并联三相三线制有源电力滤波器的仿真与设计

1、大连理工大学硕士学位论文并联三相三线制有源电力滤波器的仿真与设计姓名：潘凯申请学位级别：硕士专业：电机与电器指导教师：廖敏夫20090601大连理工大学硕士学位论文摘要随着电力电子技术的飞速发展，越来越多的电力电子装置被应用到各个领域，给电网注入了不可忽视的无功以及谐波电流。本文首先介绍了谐波的概念和谐波的危害，阐述了谐波问题研究的必要性和紧迫性，并对谐波抑制的方法作了简单的介绍。并在此基础上，通过对有源滤波器和无源滤波器各自的优缺点以及有源滤波器装置的结构、原理的分析，提出了基于控制器的三相三线制并联型有源电力滤波器装置的设计方案。并联有源电力滤波器主电路设计是核心环节之一。本文在三相三线并

2、联型有源电力滤波器数学模型的基础上，通过对采用空间矢量调制的有源电力滤波器的工作过程的研究和分析，揭示了主电路各参数之间的相互关系。根据瞬态电流跟踪指标的要求推导出并联输出电感的估算公式。基于对电流跟踪误差矢量的度量，推导出直流侧电容电压临界值表达式。详细介绍了输出滤波器参数的设计方法。实时、高精度的谐波检测是有源电力滤波器的重要部分。本文详细地介绍了瞬时无功功率理论，选择检测负载电流的方式以提取谐波。提出了用滑窗迭代作为低通滤波的数字算法，以快速分离负载电流中的基波分量得到谐波指令。以全数字控制为重点，对电流环的数字控制方式，包括数字调节器的设计做出了比较详细的分析。本文用中的电力系统模块对

3、有源电力滤波器进行了动态仿真研究。仿真结果表明这种拓扑结构的有源电力滤波器对电力系统中的谐波抑制具有较好的效果。在理论分析和仿真研究的基础上，设计了基于控制的并联型电力有源滤波器，对其控制系统硬件构成进行了详细的介绍。研制了实验样机，对并联型电力有源滤波器进行了初步的实验研究。关键词：电力电子；谐波；有源电力滤波器；瞬时无功并联三相三线制有源电力滤波器的仿真与设计，砀，心，伽，江压，：；大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含

4、其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目：葺鞋幽兰逸婚啦麟邀墨遂茸作者签名：盎勃吐日期：啤年月婆日大连理工大学硕士学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文题目：作者签名

5、：导师签名：大连理工大学硕士学位论文绪论本章对与论文工作相关的背景知识进行了介绍，包括电力系统中的谐波基本概念及其危害【、各种谐波抑制方法【和有源电力滤波器的发展，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。谐波的基本概念及其危害谐波基本概念在电力系统中，理想的交流电压和交流电流的波形应该是标准的正弦波，正弦电压波形可以表示为：扰），（秒）式中，一正弦波电压“（）的有效值；缈一甜（，）的角频率；秒一“）的初始相位角。（）当式（）表示的正弦波电压加到无源线性元件电阻、电感和电容上时，所产生的电流与电压的关系分别为比例、积分和微分关系，但其波形仍然是与电压同频率的正弦波。若正弦波电压加到非

6、线性负载上时，由此产生的电流为非正弦波。对于周期为的非正弦波电流砸），可分解为如下形式的傅里叶级数：、口，。心，一口玎聆缈聆缈矿、厶式中去和）（）去肌）帅）吃去默）翻（硼如果取厶驴。（并联三相三线制有源电力滤波器的仿真与设计则踊纯（争）酮口疗（呼。疗）（）此时，。式（）可以写成：式（）中，频率为厂（）的分量成为基波，频率为（刀为大于的整数）的分量称为谐波，称为谐波次数。通常，用谐波的含有率来表示谐波分量的比重。第次谐波电流的含有率定义为：。枷。其中，厶一第次谐波电流的有效值；正一基波电流的有效值。波的总畸变率定义为：，此外，还可以用谐波电流总畸变率来表示谐波电流分量对电流波形的影响。电流谐唧等

