，首先计算出p和q，再经过低通滤波器（LPF），得到p、的直流分量、。当电网电压波形无畸变时，由基波有功电流与电压作用产生，由基波无功电流与电压作用产生。因此，经过矩阵的逆变换后，即可以由、计算出被检测电流、的基波分量、为： （3.2.9）将、与、相减，即可得出、的谐波分量、。 在理想情况下，电网电压波形应为正弦波，但是实际电网电压会有一定的畸变。在产生这些畸变的情况下，采用算法进行计算时，因为电网的电压信息参与了计算，使得计算所得到的谐波电流与实际的谐波电流之间存
38、在着差别。3.2.2 检测法根据瞬时无功功率理论可推导出瞬时有功电流和瞬时无功电流的表达式为： （3.2.10）其中。由此可得出检测法如原理图3.2所示。图3.2 检测法原理图 该方法用一个过零比较电路和一个正弦、余弦发生电路得到与a相电网电压同相位的正弦信号和对应的余弦信号，利用这个信号和、一起计算出、，再经过LPF得出、的直流分量、，这里的、是由、产生的，因此由、就可以计算出、的基波分量、，然后将、与、相减，计算得出谐波分量、。如果要在补偿谐波电流的同时补偿无功电流，只需断开图2.3中计算的通道即可。这样反变换后的三相电流只含有基波有功电流分量，得到的补偿电流中不仅含有谐波电流还含有无功电
39、流，可同时补偿谐波和无功电流，其原理图如图3.3所示。图3.3 检测法补偿谐波和无功电流原理图理想的电网电压波形应为正弦波，但是实际的电网电压波形由于各种原因会有一定的畸变，而且这种畸变在一定限度以内是允许存在的。据文献显示，电网电压的总谐波畸变率己达到2%-3%，在波形畸变严重的时间段，其值更高。因此，在选择检测方法时要考虑到电网电压畸变对检测方法的影响。上面所述的两种方法均适用于三相三线制电路，当电网电压无畸变时，两者皆可准确的检测出谐波电流。但是，当电网电压波形发生畸变时，检测法的检测结果出现误差。因为该检测法中电压信号参与了运算，所以电压信号有任何的变动都会影响运算的结果，直接影响检测
40、效果；而检测法中只取了与电压信号同相位的正弦信号和余弦信号参与运算，电压信号的谐波成分在运算过程中不出现，因而检测结果不受电压波形畸变的影响，能够充分保证检测结果的准确。鉴于以上的分析，本文中采用检测法为整个设计的理论基础，在此基础上对谐波电流的实时检测方法进行研究、改进和完善。除以上介绍的几种方法外，还有如下几种检测方法： (1).基于现代控制理论的检测方法：直接根据逆变器直流侧的电压或电流，求出所需电网电流的基波有功分量幅值，从而求出所需补偿电流的值；(2).自适应检测圆法：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，从而得到所需补偿的电流值；(3).基于神经
41、网络控制法：该方法是随着神经网络理论在系统中的应用而发展起来的一种新型智能控制检测手段。3.3 本章小结 本章内容主要介绍了谐波的检测理论，对其理论基础进行分析，并对基于FFT的数字分析法和基于瞬时无功理论的检测方法进行了比较，详细描述了瞬时无功功率快速检测法中的检测法和检测法，并对两种方法进行比较，本文采用检测法来实现检测模块的搭建。第4章 有源滤波器的控制策略 有源滤波器的控制系统一般由四个部分组成，即控制算法部分、触发脉冲发生部分、开关器件驱动板和变流器，如图4.1所示。图4.1 有源滤波器控制系统其中控制算法处理部分对谐波检测环节送来的数字信号进行处理，采用之前介绍的谐波检测算法，快速
42、检测出需要的谐波与有源滤波器产生的谐波比较，根据其差值采用一定的控制方法产生触发脉冲信号送给触发脉冲发生部分。而触发脉冲发生部分根据该信号产生适当的驱动脉冲去驱动有源滤波器的变流器，使其产生谐波电流或电压与所需的谐波电流或电压相同，从而达到谐波补偿的效果。在采样控制理论中有一个重要的理论冲量等效原理：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积，上述的效果基本相同指对惯性环节施加冲量相同的不同窄脉冲其输出响应基本相同。如把各输出波形进行傅立叶分解，其低频特性非常接近，仅在高频段略有差异，脉宽越窄时输出响应越接近。上述原理可以称之为面积等效原理，它是PWM控
43、制技术的重要理论基石。例如，图4.2(a)，(b)，(c)所示的三个脉冲形状不同，a为三角形脉冲，b为正弦半波脉冲，c为矩形脉冲，但它们的面积(即冲量)相等。当它们分别作用于同一惯性系统时，输出响应基本相同。而且脉冲越窄，输出差异就越小。（a） 三角形脉冲 （b）正弦半波脉冲 （c）矩形脉冲 图4.2 各种脉冲示意图目前有源电力滤波器的输出电流控制方法主要有：三角载波线性控制法和滞环比较控制法。4.1 三角载波线性控制法三角载波线性控制(trangle wave-linear control)是最简单的一种控制方法，其原理图如图4.3及4.4所示图4.3中以正弦波为基准将正弦波与三角波相交截，
44、图4.4为交截得到的驱动脉冲，通过该驱动脉冲驱动功率电路得到相应的电压或电流波形再通过滤波电路得到正弦电压或电流波形。 图4.3 正弦波与三角波交截 图4.4 正弦波与三角波交截后的驱动波形从图4.4中可以看出矩形脉冲的宽度是按正弦规律变化的。通过冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦波是作用在惯性环节上是等效的。有源电力滤波器采用的三角波载波PWM控制的具体方法如图4.5所示。将补偿电流指令值与补偿电流的反馈值相比较后，再经比例控制乘以系数K进行误差放大，放大后的误差信号与三角波相交截得到驱动信号。 图4.5 三角波线性控制法原理图这种方式与其它用三角波作为载波的PWM控制方式有所不同，它
45、不直接将指令信号与三角载波比较，而是将与实际输出电流的差值经比例环节或比例积分环节放大后再与三角载波进行比较，得到代表调制波的PWM信号，用此PWM信号控制主电路的功率开关器件，使实际输出电流快速地跟踪指令电流的变化。显然，比例放大系数K越大，三角波载波的频率越高，电流的跟踪性能就越好，有源电力滤波器的补偿效果就越明显。但比例放大系数K不能过大，否则的大小超出了三角波幅值，失去了脉宽调制的作用，系统将失控。在实际设计中，应经一个限幅环节。另外，三角载波频率的选取也受电力电子器件的最高工作频率的限制，实际应用时，需根据具体要求选取适当的K和三角载波频率。三角载波线性控制方法有如下特点：（1）输出电流所含的电流谐波较少，但含有与三角载波相同频率的谐波；（2）开关器件的开关频率固定，且等于三角波的频率；（3）电流响应的速度较慢；（4）电流的跟随误差较大；（5）三角波载波控制方式电路较复杂；（6）属于闭环控制,具有一定的控制稳定性。4.2 滞环控制法滞环控制是一种简单的bang一bang控制，它预先给定一个允许的容许误差，在补偿对象与滤波器输出之差值超过这个容许误差时，主电路中的功率开关器件动作。电流滞环比较控制的基本思想是实际电流与指令电流的
