有源电力滤波器拓扑结构及控制策略

有源电力滤波器拓扑结构及控制策略概述

摘要按照不同的分类方式，对有源滤波器的拓扑结构进行了系统的分类，并指出其各自的优缺点；同时，对有源滤波器的构成和控制策略进行了分析和介绍。此外，还对有源滤波器的设计步骤和参数选型给出了相应的阐述。

关键字有源滤波器；拓扑结构；控制策略；设计步骤

1 主电路拓扑结构分类：从不同的观点出发，有源电力滤波器具有不同的分类标准。

根据接入电网的方式分类：根据接入电网的方式，有源电力滤波器可以分为串联型、并联型和串-并联型三大类。

串联型有源滤波器：串联型有源滤波器经耦合变压器串接入电力系统，如图1所示，其可等效为一个受控电压源，主要是消除电压型谐波以及系统侧电压谐波与电压波动对敏感负载的影响。串联型有源电力滤波器应用在直流系统中时，耦合变压器的系统接入侧很容易出现直流磁饱和问题，所以只在交流系统中采用。与并联型有源电力滤波器相比，由于串联型有源电力滤波器中流过的是正常负荷电流，因此损耗较大；此外，串联型有源电力滤波器的投切、故障后的退出及各种保护也较并联型有源电力滤波器复杂。目前单独使用串联有源电力滤波器的例子较少，研究多集中在其与LC无源滤波器所构成的串联混合型有源电力滤波器上。

1.1.2 并联型有源电力滤波器

并联型有源电力滤波器与系统并联等效为一个受控电流源，如图2所示。有源滤波器向系统注入与谐波电流大小相等方向相反的电流，从而达到滤波的目的。并联型有源电力滤波器主要适用于电流源型感性负载的谐波补偿，技术上已相当成熟，工业上已投入使用的有源电力滤波器多采用此方案。

与串联型有源电力滤波器相比并联型有源电力滤波器通过耦合变压器并入系统，不会对系统运行造成影

响，具有投切方便灵活以及各种保护简单的优点。但是当单独使用并联型有源电力滤波器来滤除谐波时，有源电力滤波器容量要求很大，这样会带来一系列的问题，如工程造价高、电磁干扰、结构复杂以及高的功率损耗等。

1.1.3 串-并联型有源电力滤波器

串-并联型有源电力滤波器如图3所示，相关文献称之为统一电能质量调节器（UPQC）。它综合了串联型和并联型两种结构，共同组成一个完整的用户电力装置来解决电能质量的综合问题。其中，直流侧电容器或电感储能装置是串联型和并联型有源滤波器所公用的，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、维持系统电压稳定性或阻尼振荡的作用。并联变流器起到补偿电流谐波不平衡、补偿负荷的无功、调节变流器直流侧电压的作用。因此这种统一电能质量调节器可以实现短时间不间断供电、蓄能、无功补偿、抑制谐波、消除电压波动及闪变、维持系统电压稳定等功能，被认为是最理想的有源滤波器的结构。这种结构既可用于三相系统，又可以用于单相系统。但是其主要缺陷在于成本较高（需要较多的开关器件）和控制复杂。

1.2 根据接入电网电压等级分类

根据接入电网电压等级来分类，有源电力滤波器还可以分为直接接入和通过无源滤波器间接接入电网两种方式。

1.2.1 直接接入型

图4 为直接接入型有源滤波主电路拓扑结构，它是有源滤波器和无源滤波器的组合结构。这种滤波器结构目前非常普遍，因为它并联的LC无源滤波器部分消除了大量的低次谐波，因而有源滤波器部分容量可以做到很小（负荷容量的5%左右），这样大大减少了有源滤波器的体积和成本。它可以同时消除电压和电流谐波，而且成本相对较低，因而非常受欢迎。但是这种结构的滤波器的缺点在于只能针对特定负荷进行补偿，负荷运行状况变化较大的时候补偿性能不好。

1.2.2 间接接入型

图5为有源与无源滤波串联使用的混合型有源滤波器，在该方式中，谐波和无功功率主要由LC 滤波器补偿，而有源滤波器的作用是改善无源滤波器的谐波特性，克服无源滤波器易受电网阻抗的影响、易与电网发生谐振等缺点。在这种方式中，有源滤波器不承受交流电源的基波电压，因此装置容量小。该方案由于注入变压器连接在Y 型连接的PF的中性点上，方便保护和隔离，因此更适合于高电压系统应用，但是该电路对电网中的谐波电压非常敏感。

1.3 按有源电力滤波器中逆变器直流侧储能元件的分类

根据有源电力滤波器中逆变器直流侧储能元件的不同，有源电力滤波器又可分为电压型有源电力滤波器（储能元件为电容）和电流型有源电力滤波器（储能元件为电感）。

电流型有源电力滤波器如图6所示，它是由一个大电感充当一个非正弦的电流源来提供非线性负荷的谐波电流。电流型逆变器的最大缺点在于不能用于多电平场合，无法提高大容量时逆变器的性能；电压型由一个较大的电容作为直流侧的电压支撑。由于电压型结构轻便、便宜，并且可以扩展为多电平结构，使其在开关频率较低的情况下取得较好的性能，与电流型有源电力滤波器相比，电压型有源电力滤波器损耗较小、效率高，因此目前国内绝大多数有源电力滤波器都采用电压型逆变器结构。根据日本电气学会的调查结果，两者在实际应用中所占的比例分别是电压型93.5%，电流型6.5%。随着超导储能技术的不断发展，今后可能会有更多电流型有源电力滤波器投入使用。

1.4 根据补偿系统的相数来分类

根据有源滤波器补偿系统的相数来分类，有源滤波器可分为单相和三相两种，三相系统又分为三相三线制和三相四线制。

单相有源滤波器一般用于小功率的场合，例如商业写字楼或者学校带有电脑负荷的教学楼以及小型工厂。在这些场合中电流谐波可以在公共耦合点补偿掉，因此可以将几个小功率的滤波器连接取代一个大的滤波器，这主要是由于在一个大楼中有好多的单相负荷并且中线上存在大量谐波电流会有较大的危害。这样可以根据运行条件的不同有选择地进行补偿。但另一方面，住宅性负荷并没有产生大量。

的集中的谐波，而且由于缺少强制的谐波约束法规，住宅用户不可能投资于单相的有源滤波器。单相有源滤波器的主要优点在于处理小功率负荷，因此变流器的开关频率可以很高，从而提高整个装置补偿谐波的性能。