7、×上式中如称为谐波电流含有量，定义为：（）（）谐波的危害近几十年来，各种电力电子装置的迅速普及使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的事故也不断发生，谐波危害的严重性引起人们高度关注。谐波造成的危害可以具体归纳为以下几个方面：（）谐波电流和谐波电压使电网供电质量恶化，降低了发电、输配电和用电设备的效率，甚至使用电设备不能正常运行。大连理工大学硕士学位论文（）在三相四线制的电路中，大量的零序谐波电流，尤其是三次谐波电流流过中线，会引起中线过热，有引发火灾的危险。异常的、过大的中线电流，会导致电网中线对地线的电压突增，将危及数据处理系统的安全。（）在旋转电动机中，谐波除了增加损耗和引

8、起发热以外，还会产生机械振动、噪声和谐波过电压，这会大大减少电动机的使用寿命。（）谐波电流流入变压器，会增加变压器损耗，引起变压器发热，使变压器的噪声增大。（）谐波电流流经电力电缆，电缆会发生过热，容易导致电缆的绝缘老化，甚至产生漏电和短路等危险情况。（）为了补偿无功功率和滤除谐波，常常需要并联电容器，或者设置无源滤波器。由于谐波频率高于工频频率，会使系统的感抗增加而容抗减小，有可能产生谐振。谐振放大了谐波电流，使电容器或电感器有被烧毁的危险。（）电力系统中的谐波将会使某些继电器盒漏电开关产生误动作。谐波对电压表、电流表和功率表以及各种与收费有关的计量仪器的测量结果带来直接影响，给人民生活带来

9、干扰。（）电力系统中的不平衡音频谐波分量，耦合到通信线路上，可能在通信系统中产生很大的噪声，将降低通话的清晰度，甚至引起信号的丢失。谐波的抑制方法及发展现状在电力系统中对谐波的抑制就是减少或消除注入系统的谐波电流，以便把谐波电压控制在限制值以内。传统谐波抑制方法传统的谐波抑制方法有两大类，一类是对产生谐波的谐波源装置本身进行改造的方法，另一类是设置谐波滤波装置的方法。对于第一类方法，目前主要有：增加整流相数；改进拓扑结构；采用各种先进智能控制技术等；限制变流装置的容量；加入滤波装置等。尽管这些措施可以有效地减少谐波，但由于一些电力电子装置的工作机理的非线性所决定，必然要另外产生一定量的谐波。对

10、于第二类方法，目前大量使用的是由交流电抗器、电容器和电阻器适当组合而成的所谓“无源电力滤波器（）。这种滤波器和谐波源并联或者串联，除了起滤波的作用，同时还起到了无功补偿的作用。由于“无源滤波器结构简单、技术成熟、维护方便，在价格成本上也有优势，得到了广泛的应用。并联三相三线制有源电力滤波器的仿真与设计传统无源滤波方法的不足在实际应用中，无源滤波器既存在很多的优势，也存在下面几个问题：（）只能抑制按设计要求规定的谐波成分，在大容量的情况下无源滤波装置的体积较为庞大，损耗多。（）谐波电流过大时可能造成无源滤波器自身的过载，损坏设备。（）无源滤波器对电网阻抗和频率的变化十分敏感，难以保证滤波效果。（

11、）在特定的情况下，有可能与电源阻抗发生并联谐振而产生“谐波电流放大”现象，从而使无源滤波装置无法正常工作，严重时会损害无源滤波器。（）可能与电力系统发生串联谐振，造成电压波形畸变而产生附加的谐波电流流进无源滤波器，影响滤波效果。有源电力滤波技术及其优点由于近些年来电力电子技术的飞速发展，国内外谐波抑制和无功补偿问题的研究有了很大的进展。为弥补无源滤波方法的不足，人们将研究方向逐步转向有源滤波方法。有源电力滤波器（）其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，注入其中与谐波电流抵消，从而使电网电流只含基波成分。是一种动态抑制谐波和补偿无功的新型

12、电力电子装置，它能对频率和幅值都变化的谐波和无功进行补偿，可以弥补无源滤波器的不足，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的谐波补偿装置。与传统的无源电力滤波器相比，有源电力滤波器具有以下优点：（）实现了动态补偿，有源电力滤波器可对频率和幅值都变化的谐波进行补偿，对补偿对象有极快的响应。（）可同时对谐波、无功和负序电流进行补偿，也可单独补偿谐波、无功或负序电流，补偿无功的程度可连续调节。（）在实际应用中，有源电力滤波器的贮能元件容量很小。（）即使需要补偿的电流超过其额定值，也不会发生过载情况，并能在其额定容量内继续正常工作。（）受电网阻抗的影响较小，不易与电网阻抗发生谐振。（）能跟踪谐波频

