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1、摘 要 随着电力电子装置大量的应用到生产生活当中，它们使电能的转换应用变得更加容易，但同时也给电力系统带来了严重的谐波污染。目前，并联有源电力滤波器(shunt active power filter，SAPF)已成为无功和谐波动态补偿的有效手段之一。在三相四线制电力系统中除了无功和谐波需要治理，负载不平衡问题也变得日益突出，因此，本文研究与设计适用于三相四线制下的SAPF来解决这些问题。针对三相四线制SAPF谐波电流检测问题，本文详细的推导基于瞬时无功理论的算法，论证它无需改进即可直接应用到三相四线制系统里；选择了滞环比较法作为补偿电流的控制策略；采用了三桥臂变流器作为SAPF的主电路。 文
2、章的最后，利用 MATLAB/Simulink 软件，搭建了仿真平台，对主电路出线电感参数和软启动方案进行单独仿真分析，证明电感值参数选择的合理和软启动方案可行。对 SAPF 和所要补偿的系统进行了整体仿真，结果证明在所选参数下，能够对平衡和不平衡非线性负载所带来的谐波有很好的动态补偿效果，对不平衡负载有很好的平衡作用；进而也说明检测方法正确，控制策略得当。关键词 谐波动态补偿；并联有源电力滤波器；三相四线制；算法MATLAB/SimulinkAbstract With extensive application of power electronic devices in productio
3、n and life,they make power energy conversion and application easily, but also lead to the serious harmonic pollution in the power system. At present, the shunt active power filter (SAPF) has been an effective way to dynamically compensate reactive power and harmonic. In addition to these problems, t
4、he load unbalance is more and more serious in three-phase four-wire system, therefore, SAPF applied to three-phase four-wire system is researched and designed to solve these problems in this paper. For the harmonic current detection of SAPF in three-phase four-wire system, thealgorithm based on the
5、instantaneous reactive theory is detailedly derived, and this algorithm is demonstrated it could be directly applied to three-phase and four-wire system without being improved. Hysteresis-band comparison method is chosen as compensation current control strategy. The three-leg converter which has cle
6、ar division is adopted as the main circuit. At the end of the paper, the simulation platform is built by use of MATLAB/Simulink software. The output inductance parameter and soft-start scheme are simulated respectively. The results prove that output inductance parameter is reasonable and the soft-st