对于三相装置，滤波器及主电路的选择取决于三相系统是否平衡。在相对比较低的功率场合（100 kV·A），三相系统可以采用三个单相有源滤波器或者单独的三相有源滤波器。对于平衡负荷而言，如果目标仅仅是消除电流谐波而不需要三相系统及补偿电压谐波，采用三个单相有源滤波器的结构是可行的。对于不平衡负荷电流或者不对称供电电压，主电路结构采用基于三个单相逆变器的三相有源电力滤波器是可行的。

大多数的单相负荷都是由带中线的三相系统供电的。它们给系统带来了大量的中线电流、谐波、无功以及三相不平衡。三相四线制有源滤波器的引入就是为了减少这类系统出现的问题。

2 有源滤波器构成及工作原理

无论有源电力滤波器如何分类，它都是由几个共同的部分构成，即谐波检测环节、控制系统、主电路、保护电路以及耦合变压器等主要部分构成，如图7所示。其基本工作原理为：首先通过谐波检测环节检测出系统中的谐波并给出需要补偿谐波的参考值，然后通过控制系统根据该参考值产生相应的脉冲，控制主电路产生补偿电流或者电压跟踪该参考值，起到补偿效果，有源电力滤波器通过耦合变压器接入系统。

下面对有源滤波器的四个部分进行介绍。

2.1 谐波检测

谐波检测环节的原理框图如图8所示。基本工作原理为：预处理环节将电压或电流互感器输出的电流信号转化为电压信号并进行适当的滤波与放大（实际中总存在一定的高频噪音，因此一般都要对信号进行一定的滤波及进行放大或缩小），有源电力滤波器对谐波信号的时间同时性要求较高，因此一般情况下应该对所需信号进行同步采样，所以需要加采样保持电路，即在同一时刻对输入信号进行采样。

将采样信号保持起来，然后分别进行A/D转换，将模拟量转化为数字量。

目前用于谐波检测算法通常有两种，一种是快速FFT分析法，另外一种方法是瞬时无功功率理论，其中大多采用瞬时无功功率理论进行谐波检测。

2.2 控制系统及控制策略

有源电力滤波器的控制系统及选用的控制算法是其滤波效果好坏的关键。有源电力滤波器的控制系统主要有模拟控制系统、数字控制系统以及数字模拟混合控制系统三类。近年来随着微电子技术的快速发展，各种数字处理芯片的性能大大提高，因此有源电力滤波器的控制系统逐步由模拟控制系统转化为模拟数字混合控制系统及纯数字控制系统。下面主要介绍有源电力滤波器的数字模拟混合控制系统与数字控制系统。

2.2.1 数字模拟混合控制系统

有源电力滤波器的控制系统一般由两个部分组成，即控制算法部分和触发脉冲产生部分。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，采用谐波检测算法，快速检测出需要的谐波与有源滤波器产生的谐波进行比较，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电力滤波器的变流器，使其产生的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。所谓数字模拟混合控制就是通过数字电路检测并产生所需补偿的参考谐波信号，获得参考谐波信号后，通过模拟电路实现谐波跟踪（通常为比例积分PI 控制），PWM脉冲控制具有更快的速度和更高的分辨率。

2.2.1.1 滞环控制

此类控制器中滞环比较器由于产生的补偿电流参考信号能够快速准确地跟踪谐波电流变化，具有很好的实时性，所以在有源滤波器中得到了广泛的应用。滞环比较器的控制框图如图9所示，图10为滞环比较示意图。

滞环比较控制采用滞环比较器，把检测出的补偿电流信号ie 与实际产生的补偿电流ic进行比较，两者的偏差作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的PWM 信号，从而控制补偿电流ic的变化。此类控制器中由于滞环比较器产生的补偿电流参考信号能够快速准确地跟踪谐波电流变化，具有很好的实时性，所以在有源滤波器中得到了广泛的应用。滞环比较控制的特点可归结为：硬件电路十分简单；属于实时控制方式，电流响应很快；不需要载波，输出电压中不含特定频率的谐波分量；属于闭环控制方式；若滞环的宽度固定，则电流跟随误差范围是固定的，但是电力半导体器件的开关频率是变化的。

在采用滞环比较器的瞬时值比较方式中，滞环的宽度通常是固定的，由此导致主电路中电力半导体器件的开关频率是变化的。尤其是当ic变化的范围较大时，一方面，在ic 值小的时候，固定的环宽可能使补偿电流的相对跟随误差过大；另一方面，在ic值大的时候，固定的环宽又可能使器件的开关频率过高，甚至可能超出器件允许的最高工作频率而导致器件损坏。另外，由于开关频率不固定，增加了高通滤波器及连接电抗器参数设计的难度。

针对采用滞环比较器的瞬时值比较方式在环宽固定时的这一缺点，一种解决的方法是将滞环比较器的宽度H 设计成可随ic 的大小而自动调节的；另一种方法是采用定时控制的瞬时值比较方式，该方式中，用一个由时钟定时控制的比较器代替滞环比较器。每个时钟周期对ic 变化量判断一次，使得PWM信号需要至少一个时钟周期才会变化一次，器件的开关频率最高不会超过时钟频率的一半。这样时钟信号的频率就限定了器件的最高工作频率，从而可以避免器件开关频率过高的情况发生。该方式的不足是，补偿电流的跟随误差不是固定的，从波形上看，就是毛刺忽大忽小。

2.2.1.2 三角波控制

图11为三角波比较器的控制框图，图12 为三角波比较示意图。其中图12给出了在并联型有源电力滤波器中经常采用的一种数字模拟混合控制器的模拟部分。其中参考电流信号由微处理器通过D/A转换变成模拟信号送到模拟控制部分。有源电力滤波器的补偿电流与参考电流进行比较，通过比例积分环节后成为调整信号，与三角波发生电路产生的作为载波信号的三角波进行比较，获得驱动有源滤波器逆变器的PWM驱动脉冲。图12中，当控制信号大于锯齿波，则PWM脉冲信号为高电平；相反，则为低电平。与瞬时值比较方式相比，该方式具有的特点：硬件较为复杂；跟随误差较大；输出电压中所含谐波较少，但是含有与三角载

波相同频率的谐波；器件的开关频率固定，且等于三角载波的频率；电流响应比瞬时值比较方式的慢。

由以上可知，瞬时值比较方式和三角波比较方式各有优缺点，不能孤立地说孰优孰劣，实际应用时可根据系统要求选择。日本电气学会的调查结果也表明了这一点，两种方法在实际应用中大体上各占一半，基本相当。