13、率的变化，补偿性能不受谐波频率的影响。大连理工大学硕士学位论文有源电力滤波器的起源、发展及现状有源电力滤波器的起源和发展有源电力滤波器的基本思想形成于二十世纪六十年代末，日本学者（赤本泰文等人首先完整地提出了具有功率处理能力的有源电力滤波器的概念【】，这是此后各种有源电力滤波器的原始雏形。年，等人提出了用大功率晶体管逆变器结构的有源滤波方案【，当时受到器件性能和控制技术的限制，一直处在实验室研究阶段，未能在工业中得到应用。二十世纪八十年代以来，由于大、中功率全控型半导体器件的发展日趋成熟，脉冲宽度调制（）控制以及各种智能控制技术的进步，使有源电力滤波器得以迅速发展。年，等人又提出了“瞬时无功功

14、率理论，【，解决了谐波和无功功率的瞬时检测问题，对谐波抑制和无功补偿装置的研究和开发起到了很大的推动作用，使得七十年代提出的有源电力滤波器走出了实验室，进入了实际应用阶段。此后该理论不断地被完善，也使有源电力滤波器的研究和应用取得了很大的进展。年，提出了用并联型有源电力滤波器消除谐波【】。有源电力滤波器在这种装置中相当于一个谐波电流发生器，它的主电路与负载并联接入电网，跟踪负载电流中的谐波分量，产生与之相反的谐波电流，从而抵消线路中的谐波电流，使电源电流成为正弦波。由于谐波电流一般由非线性负载所注入，这种有源电力滤波器主要装设在负载端。并联有源电力滤波器由于具有功能多样，连接方便等优点，所以它

15、已经成为应用最多的有源电力滤波器，在日本等国家得到了广泛应用。与并联型有源电力滤波器对应的是串联型有源电力滤波器。它通过补偿变压器被串联在电源和负载之间，以消除谐波电压、平衡负载端电压。它也可以用来消除负序电压和调整三相系统电压。而且它主要用于补偿可以看作电压源的谐波源。针对电压源谐波源，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。年，等人提出了串联有源电力滤波器加并联无源滤波器的结构【，在这种方案中，有源电力滤波器对谐波呈现高阻抗，而对基波电流呈现低阻抗。因此有源电力滤波器相当于一个电源和负载之间的谐波隔离装置，电网的谐波电压不会加在负载和无源滤波

16、器上，而负载的谐波电流也不会流入电网。年，日本的等人提出了将有源电力滤波器与无源滤波器相串联的混合有源滤波方案【】，其中有源电力滤波器为电流控制电压源，产生与电源电流中谐波分量并联三相三线制有源电力滤波器的仿真与设计成比例的电压，实际上该方案可以等效为的方案。由于注入变压器联结在型联接的无源滤波器的中性点，保护和隔离方便，因此更适合于高压系统应用。有源电力滤波器的发展现状近些年来，有源电力滤波技术成为研究热点，大容量、运行可靠的有源电力滤波器已经在日、美等国家投入工业应用。有源电力滤波技术在抑制谐波、补偿无功功率方面已经比较成熟。在结构组成、控制策略和硬件装置等各个方面都有了很大的发展。在结构

17、组成方面，针对单相，三相三线，三相四线系统以及电压补偿和电流补偿的需要，并联、串联或者与无源滤波器混合的有源电力滤波器都有了较大的发展。并联型有源电力滤波器对于谐波抑制、无功功率补偿和中性线电流补偿都具有很好的效果。在硬件装置方面，随着快速自换向器件的出现和发展，推动着有源电力滤波技术很快的进步。在使用的开关管方面，起初是晶闸管，大功率双极型晶体管（）和功率场效应晶体管，随后是静电感应晶体管（）和可关断晶闸管（）。随着绝缘栅双极晶体管（）的成熟，有源电力滤波技术得到了极大的推广。如今，在小容量有源电力滤波器方面，元器件的理想选择是绝缘栅双极晶体管（），大容量则选择可关断晶闸管（）。同时，传感器