7、art scheme is feasible. Then, the integrated simulation for SAPF and compensation system is carried out. Finally, simulation results show that SAPF has a good compensation characteristic for the harmonic produced by the balance and unbalance nonlinear loads, and balances three-phase loads in three-p
8、hase and four-wire system. At the same time, simulation results show that harmonic detection method is correct and the control strategy is proper.Keywords ：harmonic dynamic compension； shunt active power filter；three-phasefour-wire system；algorithm；MATLAB/Simulink第一章 绪论41.1 谐波概述及其危害41.2 谐波抑制强51.2.1
9、无源电力滤波器51.2.2有源电力滤波器61.2.3 混合型有源电力滤波器71.3 有源电力滤波器的发展和应用81.3.1 有源电力滤波器的发展81.3.2 有源电力滤波器的应用91.4 本文的研究的意义和内容设置及主要任务9第二章 三相电路谐波及无功电流的检测102.1 基于瞬时无功功率理论的电流检测方法102.1.1 瞬时无功理论原始定义及发展102. 1. 2 瞬时无功功率理论102. 1. 3 坐标变换152.2 三相四线制系统中基于瞬时无功功率理论的检测方法162.2.1 法检测电流16222 指令运算方法162.3 谐波分量的处理172.3.1 对基波零序分量的处理182.3.2
10、对基波负序分量和高次谐波分量的处理182.4 运算方式和运算方式的优缺点18第三章 并联型三相四线制补偿电流发生电路方案选择193.1 三相四线制系统APF主电路形式和结构选择设计193.1.1 四相变流器结构形式203.1.2 三相变流器结构203. 2 三相四线并联型有源电力滤波器主电路的参数选择213. 2. 1主电路容量的确定213. 2. 2 系统开关频率223. 2. 3电容总电压的选择223. 2. 4 电容选择准则和参数选择233. 2. 5 交流进线电感选择准则和参数选择243.3 电流跟踪控制电路253.3.1 三角波比较方式253.3.2 三角波比较方式26第四章 仿真2
11、74.1 三相四线制不平衡负载的谐波源设计274.2 谐波电流检测环节的设计304. 2. 1低通滤波器构成原理304.2.2 检测334.3 PWM信号发生模块的建立354.4 仿真模型的整体结构374.5 本章小结37第六章 结论及展望386.1本文的主要研究成果及完成的主要工作38致谢39参考文献40第一章 绪论 从上世纪20至30年代，人们已经注意到了由静止汞弧变流器弓I起的电网电压和电流的畸变问题。而今，随着电力电子技术的发展，各种非线性电力电子设备投入电网，它们产生的大量的谐波与无功电流也随之注入电网。导致电能质量的恶化。如电网的谐波、三相不平衡、闪变与频率变化等。如何改善电能质量
12、，对供电系统的谐波与无功进行补偿，一直是人们研究的重要课题。1.1 谐波概述及其危害 70年代以后，由于电力电子技术的飞速发展，电力电子设备进入了人们生产、生活的各个角落。从低压小容量的家用电器到高压大容量的工业变流装置，应用十分广泛。其产生的谐波日益严重，引起了世界各国对谐波及其抑制的重视。 谐波源归纳起来，主要有以下几种： (1)静止变流器。如整流器、交流调压器、通用变频器等。它们产生的谐波对电网影响最为严重，被称为电网中“公害”。 (2)工业用电弧炉、逆变焊机等。虽然他们数量不多，但它们容量较大，它们产生的谐波成份十分丰富，对电网的危害极大。 (3)电力变压器的非线性励磁。 (4)旋转电