2.2.2 数字控制系统

随着微电子技术的快速发展，产生PWM脉冲的数字电路和具有可编程功能的器件快速发展，因而通过专门电路或通过可编程逻辑器件实现PWM 脉冲发生器已非常方便，而且在速度和分辨率方面也有着显著的提高，因此有源电力滤波器的控制系统已经逐步变成纯数字的控制系统。与其他的电力电子装置类似，根据有源滤波器控制算法的复杂性我们可以选择不同的数字控制系统来实现。通常的控制系统一般有基于单数字信号处理芯片的带有PWM信号的控制系统。由于DSP本身带有PWM脉冲产生部分，因此采用单片的DSP 就可以实现有源电力滤波器的控制系统。当然，由于DSP芯片既要处理控制算法又要产生脉冲，因此只能实现简单的控制算法。如果要实现更加复杂与先进的算法，可采用多DSP芯片的控制系统或者DSP+FPGA（现场可编程逻辑阵列）的通用控制系统。采用双DSP 或DSP+FPGA结构，其中一个DSP处理器用来完成数据处理、控制与高层保护功能；另一个DSP处理器或FPGA用来产生高精度PWM脉冲。

2.3 主电路

有源电力滤波器的主电路型式多种多样，有很多种分类方法。具体分类方法见上所述。

2.4 保护电路

保护系统采用快速硬件保护（与功率单元直接连接）和高速DSP的软件保护相结合的方式，实现双重保护机制，使得系统安全，运行可靠。

2.5 耦合变压器

前面讲到的两种主电路结构都通过连接电抗器直接接入系统，但对于电压较高的情况，由于各种开关器件耐压水平的限制，变流器输出电压不可能太高，因此通常采用变压器接入方式。采用耦合变压器接入电力系统的好处有：

1）可以灵活地改变逆变器的输出电压和电流，从而充分利用开关器件的电压与电流容量；

2）可以提供绝缘隔离，变压器的电气与一、二次侧的绝缘隔离可以防止出现不必要的电气连接，可以提高有源电力滤波器的可靠性，还可以防止电力系统中的各种干扰直接进入到有源电力滤波器中。

虽然变压器带来了很大的好处，但是在有源电力滤波器中采用耦合变压器本身也存在一些缺点。

这主要是因为有源滤波器对耦合变压器存在较高的要求，因此在设计选择耦合变压器时要注意：

1）工作频带耦合变压器要有较宽的工作频带；

2）铁心材料的选择鉴于有源滤波器工作时的频率范围，耦合变压器的铁心材料一般选薄硅钢片或非晶合金磁性材料；

3）铁心结构选择由于有源滤波器输出的三相电压或电流是相互独立的，因此要求耦合变压器三相独立或三相之间相互影响小，所以有源滤波器的耦合变压器采用五铁心柱结构或采用三单相变压器，这样三相绕组之间的影响很小或三相完全独立。

3 有源滤波器设计步骤及参数选择

3.1 设计有源滤波器一般步骤

1）应该根据所需要补偿的负荷谐波次数及容量确定有源滤波器补偿电流谐波的最高次数及谐波的容量。

2）根据补偿效果及谐波就地补偿等原则确定有源滤波器的接入点。

3）根据接入点的电压等级及负荷的结构确定有源电力滤波器的电压等级及相应的主电路结构。对于380 V 系统，一般选择通过电抗器直接接入三相系统。而对于10 kV的系统，通常选择通过耦合变压器接入系统。

4）根据选择的电压等级及谐波电流的次数、容量以及所选择的主电路结构，参照开关器件的开关频率、电压等级、电流等级等选择合适的开关器件，确定有源滤波器直流侧合理的工作电压及连接电抗器的参数。

3.2 参数选择

3.2.1 电感选型

对于并联型有源电力滤波器，其主要功能是补偿电流ic（t）快速跟踪负荷电流中的谐波电流，从而使流入配电系统的谐波电流很小，避免对系统的污染。为了使ic （t）能够快速跟踪要补偿的电流，需要有源滤波器产生的ic（t）具有两个条件：首先，ic（t）的大小要满足补偿电流的要求，即逆变器补偿的电流必须大于等于补偿电流，也即有源滤波器的补偿容量满足负荷补偿的要求；其次，有源滤波器输出电流的变化率即dic（t）/dt 要大于等于补偿电流的变化率，只有这样有源滤波器才能快速跟踪补偿电流的变化。

第一个条件在设计有源滤波器时通过考虑容量即可满足，而第二条常常是衡量有源滤波器性能好坏的关键。因为非线性负荷种类很多，需要补偿电流的变化率可能完全不一样，为了保证有源电力滤波器的跟踪能力，在设计时必须非常重视其电流变化率。因此为了提高dic（t）/dt，要么减小有源滤波器的等效电感L，要么提高逆变器输出电压U（c t）。有源滤波器的等效电感L 越小，其电流跟踪能力越强，但是L 过小，有源滤波器输出电流中基于开关频率的特征谐波会很大，而且一旦有源滤波器本身出现故障，会产生较大的过电流，从而影响系统。因此有源滤波器的等效电感不能选择过小。通常，如果以有源滤波器的电流容量作为电流基值，接入电压作为电压基值，则等效电感对应的基波电抗的标幺值约为20%，电感值通常为mH级别。

3.2.2 直流母线电容

因为提高直流侧电容电压Ud c（t）可以提高有源电力滤波器电流跟踪能力。因此设计有源滤波器时，应该根据最恶劣的条件估算出需要补偿的负荷电流的最大变化率，选择合适的直流侧电压。直流侧电压选定后，在保证安全裕度的前提下选择开关器件的电压、电流等级。直流侧电容容量在允许的范围内（电容容量应避免与电抗产生谐振）当然越大越好，但电容过大增加了装置的成本。直流侧电容容量的选择主要是防止直流电容电压的波动，计算电容电压波动时必须考虑谐波引起的电容电压波动。

4 应用情况及前景展望

目前，有源滤波技术已在日本、美国等少数工业发达国家得到应用，有许多工业装置投入运行；国内对有源电力滤波器的研究尚处于起步阶段。

近年来，在电力电子工程师和研究人员的不断努力下，有源电力滤波技术取得了长足的发展，有源电力滤波器的价格也不断降低。随着人们对谐波污染认识的不断加深，有源电力滤波器的应用前景是相当光明的，在国内的应用也将越来越广泛。