18、的发展也为有源电力滤波技术发展做出了很大贡献，低价位、大容量、高精度的霍尔传感器大大改进了有源电力滤波器的性能。另外，微处理器、微控制器以及数字信号处理器（）的使用，使有源电力滤波器能够在线实现大量、复杂的算法，保证了有源电力滤波器的快速、实时的补偿性能以及良好的稳态特性。检测、控制电路是有源电力滤波器的关键部分，它完成对电网负载中的谐波电压和电流进行实时检测，得到相应的补偿控制指令，以控制逆变器产生相应的补偿电压或电流。因此，如何快速、准确地把供电系统中谐波电压、谐波电流及无功成分检测出来，进行实时的动态补偿将是实现有源电力滤波器的关键问题。产生补偿指令的控制算法可分为频域法和时域法两种，在

19、频域法中主要是傅里叶分析法，其缺点是要求电力有源电力滤波器开关频率为所补偿谐波最高频率的两倍以上，而且计算复杂，响应慢，实时性不好。时域法中有很多种方法，典型且实用的是瞬时无功功率理论方法。除了以上方法外，近年来，也出现了很多智能实时检测谐波和无功电流的方法，但从文献资料和实际应用看，基于瞬时无功功率理论的检测方法是占主流地位、应用广泛的检测方法。本课题也是采用基于这一理论的检测方法。大连理工大学硕士学位论文国内在有源电力滤波器方面的研究起步较晚，直到九十年代初期才见到这方面的文献和试验性的工业应用实验。进入二十一世纪以来，研究有源电力滤波器的国内学者和科研单位逐渐增多，在结构组成、检测方法和

20、控制方式等方面都有了较大的进步。但国内的相关研究多以理论研究和实验为主，工业应用较少，与国外相比仍有较大差距。本文的研究内容本文主要针对三相电网的谐波补偿，采用了并联型有源电力滤波器的补偿方案，重点研究了三相三线制并联型有源电力滤波器装置的主电路和控制电路。基于谐波补偿实时性和准确性的要求，对主电路参数如容量、直流侧电容值、电压值、交流侧电抗值等的设计进行了分析和设计；简单介绍了瞬时无功理论的概念，在三相三线制并联有源电力滤波器数学模型的基础上，对系统的电流环和电压环进行了稳态分析。并用上叙设计参数对主电路进行在中的仿真验证，证明了方案的可行性，最后搭建了主电路的实验平台。，并联三相三线制有源

21、电力滤波器的仿真与设计三相三线制并联型有源电力滤波器有源电力滤波器发展至今，为适应用户对补偿性能的要求以及不断出现的应用场合，其结构形式不断地得到改进。有源电力滤波器的分类根据电源性质分类按电源性质可分为交流有源电力滤波器、直流有源电力滤波器。交流用有源电力滤波器应用较广泛，已应用于不同频率、不同相数、不同线制的交流输电及用电系统中。相比而言，直流用有源电力滤波器的应用则较少，其研究及应用正在不断开展中。直流用有源电力滤波器的典型应用是在直流输电系统中滤除直流输出谐波和高精度输出直流电源。根据直流侧储能元件的分类有源电力滤波器工作时为了与交流侧交换能量达到补偿谐波的效果，其直流侧必须有储能元件

22、。直流侧储能元件一般为电感或者电容。电感储能型有源电力滤波器也被称为电流源型有源电力滤波器（），电容储能型有源电力滤波器也被称为电压源型有源电力滤波器（）。电流源型有源电力滤波器其结构简单、性能稳定，但损耗较大不适用于大功率场合而且无法级联且单台的容量不大，所以应用较少。电压源型有源电力滤波器，直流侧并联电容逆变桥损耗较小，由于是电压源的形式，所以容易实现并联从而可降低单台的容量。电压源形式的技术较成熟，目前使用较多。根据接入电网的方式不同分类。有源电力滤波器按其接入电网的方式不同，大致可分为并联型（）、串联型（）两大类及统一电能质量调节器三类。有源电力滤波器总的分类如图所示。大连理工大学硕士

23、学位论文有源电力滤波器并联型串联型掣甲蚓圈匿图引圈圈一三相三线制并联型有源电力滤波器并联型有源电力滤波器（）是最基本，也是目前应用最广泛的一种。三相三线制并联型有源电力滤波器的系统构成图所示为三相三线并联型系统模型。并联型通过产生与负载电流中的谐波和无功分量大小相等相位相反的补偿电流注入电网，使网侧电流成为标准正弦波，从而达到净化电网的目的。因此，并联型实质为一个由逆变器构成的谐波电流源（包括基波无功），不仅能提供负载所需的谐波电流，而且能提供负载所需的无功电流。这种类型的主要用于补偿可看作电流源的谐波源，如直流侧为感性负载的整流电路。图三相三线制并联型有源电力滤波器系统模型并联三相三线制有源