13、机。 (5)各种民用电力电子设备。如：各种家用电器、荧光灯、计算机开关电源等。虽然它们的容量不大，但数量众多，它们对电网造成的谐波污染也越来越严重。谐波对电力系统中的其它用电设备，尤其是一些精密仪器影响严重，其危害主要表现在以下几方面： (1)电力方面的危害： 1)谐波容易引起电网与无功补偿电容器之间的串联或并联谐振。使谐波电流放大，造成过电流，导致电容器、与之相连的电抗器和电阻器的损坏。 2)使公用电网中的设备产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的使用效率，增加电网的线损。在三相四线制系统中，中线会由于流过3次及其倍数的谐波电流造成零线过热。 3)谐波会产生额外的热效应，从而引起用电
14、设备的发热、绝缘老化、降低设备的使用寿命。 (2)在信号干扰方面： 1)谐波通过电磁感应和传导耦合等方式对邻近的电力电子设备和通讯系统产生干扰严重时还会导致设备无法正常运行。 2) 谐波还会引起保护设备的误动作。 3)因目前很多电能测量仪表是电动式电度表，这种测量仪表是在纯正弦波情况下进行校验的，因此谐波会使仪表产生测量误差。谐波问题日益严重，如何对谐波进行抑制，成为众多科研工作者的研究课题。1.2 谐波抑制强 解决非线性负载产生的谐波问题思路有二。一是设计谐波补偿装置，对电力系统中非线性负载产生的谐波进行补偿。二是对电力系统中主要谐波源的电力电子装置进行自身的改造。使其完成自身功能的同时，不
15、产生谐波与无功。如：有源功率因数校正技术(SPFC)，各种PWM整流技术等。这两种思路各有优点，从近年来的科技文献可以看出都得到了很好的发展。谐波补偿装置经历了从无源电力滤波器(Passive Power Filter)到有源电力滤波器(Active Power Filter)的发展。因有源电力滤波器成本较高，近年来，混合型有源电力滤波器由于其成本合理和较好的性能也受到了人们的关注。1.2.1 无源电力滤波器 无源电力滤波器(原理如图1-1)是传统的谐波补偿方法，目前大量应用的是由交流电抗器和电容器组成的“LC无源滤波器(LC Passire Power Filter)”。虽然无源滤波器具有结
16、构简单、成本低、技术成熟等优点，但它也存在以下缺点： (1)如果系统中谐波电流超量，滤波器将过载。 (2)如果高次谐波的范围较宽，则需要设置多个无源支路。 (3)无源滤波器的补偿效果随系统运行情况的变化而变化，对交流电源的阻抗和频率的变换极其敏感，在此情况下难以保证补偿效果。特别是在一个复杂的电力系统中，这两个参数的变化规律很难精确预知，因此一个实际的滤波器要满足要求的谐波衰减是很困难的。 (4) 当系统阻抗参数和频率变化时，滤波器可能与系统发生并联谐振(从负载侧看)或串联谐振(从源侧看)，使系统无法正常工作，严重时将导致局部电网的崩溃。图1.1 无源电力滤波器原理图1.2.2有源电力滤波器
17、与无源滤波器相比，有源电力滤波器(APF)具高度的可控性和快速的响应性，其主要优点如下： (1)实现了动态补偿，可对频率和幅值都变化的谐波以及变化的无功功率进行实时补偿，对补偿对象的变化有极快的响应。 (2)可同时补偿谐波与无功，也可单独补偿谐波。 (3)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也不大。 (4)正常情况下，即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器装置也不会发生过载。 (5)谐波补偿特性不受系统阻抗的影响，可避免与被补偿系统发生谐振。 (6)既可以对单个谐波和无功源进行补偿，也可以对多个谐波和无功源集中补偿。 根据APF与被补偿系统的连接方式不同，APF可分为：串联
18、型有源电力滤波器(Series APF如图1-2 a)，并联型有源电力滤波器(Shunt APF如图1-2 b)和串并联型(又称为统一电能质量调节器UPQC如图1-2 c)。a 串联型有源电力滤波器b 并联型有源电力滤波器（c）混合型有源电力滤波器图 1-2 有源电力滤波器与负载之间的连接原理图1.2.3 混合型有源电力滤波器 混合型有源电力滤波器的系统拓扑结构有以下两种：（a） 串联型APF与LC PF组成的APF（b） 并联型APF与LC PF组成的APF图1.3 两种混合型有源电力滤波器1.3 有源电力滤波器的发展和应用1.3.1 有源电力滤波器的发展 早在1969年，BMBird在他的