电力有源滤波器的设计

工学院毕业设计（论文） 题目：电力有源滤波器的设计 专业：电气工程及其自动化 班级：电气082 姓名：邓大伟 学号： 1609080203 指导教师：国海 日期： 2011年12月22日

目录 摘要： (1) 1 绪论 (2) 1.1概述 (2) 1.2抑制谐波的方法 (2) 1.3本文研究的内容 (3) 2 APF的工作原理和结构 (4) 2.1APF的基本原理和种类 (4) 2.2APF的谐波检测方法 (5) 2.3APF的补偿电流控制方法 (6) 3 有源电力滤波器谐波检测及控制策略 (8) 3.1瞬时无功功率理论简介及其应用 (8) 3.2SVPWM调制策略 (10) 4 控制系统的总体设计方案 (14) 4.1系统初始化程序的设计 (14) 4.2中断子程序设计 (14) 4.3I P-I Q法补偿谐波和无功电流的原理框图 (15) 5 电力有源滤波器的仿真实现 (17) 5.1源电力滤波器仿真模型的建立 (17) 5.2结果仿真 (21) 总结与展望 (25) 致谢 (26) 参考文献 (27) ABSTRACT: (28)

电力有源滤波器的设计 摘要：随着电力电子装置日益广泛的应用，电力电子装置自身所具有的非线性导致了电网中含有大量谐波，这些谐波给电力系统带来了严重的污染，严重危害了用电设备和通信系统的稳定运行。虽然传统的无源电力滤波器具有结构简单、成本低、技术成熟、运行费用低等优点，但同时也有一些缺点，例如只能抑制固定的几次谐波，并对某次谐波在一定条件下会与电网阻抗产生谐振反而而使谐波放大。 目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器，有源电力滤波器也是一种电力电子装置，且相关技术的研究也日渐成为研究的热点。本文阐述了几种常见APF的拓扑结构及各自的优缺点，详细分析了基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法，比例控制和前馈控制两种电流环控制策略以及SPWM和SVPWM两种调制策略。介绍了电力有源滤波器的基本原理和结构，并设计了并联型有源电力滤波器的控制系统，实验结果表明,其谐波抑制和无功补偿可以达到良好的效果,在技术上是可行的。 关键词：电力有源滤波器;谐波检测 ;APF

有源滤波器的安装要求与方法

运输、储存及安装要求 运输 产品可用汽车、火车、飞机、轮船等交通工具运输。产品在运输过程中必须小心轻放。严禁雨淋、暴晒， 不应有剧烈振动、撞击和倒放。运输温度应在－40～＋70℃围。有源电力滤波器包装后最大高度为 2400mm，选择运输工具时，请同时考虑运输过程中是否有高度限制等因素存在。 储存 产品不得暴晒及淋雨，应存放在空气流通、周围介质温度在－40～＋70℃围，空气最大相对湿度不超过95％（相当于空气温度20±5℃时）及无腐蚀性气体的仓库中。 安装 由于每个场地都有其特殊性，本章并不介绍详细的安装步骤，而只为安装人员提供指导性的一般安装步骤及方法，有安装人员根据场地具体情况处理。 ●注意！●要求三相四线或三相三线制输入电源 ●标准APF系统可与三相四线（接地）制TN，TT和IT交流电源 配电系统（IEC60364-3）以及三相三线制交流配电系统连接。如果用于IT交流电源配电系统，输入需配置一个４极断路器，可参考相关的IT系统标准。 ●警告●应经调试工程师同意后，才可给APF上电。 ●APF的安装应根据本手册说明由合格工程师进行。本手册 未涉及的其他所有设备发货时附有其详细的机械及电气安装资料。 初检 在安装APF前，首先应进行如下检查：

1.目检APF外部和部是否存在运输损坏。如有损坏，请立即通报承运商。 2.核对产品标签，确认设备的正确性。设备侧壁贴有设备标签，标签上标明了APF型号、容量及主要参数。 选位 APF设计为室安装，应安装在清洁的环境中，并且应通风良好，以保证环境温度满足产品规格要求。 APF由部风扇提供强制风冷，冷风通过APF机柜前面的风栅进入APF部，并通过APF后部的风栅排出热风。请勿阻塞通风孔。 注：APF仅适用于安装在混凝土或其它非易燃安装表面。APF可选择机架安装方式、平面安装方式及壁挂式安装方式。 安装环境 为了延长使用寿命，APF位置的选择应保证： 1.接线方便 2.有足够的操作空间 3.通风良好，以满足散热要求 4.周围无腐蚀性气体 5.无过湿和高温源 6.非多尘环境 7.符合消防要求 APF机箱进线端有电源端子和CT输入接线端子。APF前面板设计有操作控制面板提供基本运行状态和报警信息显示。 APF机机安装方式前面提供进风口，后面提供出风口；壁挂式安装方式提供下进风口，上出风口。

有源电力滤波器的应用及效果.

有源电力滤波器的应用 所在学院：信息科学与工程学院 专业班级： 学生姓名： 学生学号： 指导教师：

有源电力滤波器的应用 上学期我们学习了《电力电子技术》这门课，通过这门课的学习我了解到：以非线性负载为主产生的谐波会对电力系统形成很大的危害，而传统的电力电子装置本身就是产生谐波的主要污染源。要想抑制电力电子装置和其它谐波源造成的电力系统谐波，基本思路有两条：一是装设补偿装置，设法补偿其产生的谐波；而是对电力电子装置本身进行改进，使其不产生谐波，同时也不消耗无功功率，或者根据需要能对其功率因数进行控制，即采用高功率因数变流器。 装设LC 调谐滤波器是传统的补偿谐波的主要手段。LC 调谐滤波器虽然存在很多缺陷，但其结构简单，既可补偿谐波，又可补偿无功，一直被广泛应用与电力系统中谐波和无功功率补偿。目前的趋势是采用先进的电力电子装置进行谐波补偿，这就是有源电力滤波器（APF ）。与LC 无源滤波器相比，有源滤波器具有明显的优越性能，能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿，而且补偿特性不受电网频率和阻抗的影响。有源电力滤波器的变流电路可以分为电压型和电流型。从与补偿对象的连接方式看，有源电力滤波器又可分为并联型和串联型。电压型和并联型在实际中应用较广。 本学期做了一个谐波的产生和抑制的实验，其中谐波是由三相桥式整流电路这一非线性负载产生的，在实验中采用了两种抑制谐波的方法，一种是并联无功补偿电容器和LC 滤波器，另一种是并联一个有源电力滤波器。目标是经过这两次滤波，使谐波电流的畸变率降到5%左右。 有源电力滤波器基本原理如下图1所示。设负载电流为l i ，谐波检测器从负载电流中检测出谐波电流h i ，令指令电流*c h i i =-，补偿电流控制算法控制逆变 器产生补偿电流*c c i i =，注入母线，抵消负载电流中的谐波，达到抑制谐波电流流向电源的目的。系统由四个主要部分组成有源滤波主电路、外围驱动板、谐波检测器 、DSP 器件。