24、电力滤波器的仿真与设计三相三线制并联型有源电力滤波器的工作原理含有谐波的负载电流可以用傅立叶级数展开表示为：（）皿（岛）薹皿（皖）（）（）如（）式中，一负载电流瞬时值；厶一谐波电流瞬时值；一基波电流瞬时值。只进行谐波补偿时，通过电流采样元件得到的负载电流经过计算得到谐波电流，将其作为指令电流，通过控制电路控制逆变器向电网注入补偿电流且使得厶，便可以补偿负载的高次谐波电流使得电源电流正弦化，大大提高电源的功率因数。主电路参数的设计在有源电力滤波器的整个系统模型中，直流侧电压、直流侧电容、交流侧输出平波电抗器三以及输出滤波器的特性对滤波的效果有着很大的影响。主电路容量也是不可忽略的问题，它关系到有

25、源电力滤波器的制造价格，硬件等级等一系列问题。主电路的容量对并联型有源电力滤波器来说，主电路的容量为：“。屯（）式中，甜。一交流输入的相电压；一并联型有源电力滤波器提供的补偿电流。直流侧电压的计算有源电力滤波器正常工作时，输出的补偿电流在指令电流两侧呈锯齿波状跟随其变化。对相补偿电流分析，忽略线路电阻的作用，有：譬：导（一（珂）衍三、”、“（）式中，（，）一开关函数，取寺或者詈。）（大连理工大学硕士学位论文阜表示并联型有源电力滤波器输出补偿电流的变化率，它要大于或者等于负载电流的变化率，并联型有源电力滤波器输出补偿电流才能实时跟踪负载电流的变化，所以阜为衡量并联型有源电力滤波器性能的重要指标。

26、讲假定当乙乞（乞为相补偿电流的指令值），有源电力滤波器相桥臂的上开关器件应该关断，下开关器件应该导通。若取（）÷，则：冬：寻（一一出、”）要使实际补偿电流乙更好的跟踪乙，此时乙必须减小，即：盟（）班将式（）代入式（），可得：（）考虑到最严重的情况，即令：（）即主电路直流侧电压值应大于有源电力滤波器与供电系统连接点的相电压峰值的倍。在此基础上直流侧电压越大，补偿电流的跟随性能越好，但开关器件耐压要求也越高，因此要综合考虑。本文在三相供电系统下，结合开关元件的开关频率和控制策略，取。直流侧电容值的计算有源电力滤波器在实际运行时很难将主电路直流侧电压控制在某一恒定值。直流侧电压波动的根本原

27、因在于补偿电流在交流电源和有源电力滤波器之间的能量脉动。如果电容值选择得过小，主电路直流侧电压波动就会过大，影响有源电力滤波器的补偿效果；而如果电容值选择过大，则主电路直流侧电压动态响应变慢，电容体积和造价也会增加。考虑到有源电力滤波器在正常工作时直流侧电容始终工作在充放电的状态，设某一周期内，直流侧电容电压的最大允许偏离设定值为一，则有：一瓦么）式中，脉冲的频率；并联三相三线制有源电力滤波器的仿真与设计么一一流过电容的电流最大值。所以，可以算得直流侧电容值：瓦交流电抗器的选取如一。（本文构造的系统中，通过计算得出直流侧电容容量为有源电力滤波器的补偿特性主要取决于输出补偿电流对于补偿指令电流的

28、跟踪控制能力。因此主电路交流侧电抗器的取值应保证有源电力滤波器具有跟随指令电流最大变化率的能力。（）电抗器最大取值的计算若设相电源电压为：则由式（）可得：（）蚓曲鼍一知剐一所以，主电路电抗器的最大值为：汜（巩一昙）瞰（）上式中，对于不同的谐波源和不同的补偿要求补偿指令电流乙是不尽相同的，其中最大电流变化率譬一与补偿电流的具体形式密切相关。也可粗略的用以下经验公式计算。剖（眦）。一式中，为基波电流频率，且当补偿电流只补偿谐波时：（）一乞当补偿电流补偿谐波以及无功申流时：（）大连理工大学硕士学位论文一乞（）电抗器最小取值的计算（）如果电抗器取值过小，则会使补偿电流的纹波过大，从而影响有源电力滤波器