19、论文1中描述了通过向交流电网注入三次谐波电流以减少电源电流中的谐波，改善电源电流的波形。该方法便是有源电力滤波思想的雏型。 1976年美国西屋电器公司的LGyugyi和ECStrycula在文2中提出了应用PWM逆变器构成有源电力滤波器。此文讨论了有源电力滤波器的实现方法和控制原理，并建立了有源电力滤波器的基本拓扑结构。但受当时半导体器件发展水平的影响，它只处于实验室阶段。 有源电力滤波器的真正发展是从80年代开始的。随着新型半导体器件的出现、PWM变流技术的发展以及HAkagi瞬时无功理论的提出，有源电力滤波器得到了极大的发展。80年代后期，许多有源电力滤波器的商业发展计划完成并投入了实践。
20、随着各种大功率开关器件的出现和PWM变流技术的成熟，有源电力滤波器已达到实用化阶段。 到目前为止，多数有源电力滤波器的研究工作是在三相三线制系统中进行的。而三相四线制系统在工业、办公及民用住宅、城市供电、工厂供电等电力输配电系统中广为应用。现在三相四线系统中的谐波和三相不平衡所产生的问题日趋严重，引起了人们的极大重视。由于零序电流的存在，谐波与无功补偿要比在三相三线系统中复杂的多所以关于三相四线系统有源电力滤波器的研究仍在继续。国外已有三相四线有源电力滤波器的样机出现19I，但仍处于试验阶段，未能广泛应用。随着有源滤波技术的成熟和有源电力滤波器容量的提高，其应用范围也必将从补偿用户自身的谐波问
21、题向改善整个电力系统供电质量的方向发展。1.3.2 有源电力滤波器的应用1.3.2.1有源电力滤波器在国外的应用情况 有源电力滤波技术在日本、美国、德国等工业发达国家的发展和应用较为成熟。1997年日本电气委员会发表了一项有关谐波危害的调查报告，该报告反映了有源电力滤波器在日本的应用情况。基本情况如下： 1)使用的类型 从实际投入的设备来看，在355台设备中仅有4台设备与负载连接为串联型或串联混台型。大多是并联型有源电力滤波器。其主电路为电压型逆变器(VSI)结构。 2)谐波检测的方法谐波的检测方法有负载电流检测法、电源电流检测法和电源电压检测法。在这些方法中，用负载电流检测法与用电源电流检测
22、法的比率为10：1。可见实际应用中，负载电流检测法应用最为广泛。同时，应用电源电压检测的比率也在增加，检测电压的目的是在于补偿电网电压闪变。 3)功能 有源电力滤波器除了补偿负载电流谐波，还可补偿基波无功、校正三相不平衡、抑制电网电压闪变等功能。在这355台设备中有76台附有补偿基波无功的功能。1.3.2.2有源电力滤波器在国内的应用情况 我国在电力有源滤波器方面的研究起步较晚。直到1989年才见到这方面的研究的文章。1993年才见到试验性的工业应用试验。近些年进行这方面研究的单位在逐渐增加，主要集中在一些高等院校和少数研究机构。从发表的文章看，这些理论研究和实验为主，这些研究有的已经达到或接
23、近国际先进水平。尤其最近几年，将智能控制、最优控制理论应用于有源滤波器的各个环节的事例都取得了不错的效果。1.4 本文的研究的意义和内容设置及主要任务 本文就瞬时无功理论在三相四线制系统中的适用性进行了深入研究，对三相四线制有源电力滤波器所补偿的功率成份进行了详细分析。为解决电网电压不平衡对p-q算法的影响。本文推导出了正交坐标系中求取电网电压正、负序分量的变换矩阵，用了算法。最后对三相四线并联型有源电力滤波器进行设计。本文一切为了应用，因此在理论分析时注重与实际的结合：在系统实现时，尽量使用现有的成熟技术和模块。做到重点突出，不泛泛而谈。通过本文的研究和分析，希望为将来的实际应用做出有益指导
24、。工作的主要任务：（1）理解瞬时无功功率理论的主要内容，并确立在此基础上的检测谐波的方法。（2）有源电力滤波器各部分结构方式的比较及选择。（3）有源电力滤波器的各部分结构的设计。 （4）在MATLAB/Simulink条件下进行系统仿真。第二章 三相电路谐波及无功电流的检测 在有源电力滤波器等无功谐波电流动态补偿装置中，对无功及谐波电流的实时检测中提出了很高的要求，如何准确、实时地检测出电网中瞬态变化的电压电流信号是APF 等动态补偿装置进行精确补偿的关键。因此，研究无功及谐波电流的实时检测及控制方法具有非常重要的意义。2.1 基于瞬时无功功率理论的电流检测方法2.1.1 瞬时无功理论原始定义