有源电力滤波器的研究热点和发展

有源电力滤波器的研究热点和发展 1、引言 近年来，随着电力电子技术的广泛应用，电能得到了更加充分的利用。但电力电子装置自身所具有的非线性也使得电网的电压和电流发生畸变，这些高度非线性设备数量和额定容量的日益增大使得电力系统谐波污染问题日益严重，已成为了影响电能质量的公害，对电力系统的安全、经济运行造成极大的影响；而另一方面供电方及其电力系统设备、用户及其用电器对电能质量的要求越来越高，这一矛盾使得人们对谐波污染问题越来越重视。据《中国电力》报道，我国仅由电能质量问题造成的年电能损失就高达400多亿元，冶金、铁路、矿山等企业的谐波严重超标，因谐波问题导致的开关跳闸、大面积停电甚至电力系统解列等事故也屡见不鲜，因此对电力系统的谐波污染进行综合治理已成为摆在科技工作者面前的一个具有重要现实意义的研究课题。而有源电力滤波器 由于具有高度可控性和快速响应性，能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，因而受到广泛的重视，成为目前国内外供电系统谐波抑制研究的热点。 2、谐波治理的措施 目前，在电力系统中抑制或减少谐波主要从两个方面进行：第一方面是从产生谐波的谐波源装置本身入手。在这些装置设计时就考虑减小谐波的方法，增加谐波抑制环节，已减少电网的谐波注入量，在谐波源本身采取一些措施能大大减小电网谐波。但由于现代电力系统的复杂性以及电力半导体装置开关工作方式，不可能完全消除电网谐波。所以，谐波治理的第二个重要方面就是研究对系统中的谐波进行有效滤波和补偿的方法和措施。下面分别简要介绍这两方面工作的现状和发展。 2.1治理谐波源 近年来，随着几种电力电子装置的大量应用，可控和不可控整流器在电力系统中的应用越来越普遍。这类型整流器在带大电感 (rl)负载时电流近似为方波。带大电容(rc)负载时电流为尖脉冲，使电力系统中的电流严重畸变，成为目前电力系统中主要谐波源，也是目前治理的重点。针对这一类整流器减少谐波、提高功率因数的方法和措施，概括起来主要有以下几种： （1）多相整 脉宽调制pwmpulsewidthmodulation）整流技术; 2.2谐波滤波与补偿 采用主动治理谐波源的方式，可有效限制谐波的产生，但由于谐波源的多样性，要完全

有源电力滤波器设计

1 引言 近年来，公用电网受到谐波电流和谐波电压的严重污染，而电力电子装置是其主要的谐波污染源。随着电力电子装置的日益广泛应用，电网中的谐波污染也日益严重，谐波污染影响到供电质量和用户使用的安全性，因此电网谐波污染的治理越来越受到关注。 滤波器在本质上是一种频率选择电路，通常用幅频响应和相位响应来表征一个滤波电路的特性。理想滤波电路在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应，而在阻带内应具有无限大的幅度衰减。按照通带和阻带的相互位置不同，滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、全通5类。有源滤波器采用有源器件需要使用电源，加上功耗较大且集成运放的带宽有限，因此目前有源滤波电路的工作频率难以做得很高，一般不能用于高频场合。但总的来讲有源滤波器在低频(低于1MHz)场合中使用有较无源滤波器更优的性能，因而目前在音频处理、工业测控等领域广泛应用。有源电力滤波器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，能对大小和频率都变化的谐波及无功功率进行补偿。和传统的无源滤波器相比，有以下几点突出的优点： (1)对各次谐波和分数谐波均能有效地抑制，且可提高功率因数； (2)系统阻抗和频率发生波动时，不会影响补偿效果。并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； (3)不会产生谐振现象，且能抑制由于外电路的谐振产生的谐波电流的变化； (4)用一台装置就可以实现对各次谐波和基波无功功率的补偿； (5)不存在过载问题，即当系统中谐波较大时，装置仍可运行，无需断开。 由以上可看出，它克服了传统的无源滤波器的缺点，具有良好的调节性能，因而有很大的发展前途。

APF有源电力滤波器

有源电力滤波器 有源电力滤波器（APF：Active power filter）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对不同大小和频率的谐波进行快速跟踪补偿，之所以称为有源，是相对于无源LC滤波器，只能被动吸收固定频率与大小的谐波而言，APF可以通过采样负载电流并进行各次谐波和无功的分离，控制并主动输出电流的大小、频率和相位，并且快速响应，抵销负载中相应电流，实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功和不平衡。

1、概述 2、理论基础 3、工作原理 4、标准 5、三电平 ?技术优势 ?滤波器 ?基本应用 ?主要应用场合 ?其他 ?优势 6、性能说明 7、配件选型 1、概述 三相电路瞬时无功功率理论是APF发展的主要APF；APF有并联型和串联型两种，前者用的多；并联有源滤波器主要是治理电流谐波，串联有源滤波器主要是治理电压谐波等引起的问题。 2、理论基础 有源滤波器同无源滤波器比较，治理效果好，主要可以同时滤除多次及高次谐波，不会引起谐振，但是价位相对高！实际应用安全系数很低，国际普遍做法是以变压器升压，来保证可靠性，国家相关部

门也要求以变压器升压的形式和有源滤波器结合，治理高压谐波！ 3、工作原理 Satons有源电力滤波器通过电流互感器检测负载电流，并通过内部DSP计算，提取出负载电流中的 谐波成分，然后通过PWM信号发送给内部IGBT,控制逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等，方向相反的谐波电流注入到电网中，达到滤波的目的。 指令电流检测电路的功能主要是从负载电流中分离出谐波电流分量和基波无功电流，然后将其反极性作用后发生补偿电流的指令信号。电流跟踪控制电路的功能是根据主电路产生的补偿电流，计算出主电路各开关器件的触发脉冲，此脉冲经驱动电路后作用于主电路。 这样电源电流中只含有基波的有功分量，从而达到消除谐波与进行无功补偿的目的。根据同样的原理，电力有源滤波器还能对不对称三相电路的负序电流分量进行补偿。 有源电力滤波器的主电路一般由PWM逆变器构成。根据逆变器直流侧储能元件的不同，可分为电压型有源滤波器(储能元件为电容)和电流型有源滤波器(储能元件为电感)。电压型有源滤波器在工作时需对直流侧电容电压控制，使直流侧电压维持不变，因而逆变器交流