29、的补偿效果。因此电抗器的最小取值应主要由主电路开关器件所产生的纹波来决定，电抗器的作用是将其在补偿电流上产生的纹波限制在一定范围内。若有源电力滤波器的实际输出电流中偏离指令电流的最大允许值为之一则：盟：功一（）由式（）以及式（）可得：（）蚓一号那么。汜之一三÷电抗器的最小取值为：（）厶血嚣，詈在对有源电力滤波器的参数进行计算时，可根据式（）和（）并结合实际情况对交流侧电抗器的参数进行选取和调整。但是，从有源电力滤波器工作角度来讲，保证补偿电流跟随指令电流的变化与限制补偿电流纹波本身就是矛盾的。解决办法是以牺牲限制补偿电流中纹波电流为代价，而尽可能首先保证补偿电流跟踪指令电流的变化，如

30、果补偿电流中的纹波过大，可另加纹波滤波装置。本文构造的系统中，根据上述公式的计算以及实验的情况，取平波电抗器的值为。输出滤波器的设计主电路的电力半导体器件在通断过程中会在其工作频率附近产生一些次数高的谐波，为了防止谐波对电网造成新的污染，必须采用输出滤波器（），以滤除逆变器的开关分量。输出滤波器对逆变器输出的补偿谐波的幅值同样有着很大的影响。如果设计不当，一方面会使高频开关谐波注入公用电网和用户受电端，影响到控制、通讯设备以及精密仪器等的正常工作，另一方面可能会降低逆变器在补偿谐波频率段的工作效率，从而影响的补偿能力。并联三相三线制有源电力滤波器的仿真与设计本系统针对三相三线制并联型有源电力滤

31、波器工作中产生的开关频率附近的高次谐波，设计一种高通滤波器并联在系统的负载侧，将有源滤波和无源滤波结合起来，使得有源电力滤波器工作中产生的高次谐波电流大部分流入高通滤波器，从而达到消除系统中高次谐波的目的，提高系统电压质量。如图，高通滤波器主要分为四种结构：一阶减幅型滤波器、二阶高通滤波器、三阶高通滤波器和型阻尼滤波器，它们各有优缺点：一阶减幅型滤波器电容很大，基波损耗也很大，一般很少采用；二阶高通滤波器滤波性能最好，但基波损耗高于三阶高通滤波器；三阶高通滤波器与二阶高通滤波器相比，只多了一个电容，提高了基波阻抗，减小了基波功率损耗；型阻尼滤波器性能介于二阶高通滤波器和三阶高通滤波器之间，基波

32、损耗小，但是对基波频率的失谐和元件参数的漂移比较敏感。工工工，一阶减幅型二阶高通滤波器滤波器工工学三阶高通滤波器蛳型阻尼滤波器图高通滤波器原理图各种高通滤波器中，以二阶高通滤波器应用最为广泛，本文以二阶为例，设计一个输出高通滤波器，用来吸收有源电力滤波器工作中产生的开关频率附近的高次谐波。（）确定截止频率五本有源电力滤波器系统中，主要补偿的谐波分量为、等奇次谐波，设要补偿的最大次数的谐波分量的频率为，开关频率为，则截止频率选择的范围应为：五（）当截止频率远远高于电网基波频率时，黼，在厂的频率范围内，二阶高通滤波器可以等效为滤波器，截止频率为：瓦菘大连理工大学硕士学位论文（）滤波电容的选择为了减

33、小投资，应选取最小的电容量的电容器：嘉式中，劬一电网电压的基波角频率；一无畸变电网电压电压值；臻一高通滤波器滤除的电流的次数；（吩）一滤除高次谐波的无功电流。（）电阻的计算确定了截止频率和电容值之后，可根据式（）算得电阻值：（）：上万（）电感的计算电感可按下式计算：三（）（）式中，志称为滤波器调谐曲线的形状系数，它是一个与滤波器调谐锐度有关的参数。一般情况下，高通滤波器相应的值取之间。本系统中，取，此时品质因数最大，具有较好的滤波性能，截止频率取，考虑一定的裕度，取电容器，则可以算的，芦日。本章小结本章从接入电源性质、直流侧储能元件种类、接入电网方式等方面着手对有源电力滤波器进行了分类，简要分