25、及发展 1983年HAkagi等提出瞬时无功的概念，它是咀瞬时有功功率P和瞬时无功功率q的定义为基础的，所以该理论亦称p-q理论。随后又发展了以瞬时有功电流和瞬时无功电流定义为基础的法：将三相电流转换到与电网电压同步旋转的同步坐标系中的法。需要说明的是，以上各种方法都是在三相三线制系统中建立的。2. 1. 2 瞬时无功功率理论 变换原理：若在空间上相位差为120的同步电机定子三相绕组中通过时间上相差120的三相正弦交流电，那么在空间上会建立旋转磁场，且此旋转磁场的角速度为；若将时间上相差90的两相平衡交流电通过定子空间上相差90的两相绕组，此时若建立的旋转磁场与三相绕组是等效的，则可用两相绕组
26、代替三相绕组。 图2.1 等值绕组相对位置 如上图所示，旋转磁场的角速度为，图中使a相轴线与相轴线重合，相绕组轴线超前相轴线90，这样就可以达到简化三相两相变换关系的目的。记、为三相电压，为三相电流。将三相电压、电流分别通过-变换到坐标系下，得到坐标系下的两相瞬时电压、和瞬时电流。 （2-1） （2-2） 式中，图2.2 坐标系中的电压、电流矢量如上图中坐标系下的电压、电流矢量关系所示，电压、电流矢量、可分别分解为坐标轴上的、和、，即可用以下两个式子表示： （2-3）根据三相瞬时无功功率理论，对图中的电压、电流矢量关系进行分析，就可以得到瞬时无功功率理论对有功电流、无功电流以及有功功率、无功功
27、率的定义。1）、在坐标系中，电流矢量在电压矢量上的投影为三相电路瞬时有功电流，电流矢量在电压矢量法线上的投影为三相瞬时无功电流。即： （2-4）式中，2）、电压矢量的模|和三相电路瞬时无功电流的乘积为三相电路瞬时无功功率q，|和三相电路瞬时有功电流的乘积为三相电路瞬时有功功率p。即： （2-5）联立以上几式，并用矩阵表示三相瞬时有功功率p和瞬时无功功率q： （2-6）其中， 。 从而可以得出三相瞬时有功功率p和三相瞬时无功功率q： （2-7） （2-8）3)、三相电路瞬时无功电流投影到轴上为相的瞬时无功电流，三相瞬时有功电流投影到轴上为相的瞬时有功电流： （2-9）4)、相的瞬时电压和瞬时无功
28、电流的乘积为、坐标系下的瞬时无功功率，瞬时电压和瞬时有功电流的乘积为坐标系下的瞬时有功功率。 （2-10）5）、坐标系下的瞬时无功电流通过变换得到三相的瞬时无功电流，坐标系下的瞬时有功电流通过变换得到三相的瞬时有功电流。 （2-11） （2-12）式中，由上可以推得：a相瞬时无功电流 （2-13）b相瞬时无功电流 （2-14）c相瞬时无功电流 （2-15）a相瞬时有功电流 （2-16）b相瞬时有功电流 （2-17）c相瞬时有功电流 （2-18）式中： （2-19）6）、各相的瞬时电压和和瞬时无功电流的乘积为该相的瞬时无功功率，瞬时电压和瞬时有功电流的乘积作为该相的瞬时有功功率：a相瞬时无功功率
29、 （2-20）b相瞬时无功功率 （2-21）c相瞬时无功功率 （2-22）a相瞬时有功功率 （2-23）b相瞬时有功功率 （2-24）c相瞬时有功功率 （2-25）2. 1. 3 坐标变换在各种无功电流检测法中，基于瞬时无功功率理论和变换的无功电流检测方法因其具有良好的检测精度和响应速度且能够同时检测谐波电流和无功电流，从而得到广泛的应用。正向变换依据2.1将三相电流通过变换为坐标系下的两相电流，再由通过变换为有功电流和无功电流。 （2-26）其中 .反向变换先将有功电流和无功电流通过变换为坐标系下的电流，再通过变换为对应的三相电流。 （2-27） 式中 （2-28）2.2 三相四线制系统中基
30、于瞬时无功功率理论的检测方法2.2.1 法检测电流 经低通滤波器（LPF）得 p 、q的直流分量。电网电压波形无畸变时， 为基波有功电流与电压作用所产生，为基波无功电流与电压作用所产生。于是，由 、即可计算出被检测电流、的基波分量、。将、与、相减，即可得、出的谐波分量、。指令运算方法的原理如图22所示。图2.2 指令运算法原理图 （2-29）当 APF 同时用于补偿谐波和无功时，就需要同时检测出补偿对象中的谐波和无功电流。在这种情况下，只需要断开图 2.2 中计算q的通道即可。这时，由 即可计算出被检测电流、的基波有功分量、为： （2-30）将、与、相减，即可得出、的谐波分量和基波无功分量之和