有源电力滤波器的发展历史和研究现状概述

有源电力滤波器的发展历史和研究现状概述 1969 年，Bird 和Marsh 等人提出通过向电网注入三次谐波电流来减少电流中 的谐波成分，从而改善电流波形的思想，这就是有源电力滤波技术的萌芽 [11]。 1971 年，日本的H.Sasaki 和T.Machida 提出有源电力滤波器技术，首次完整地描述了有源电力滤波器的基本原理：通过产生与负载谐波和无功电流大小相 等方向相反的补偿电流，来抵消负载谐波和无功电流，从而达到净化电网的目 的。但是由于当时电力电子技术的发展水平不高，全控型器件功率小、频率 低，采用线性放大器产生补偿电流， 损耗大、成本高，因而有源电力滤波器仅局限于实验研究，未能在工业中应 用。 1976 年，L.Gyugyi 等人提出用大功率晶体管构成PWM 逆变器控制APF 来抑制谐波，引起了普遍关注，确立了有源电力滤波器的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个理想的电流发生器，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。 80 年代以来，随着大中功率全控型半导体器件的成熟和脉宽调制(Pulse Width Modulation PWM)控制技术的进步，对有源电力滤波器的研究逐渐活跃起来。这 一时期的一个重大突破是，1983 年H.Akagi 等人提出了“三相电路瞬时无功 功率理论”[12]，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在有源电力滤波 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。 随着电力电子技术的发展，特别是高功率大电流的半导体器件及可关断晶闸管(GTO)的发展以及瞬时无功功率理论提出的发展，国内外对谐波问题的研究也不 断有新的进展，近年来，国际上有关有害电流检测和抑制技术的研究更是十分 活跃，每年都有量的论文发表。这一方面说明了这一研究的重要性，另一方面 也预示着这一领域的研究有望取得重大突破。 国外对有源电力滤波装置的开发研究工作始于20 世纪90 年代初期，到现在已进入实用化阶段。有源电力滤波技术作为改善供电质量的一项关键技术，其补 偿范围包括谐波、无功、畸变电压等，补偿对象有工业整流负载、电弧炉以及 电气化铁道等。在日本、美国以及德国等工业发达国家已得到了高度重视和日 益广泛的应用，APF 被公认为是今后改善电力系统电能质量的发展方向，现在 也已出现具有快速响应、稳定性高的有源滤波装置。目前，世界上APF 的主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电气公司、德国西门子公司等。文献 显示，从1981 年以来，仅日本就有500 多台APF 投入运行，容量范围在 50kVA-60MVA；而在欧洲，投入运行的工业用并联APF 最大容量已经达到 610KVA[13]。

有源电力滤波器课程设计

目录 1 设计相关知识介绍 (1) 1.1 谐波基本概念 (1) 1.2 谐波主要危害 (1) 1.3抑制谐波方法 (1) 2 APF的基本工作原理 (3) 3 APF基本组成部分 (5) 3.1 主电路 (5) 3.1.1 PWM控制的基本原理 (5) 3.1.2 主电路结构 (7) 3.2 指令电流运算部分 (8) 3.2.1 瞬时无功理论定义 (8) 3.2.2 基于瞬时无功理论检测法 (9) 3.3 电流跟踪控制部分 (11) 3.3.1电流滞环控制原理 (11) 3.3.2 三相电流滞环控制原理 (12) 3.4 驱动电路 (13) 参考文献 (15)

1 设计相关知识介绍[1] 1.1 谐波基本概念 1882年，法国数学家傅里叶指出，一个任意函数都可以分解为无穷多个不同频率正弦信号的和。基于此，国际电工标准定义谐波为：谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于1的H次分量。把谐波次数的H定义为：以谐波频率和基波频率的之比的整数。电气和电子工程协会标准定义谐波为：谐波为一个周期波或量的正弦波分量，其频率为基波的整数倍。总结二者，目前国际普遍定义谐波为：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。 1.2 谐波主要危害 谐波研究与治理对于现代工业生产意义重大，这是因为谐波不仅降低电能的生产、传输和利用效率，而且给供、用电设备的正常运行带来严重危险。对于电力系统，谐波会放大系统局部并联谐振或串联谐振现象，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电气设备，谐波可以使电气设备产生振动和噪声，还可以产生过热现象，促使绝缘老化，缩短设备使用寿命，甚至发生故障或烧毁。 谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。电力系统产生的谐波与普通电话线路传输的音频信号及人耳的音频敏感信号相比在信号频带上具有一定的重叠性，而且二者功率相差悬殊。对于通信的干扰，也是谐波的主要危害之一。 谐波污染是电力电子技术发展的重大障碍。电力电子技术是未来科学技术发展的重要支柱。有人预言，电力电子连同运动控制将和计算机技术一起成为21世纪最重要的两大技术。然而，电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效研究。 因此，谐波治理已经成为电气工程领域迫切需要解决的问题。 1.3抑制谐波方法 随着工业、农业和人民生活水平的不断提高，除了需要电能成倍的增长，对供电质量及供电可靠性的要求也越来越多，电能质量受到人们的日益重视。于是各国纷纷出台措施，制定相关标准。目前滤波是治理电网污染的有效方法，滤波就是将信号中特定的波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。它分为无源滤波和有源滤波。(1) 无源滤波

有源电力滤波器与电气控制原理图

有源电力滤波器与电气控制原理图 电气原理图是根据电气动作原理绘制的，用于分析动作原理和排除故障．而不考虑电气设备的电气元器件的实际结构和安装情况。通过电路图，可详细地了解电路、设备电气控制系统的组成和工作原理，并可在测试和寻找故障时提供足够的信息，同时电气原理图也是编制接线图的重要依据。 1．电气原理图绘制 电气原理图中，一般分为主电路和控制电路两部分分别画出。主电路是设备的驱动电路，在控制电路的控制下，根据控制要求由电源向用电设备供电。主电路通常用粗实线画在图样的左侧（或上方）。在电力拖动线路中，实际上就是设备的电源、电动机及其他用电设备等。 控制和辅助电路一般用细实线画在图样的右侧（或下方）。控制电路、辅助电路要分开画。控制电路画出控制主电路工作的控制电器的动作顺序，画出用作其他控制要求的控制电器的动作顺序。控制电路由接触器和继电器的线圈以及各种电器的常开、常闭触点组合构成控制逻辑，实现需要的控制功能。辅助电路是指设备中的信号和照明部分。主电路、控制电路和其他辅助的信号照明电路，保护电路一起构成电控系统。 电气原理图中的电路可以水平布置或者垂直布置。当水平布置时，电源线垂直画，其他电路水平画，控制电路中的耗能元件画在电路的最右端。当垂直布置时，电源线水平画，其他电路垂直画，控制电路中的耗能元件画在电路的最下端。