34、析了各种有源电力滤波器的特点【，并阐述了目前使用较广泛的三相三线制并联型有源电力滤波器的系统构成、工作原理，最后，对三相三线制并联型有源电力滤波器的主电路参数，主要是容量、直流侧电容值、直流侧电压值、交流输出侧平波电抗器值以及输出滤波器的计算进行了分析。并联三相三线制有源电力滤波器的仿真与设计瞬时无功理论以及谐波检测方法谐波电流检测是有源电力滤波器的关键性技术之一，只有准确地检测出负载电流中的谐波分量才能较好地实施补偿，从而使得电源电流正弦化，提高功率因数。功率理论则是谐波和无功电流检测的基础。传统的功率理论对于电压、电流为正弦的电路。设电压、电流的瞬时值分别为：（口）（）式中，一正弦电压的有

35、效值；，一正弦电流的有效值。则瞬时功率为：（）（）（）有功功率为瞬时功率在一个周期内的平均值：一专叩。矽式中，伊一电流滞后电压的相角，伊。矽可以表示为：（）定义电源与电路元件的磁场（电场）周期性变换功率的最大值为无功功率，则（）通常规定感性无功功率为正，容性无功功率为负。视在功率及功率因数分别（）缈（）当电压、电流为非正弦波时，电路的有功功率等于瞬时功率的平均值，考虑到三角函数的正交性可得：尸专甜纯式中，纯一第，次谐波电流滞后第甩次谐波电压的相角。（）大连理工大学硕士学位论文因此，可以得知只有同频率的电压和电流才可能产生有功功率，频率不同的电压、电流之间不能产生有功功率，而总的有功功率等于基波

36、和各次谐波有功功率之和。同样，可以仿照有功功率的算式，定义无功功率为：以厶口（）由上述传统的功率理论可以看出，传统的无功功率理论的概念是建立在平均值的基础之上的，需要对电压和电流采样至少一个周期才能得出无功功率，所以采用传统的无功功率理论难以对无功功率和无功电流进行瞬时检测。三相瞬时无功理论及谐波检测断地得到发展。赤目泰文提出的三相瞬时无功功率理论也称作理论【。设三相三线制电路其各相电压、电流的瞬时值分别为乞、巳和、之。把三相电压及电流分别变换到两相正交的口一坐标系。融圈肛豳厅一一！。詈（）笪一笪三相电压乞、职三相电流、之变换至坐标系下后，及屯、在口平面上合成旋转电压矢量、如图所示。图中，将气

37、、以哆（）并联三相三线制有源电力滤波器的仿真与设计在口一坐标系下将旋转电流矢量分解为石、云分量，其中分量与旋转电压矢量；同方向而分量与旋转电压矢量；垂直且落后；的角度为。有功电流及无功电流分量的标量值分别为：缈毛式中，伊依一仍，为坐标变换后旋转矢量落后于旋转矢量的角度。（）（）图口一坐标系下电流电压矢量图仪一仿照在向量意义上的有功功率尸和无功功率的定义，分别定义瞬时有功功率和瞬时无功功率为：即进一步可以表示为：口，基于三相瞬时无功功率的法（）（）（）（）设三相电路电压及电流分别为：大连理工大学硕士学位论文丘（）：乜（一孚巳：乜（国卜与厶（一缈）一了一缈）（）之埘（掰一等一力式中，一相电压的最大

38、值；一相电流的最大值。将三相坐标系下的电压电流量分别变换至口一坐标系下可得：盼摩点：，阡摩焉分量。将两式代入式（）以及式（）可得两相口一夕坐标系下的有功分量和无功夕三矽互率为直流量。，缈（）（）可见当电压平衡且为正弦，同时电流也为平衡正弦时，瞬时有功功率和瞬时无功功基于上述理论的谐波电流检测方法称为法。该方法根据三相瞬时无功功率理论计算出有功功率和无功功率，经低通滤波器得到其中的直流分量、，再经反变换后得到三相电流中的基波分量。此方法只能够在电压平衡无畸变的情况下使用，具有很大的局限性。并联三相三线制有源电力滤波器的仿真与设计基于三相瞬时无功功率的。一法对基于三相瞬时无功功率理论的谐波电流检测