31、、。下标中的d表示由检测电路得出的检测结果。由于采用了低通滤波器(LPF)求取、故当被检测电流发生变化时，需经一定延迟时间才能得到准确的、，从而使检测结果有定延时。但当只检测无功电流时，则不需低通滤波器。而只需直接将q反变换即可得出无功电流，这样就不存在延时了，得到的无功电流如下式所示： （2-31）222 指令运算方法指令运算方法的原理如图2-2所示。图2.3 算法原理基于无功电流实时检测的具体步骤如下： （1）基于瞬时无功功率理论的电流检测方法是将相电压经过一个锁相环（Phase Locked Loop 简称 PLL）和一个正、余弦发生器得到与电网电压同相位的正弦信号和余弦信号。（2）将负
32、载侧的三相电流进行CLARK坐标变换转变为坐标下的两相坐标，求出静止两相坐标系对应有功电流分量与无功电流分量。（3）使电流的无功分量经过低通滤波器得到电流的基波无功分，然后将经过 PARK 逆变换得到坐标下的基波无功分量电流。（4）最后将无功分量电流经过 CLARK 逆变换得到相应的三相坐标的基波无功电流。（5）对于三相四线制和单相电路中的无功电流检测，都可以先转换为三相三线，然后重复上述步骤完成无功电流的检测。 （2-32） 式中， 。、经过低通滤波器(LPF)滤波后得到直流分量、，由、经反变换便可求出负载电流的基波分量、。 （2-33）将、与、相减，便可求得、的谐波分量、。2.3 谐波分量
33、的处理 根据对称分量法，三相四线不平衡系统的负载电流除了含有基波正序分置外，还含有基波零序，基波负序和高次谐波分量。根据补偿目标，负载电流的,和，都要补偿掉。2.3.1 对基波零序分量的处理 系统首先经坐标变换由坐标系转化到正交坐标系中，此变换是可逆的。 （2-34） （2-35） 在正交坐标系中，根据式(23)，0轴对应于系统的零序分量(包含基波零序分量)，而，映射到声坐标平面内。由于在补偿之列，在正交坐标系中可以把，去掉，而不影响算法的正确性。经过后面的减法，还会在指令电流中出现，式如下。 2.3.2 对基波负序分量和高次谐波分量的处理 和同在卢正交坐标系中，根据补偿目标，和也要被补偿掉。
34、由于在CLARKE变换中，系统被处理掉，这里只有谐波正序和谐波负序分量。同三相三线系统一样，经过PARK变换后，只有变为直流。通过选择LPF合适的截止频率，便可以滤掉。经过PARK反变换和CLARKE反变换可以得到目标电流。当补偿目标为时，以上分析从理论上说明了在三相三线系统中广为应用的瞬时无功理论在三相四线系统中完全适用。法、法和d-q法都可推广到三相四线系统。2.4 运算方式和运算方式的优缺点 运算方式和 运算方式的优缺点如下： 当电源电压无畸变或畸变可以忽略的情况下，运算方式和运算方式均能够准确地检测出谐波电流。运算方式需把三相电压变换至坐标下，计算量稍大一些；、运算方式则只需用一个锁相
35、环来产生正余弦信号。 在电源电压畸变的情况下，运算方式中,、 不仅有基波电压电流相作用的成分，而且还含有高次电压和电流相作用的成分,因此将、反变换后得到的电流不仅包含基波电流，还包含谐波电流，故运算方式不能准确检测出谐波的大小。运算方式用锁相环产生正弦信号，与电压无关，因此运算方式在电压发生畸变时仍能准确地检测出系统的谐波电流。第三章 并联型三相四线制补偿电流发生电路方案选择 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。在这三部分中首先需要对主电路进行设计。在设计主电路时，首先需确定主电路的形式，之后确定选择什么样的主电路，电流跟踪方式；再按所选的器件和电流跟踪方式设计驱