2．元器件绘制和器件状态 电气原理图中的所有电气元器件不画出实际外形图，而采用国家标准规定的图形符号和文字符号表示。同一电器的各个部件可根据需要画在不同的地方，但必须用相同的文字符号标注。电气原理图中所有元器件的可动部分通常表示在电器非激励或不工作的状态和位置。其中，常见的元器件状态有： (1)继电器和接触器的线圈处在非激励状态。 (2)断路器和隔离开关在断开位置。 有源电力滤波器/APF的系统结构 Dow有源电力滤波器/APF的主电路功能框图如图1所示，Dow 3L结构框图如图2所示，Dow4L 结构框图如图3所示。 图1 Dow3L/4L主电路功能图

有源电力滤波器品牌排行

有源电力滤波器(APF)品牌排行 当前，市场上生产有源电力滤波器的厂家很多，各个品牌参差不齐，且国家标准未正式出台，所以只能挑选出一些市场上一些主流的APF品牌，从质量、稳定性各方面介绍一下当前市场上主流有源电力滤波器品牌的市场情况： 合资主流品牌：霍尼韦尔、GE、诺基亚、ABB、施耐德、 传统的电气行业的几大合资品牌从稳定性、可靠性来说都依然是值得可靠信赖，但是技术参数比得上国内品牌，国内品牌因为竞争的缘故一味追求性能参数，产品稳定性大打折扣，合资品牌的价格都相对较高，一般市场标价达2000~4000元/A。传统的合资品牌西门子貌似还没有APF。 国产一线品牌：南京亚派麦克斯韦电气深圳盛弘上海思源赛博电气深圳英纳仕追日电气........数百家品牌 估计国内生产APF的厂家有上百家，以上品牌都是最近2年广告比较多的品牌，推广力度比较大而已。但是参差不齐。国产品牌的通病就是质量不稳定，国产品牌没有7年以上的应用案例，价格也不一定便宜，国产品牌的价格一般是合资的50%~100%。有源电力滤波器的核心器件比如IGBT、电容器、CPU等国内电子元件技术都不稳定，所以国内生产APF 的厂家大多依靠进口国外品牌的核心元器件，然后再在国内组装，所以成本总体也不低，主要是人工成本较低。另外国产有源电力滤波器的通病就是并联技术，IGBT并联技术还不过关。但是未来的趋势肯定是核心器件国产化后，国内APF厂家的价格也许才会真正降到很低。 另外，有源电力滤波器出来10年左右，市场上有部分打着国外欧美公司品牌(如意大利、美国)的旗号，游龙混杂，有些品牌名字看着大气，实际上是国内生产的，满足国内市场扬眉崇外的心理，所以要注意辨别。

有源电力滤波器的要求及应用

有源电力滤波器通过电流互感器检测负载电流，并通过内部DSP计算，提取出负载电流中的谐波成分，然后通过PWM信号发送给内部IGBT，控制逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等，方向相反的谐波电流注入到电网中，达到滤波的目的。 有源电力滤波器是现代化工业的主要副产品之一，随着工业现代化程度提高，谐波的问题日益严重。这主要是现代化工业的用电方式发生了巨大的变化。传统工业的主要电力负荷是电动机和电阻加热设备，这些设备是线性负载，不会产生谐波电流。而现代化工业的主要电力负荷是电流变换器，包括变频器、中频炉、直流电机驱动器等，这些负荷都是非线性负载，工作时产生严重的谐波。 另一方面，大部分配电系统，包括变压器、开关柜、继电保护器、无功补偿柜等，都是按照线性负荷设计的。当实际负荷为非线性负荷时，对配电系统造成严重的危害，轻则导致系统过热、不稳定，重则损坏配电设备。 解决这个问题的最好方法就是在非线性设备的电源输入端安装有源电力滤波器，将非线性负荷转变为线性负荷，谐波导致的各种问题便迎刃而解。这种安装在设备的电源输入端的谐波滤波器就是设备级谐波滤波器。 有源电力滤波器的特殊要求 设备级有源电力滤波器与母线级谐波滤波器有不同的要求。设备级有源电力滤波器与所配的设备一同构成一个完整的系统，谐波滤波器的作用是保证这个系统的谐波电流发射满足特定的标准，例如，GB17625标准。因此，设备级有源电力滤波器要满足一下四个方面的要求： 1）不与系统发生不良作用：配装了谐波滤波器的设备可能在任何系统中使用，而任何情况下都不允许与系统之间发生不良的相互作用，例如与系统发生谐振，放大谐波电流。 2）不会导致超前的功率因数：设备配装了滤波器，功率因数要达到0.98以上，不允许出现过大的感性无功功率和容性无功功率； 3）滤波效果确定：滤波器与特定设备组合起来后，谐波电流发射必须是确定的，与系统的参数无关，这样才能确保设备安装了滤波器后，满足特定的要求；

有源电力滤波器仿真研究(有参考)