39、法进行改进可以得到口法。它并不需要检测三相电网电压，因而能在电网电压发生畸变时也能准确地测出高次谐波电流。在三相电源电压正弦、对称时，可以得到：；乏乞缈吁一耐屯将式（）以及式（）代入上式可得：，乏研一耐屯再将式（）代入上式，可得：，咖耐一一兮曼研研，压恬一删三莉鞫剐考虑三相电流为非正弦的情况，将三相电流进行傅立叶分解，可得：乞（）（）毛喜（。）一戗，七，”喜证一力一吼将式（）代入式（）司得：嘲融拥瞄（揖：）咖刚表达式中不含，次分量。式中当：，时取负号，当，时取正号。对于三相三线制系统当后时，、成分反映了、中的基波分量，定义为。、。当七时，矿乇成分对应了其中的谐波分量，定义为锄、。从而、的表达式

40、可写为：大连理工大学硕士学位论文乏：十乏（，其中时画。嘲，时虞口髅；麓二绷，由上式可知三相电流。毛、经变换后，对应于基波分量的。、变为直流分量，。一艺法的原理图如图所示：上函“【图一乇法检测谐波电流框图唾堑一垂一图中变换阵为：一三一一研一，研一吣口研鱼一笪（）口研（）压怄啪咧（力（）一（）出其中的直流分量、。对应于高次谐波分量的锄、（七，）经变换后为次的谐波分量之和。要获取变换后电流的基波分量，只需采用低通滤波器从变换后的电流、中滤并联三相三线制有源电力滤波器的仿真与设计该方法采用锁相环电路获得与相电压同相位的正弦信号和对应的余弦信号国，这两个信号与屯、小共同计算得到有功电流分量和无功电流分量

41、乞。再通过低通滤波器（）得到基波有功分量。和基波无功分量，经反变换后得三相电流中的基波分量，最后从三相电流中减去基波分量便得到三相电流中的高次谐波分量。数字低通滤波器的选择从前面研究的谐波检测方法可以看到，每一种检测方法都需要使用低通滤波器，目的是分离出基波分量后再除去，以获得所需的谐波分量。应当指出的是，基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法，由于采用了低通滤波器，需经一定的延迟时间才能得到准确的直流分量。因此使得检测结果有一定的延时，但延迟时间最多也不会超过一个电源周期。产生延迟时间的主要原因就是低通滤波器的影响。所以为了准确、实时地用基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法检测出谐波分量，必须分析

42、研究低通滤波器对谐波检测的准确性和实时性的影响。传统数字低通滤波器在谐波检测环节所用到的低通滤波器【白通常有、等。对于具有同样阶数的滤波器，当截止频率选得比较低时，滤波器的检测精度最高，这是因为它的频率特性在零点附近最好。如果要求截止频率大一些，则用滤波器的检测精度最高，滤波器次之，稍差一些，最差，这是由滤波器阻带的衰减特性决定的。而用滤波器时动态响应过程最快，因为它的时延特性最好。虽然这些滤波器在设计中都有相应的模型，参数的计算与设定十分方便，但是，实际中的实现仍然存在一定的难度，特别是在定点的数字信号处理器（）中，对复杂小数的计算精度无法满足要求。滑窗迭代法本文，采用另外一种低通滤波器的设

43、计方法，即滑窗迭代法】。根据上一节的分析，我们知道进入低通滤波器之前的信号中，。代表有功电流直流分量，与负载的基波有功功率相对应；代表无功电流直流分量，与负载基波的无功功率相对应。当作谐波补偿的时候，低通滤波器的目的即是分离出这些信号中的直流分量。，大连理工大学硕士学位论文除去基波电流之外的谐波信号对应的交流分量，对其一个周期内的所有采样点累加，和为零。而对于一个直流信号，在一个正弦周期内进行所有采样点累加后除以采样点数结果仍然为该直流信号。如果只考虑一个周期，我们将进入低通滤波器前的信号按采样点进行累加后除以采样点数，结果即为该直流信号。这样分离出直流信号的意义是十分明了的，操作也十分简单，只需要对一个周期内的所有采样点进行求和即可。考虑到，根据交流信号每个周期的重复性以及在有源滤波中对信号实时变化灵敏度的要求，我们当采样第点时，用当前新的信息代替一个周期前同一个位置的信息。此时和的信息可以由下式表达：（七）（）甜（后）一（一）（）式