36、动电路，并设计整个装置的各种保护电路。3.1 三相四线制系统APF主电路形式和结构选择设计 三相四线制系统中由于零线的存在，使系统中 APF 主电路及控制电路的构成与三相三线制系统有所不同。常用的 APF 主电路形式可分为四相变流器和三相变流器两种形式 。 目前，三相三线制 APF 己经成功地在一些工业中得到应用。三相四线制 APF的拓扑虽然早在 80 年代就有了介绍，但在实际系统中的应用仍然处于研究阶段，还有许多问题需要研究和解决。随着三线四线制系统在整个电网中产生谐波的比重越来越大，研究如何用 APF 对三相四线制系统谐波和无功进行补偿有重要意义。3.1.1 四相变流器结构形式 在三相四线
37、制系统中，APF 除了要对三相电源电流谐波进行补偿外，还要对零线电流进行抑制，使三相电源电流对称，消除零线电流。具体来说，就是要使指令电流运算电路快速准确检测出负载侧电流中的谐波、基波负序等电流分量；而主电路也要能精确地按照指令电流信号产生对应的补偿电流。指令信号 由前面所述检测法检测出的系统零线电流反极性得到。产生的零线补偿电流 与负载零线电流相抵消，使得电源侧零线电流为零。采用四相变流器 APF 主电路与负载之间的连线如图3.1 所示，从以上分析和文献的介绍可知，采用四相变流器时的主电路分工明确，各相补偿电流的产生和零线电流的补偿可以看作是由各对桥臂独立完成的，由于采用了一对开关管直接控制
38、零线电流的补偿，因此零线的补偿效果较好。整个系统可看作是一个四相电流跟踪控制系统。主电路直流侧电容上的电压控制也可仿照三相三线制系统直流侧电压控制的方法进行。图3.1 三相四桥APF主电路3.1.2 三相变流器结构 图 3.2 为采用三相变流器 APF 主电路与负载之间的连线图。图中，三相电源的零线与直流侧两个相同电容器中点相连，给零线电流提供通道。三相变流器结构形式的三相四线制 APF 对零序电流的控制是一种间接方式。从结构上看，三相变流器比四相变流器采用的开关管数目少。但从控制的角度来说，由于零线电流在两个电容上可能引起电压不平衡的情况，所以控制电路要比四相变流器的控制电路复杂一些。采用三
39、相变流器由于所用器件少，因而更经济一些，所以本设计采用后一种方式，文中的设计和仿真分析均是针对三相变流器 APF 进行的。图3.2 电容中点型APF主电路模型3. 2 三相四线并联型有源电力滤波器主电路的参数选择 三相四线制并联型有源电力滤波器的主电路拓扑结构确定后,另一项重要的工作就是主电路参数的选择。系统的一些参数的选择及设计是相互联系、相互制约的,不能由一个简单的目标函数直接求得,要重点考虑主要参数的极限值,结合约束条件进行合理选择。3. 2. 1主电路容量的确定 有源电力滤波器的容量由下式计算 （3-1）式中：U为电网相电压的有效值，为补偿电流的有效值。 由电网电压有效值，和补偿电流有
40、效值决定。而电网电压有效值一般是不变的，因此只与补偿电流的有效值有关。而的大小与补偿的要求以及负载的容量大小均有关系。当有源电力滤波器只补偿负载电流中谐波成分时，则有，此时，装置容量取决于负载电流中谐波电流所占的比例。假如补偿装置所接负载的容量为100kVA，以三相整流电路为例，其交流侧负载电流中的谐波分量有效值约所占总有效值的比例为25%，因此有源电力滤波器的容量至少要为负载容量的25%，即25kVA。若有源电力滤波器在补偿谐波的同时还补偿无功电流，则满足要求的容量还需更大。综合考虑上述因素，本课题样机确定容量为。3. 2. 2 系统开关频率 为了能够更好地补偿谐波电流，开关管的开关频率越高
41、越好(理论上要大于两倍的谐波最高频率)，但开关管的频率过高又会带来其他方面的负面影响。例如，开关损耗过大。所以脉宽调制选择了电流滞环控制技术，该技术的特点是:开关频率是变化的。通过参考文献，调制频率与环宽的关系如下: （3-1） （3-2）上式中:HB为滞环宽度，为电容总电压，L为交流进线电感。 （3-3）式中:为A相指令电流信号 由（3-2）可知，当滞环宽度HB固定时，调制频率的取值范围由电容电压和指令电流斜率m的变化来确定。由（3-3）式可以估算出系统调制频率最高可达20KHZ。3. 2. 3电容总电压的选择电容电压不能选的过低，过低会严重影响补偿的效果;电容电压也不宜选的过高，过高的电容电压虽然能够产生较高的，虽然能改善补偿效果，但它也能使有源滤波器产生的纹波增大。若忽略开关损耗，和交流进线电感的阻抗，且假定。再结合以下关系综合考虑 则 n=1 时： （3-4） n=2 时： （3-5）式中: n为谐波次数，为基波角频率，为交流进线