０引言 随着电力电子装置的广泛应用，各类非线性负载产生的谐波和无功功率对电网的危害也日益严重。有源电力滤波器ＡＰＦ（ＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＦｉｌｔｅｒ）作为一种理想的谐波无功补偿装置，能够对频率和幅值均发生变化的谐波和无功进行补偿，弥补了传统无源电力滤波器的不足，具有比无源电力滤波器更好的补偿性能，因而得到了迅速的发展，在国外已开始应用于实际生产中。 目前，我国对ＡＰＦ的研究和开发尚处于实验阶段，暂时没有大容量的成熟产品投入使用，因此对ＡＰＦ的研究具有十分重要的意义［１］。 １ＡＰＦ工作原理［２－３］ ＡＰＦ由２大部分组成：谐波和无功电流检测电路 及补偿电流发生电路（由补偿电流控制电路、驱动隔离电路和主电路３个部分构成），ＡＰＦ工作原理示意图如图１所示。前者的作用是检测出负载电流中的谐波和无功电流等分量；后者的作用是根据检测出来的谐波和无功电流等产生相应的补偿电流。其中， 补偿电流控制电路是补偿电流发生电路的核心环 节，负责根据补偿电流指令信号，由控制算法计算得到主电路每相桥臂各功率开关器件的触发脉冲；隔离与驱动电路负责驱动主电路ＩＧＢＴ开关；主电路用来产生补偿电流。与ＡＰＦ并联的高通滤波器ＨＰＦ（ＨｉｇｈＰａｓｓＦｉｌｔｅｒ）能滤除ＡＰＦ所产生的补偿电流中开关频率附近的谐波。 ＡＰＦ的基本工作原理是：谐波无功电流检测电路将负载电流ｉＬ中的谐波电流ｉＬｈ和无功电流ｉＬｑ分离出来，然后把它们反相并产生出补偿电流ｉｃ的调制波信号ｉｃ＊，亦即指令信号ｉｃ＊＝ｉＬｈ＋ｉＬｑ。补偿电流控制电路根据ｉｃ＊的值输出触发脉冲，通过驱动隔离电路驱动主电路的功率开关，使其创建出补偿电流ｉｃ，ｉｃ要跟踪ｉｃ＊，故ｉｃ≈－ｉｃ＊，因此 ｉｓ＝ｉＬ＋ｉｃ＝ｉＬ＋ｉｃ＊＝ｉＬ－（ｉＬｈ＋ｉＬｑ）＝ｉＬｐ （１）即电源电流ｉｓ中只含有基波有功分量ｉＬｐ，从而达到消除谐波和补偿无功功率的目的。根据此原理，对于三相ＡＰＦ，还能对电流的不对称度和负序电流等进行补偿。另外，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，在电网向ＡＰＦ直流侧储能元件充电时作为整流器工作，由于其既能工作在逆变状态又能工作在整流状态，故可称作变流器。 ＡＰＦ控制系统中谐波无功电流的检测和补偿电流控制２部分控制方法的选取是影响ＡＰＦ性能的关键。 ２ＡＰＦ谐波和无功电流检测方法 准确、实时地检测出电网中瞬态变化的畸变电流是ＡＰＦ进行精确补偿的关键。谐波电流检测方法主要有以下几种［２－３］：模拟带通滤波器（或陷波器）检测法、基于频域分析的快速傅里叶变换ＦＦＴ（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）检测法、 基于现代控制理论的检测法、瞬时波形比较法、自适应检测法和基于瞬时无功功率理论的检测法。其中，常用的是基于瞬时无功功 有源电力滤波器仿真研究 华晓萍，王 奔，孟凌凌，兰金茹，孟庆波 （西南交通大学电气工程学院，四川成都６１００３１） 摘要：叙述了有源电力滤波器ＡＰＦ（ＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＦｉｌｔｅｒ）的基本原理，分别介绍了组成ＡＰＦ的谐波和无功电流检测电路、补偿电流发生电路的构成和功能，在此基础上，介绍了常用的ＡＰＦ的谐波和无功电流检测方法、补偿电流控制方法和直流侧电压控制方法。为了验证ＡＰＦ的补偿功能同时加深对其控制方法的认识和理解，用Ｍａｔｌａｂ６．５／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ下的ＳｉｍＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓＢｌｏｃｋｓｅｔ对整个三相并联电压型ＡＰＦ系统进行了仿真研究。仿真结果表明，电压空间矢量脉宽调制ＳＶＰＷＭ（ＳｐａｃｅＶｅｃｔｏｒ ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）控制的ＡＰＦ能对负载电流中的谐波和无功分量进行快速精确的补偿。 关键词：有源电力滤波器；谐波和无功电流检测；补偿电流控制；Ｍａｔｌａｂ仿真中图分类号：ＴＮ７１３；ＴＭ７１４．３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６－６０４７（２００７）０１－００４２－０４收稿日期：２００６－０３－１５；修回日期：２００６－０７－０１ 电力自动化设备 ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｖｏｌ．２７Ｎｏ．１Ｊａｎ．２００７ 第２７卷第１期２００７年１月 图１ＡＰＦ基本工作原理 Ｆｉｇ．１Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒ 负载 驱动隔离电路 补偿电流控制电路 谐波无功电流检测电路 ｅｓ ｉｓ ＲＬ ＨＰＦ ＡＰＦ ｉＬ ｉｃ ｉｃ＊

有源电力滤波器设计

有源电力滤波器设计 摘要：以三相系统中的电网电流为研究对象，介绍了有源电力滤波器的系统结构和工作原理，讨论了主要元件参数的设计和计算。 键词：有源电力滤波器；滤波器设计；谐波检测 O 引言 近年来，公用电网受到了谐波电流和谐波电压的严重污染，而电力电子装置是其主要的谐波污染源。随着电力电子装置的日益广泛应用，电网中的谐波污染也日益严重，并影响到供电质量和用户使用的安全性，因此电网谐波污染的治理越来越受到关注。 有源电力滤波器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，能对大小和频率都变化的谐波及无功功率进行补偿。和传统的无源滤波器相比，有突出的优点。 (1)对各次谐波和分数谐波均能有效地抑制，且可提高功率因数； (2)系统阻抗和频率发生波动时，不会影响补偿效果。并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； (3)不会产生谐振现象，且能抑制由于外电路的谐振产生的谐波电流的变化； (4)用一台装置就可以实现对各次谐波和基波无功功率的补偿； (5)不存在过载问题，即当系统中谐波较大时，装置仍可运行，无需断开等。 由以上可看出，它克服了传统的无源滤波器的缺点，具有良好的调节性能，因而有很大的发展前途。 本文对适用于电力系统的有源电力滤波器的原理和设计进行介绍。 l 有源电力滤波器系统结构 有源电力滤波器系统结构如图l所示。

有源电力滤波器的基本工作原理是：实时检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算单元计算出补偿电流指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大产生补偿电流，补偿电流与负载电流中需用补偿的谐渡及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。在图1中的体现是，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负载电流iL中的谐波分量iLb后，将其反极性作为补偿电流的指令信号iC*，再由补偿电流发生电路产生补偿电流ic，其中补偿电流ic与负载电流中谐波分量iLh大小相等，方向相反，因而两者相互抵消，使得电源中电流中只含基波，达到消除电源电流中谐波的目的。 图1为有源滤波器的系统框图。通过霍尔传感器检测非线性负载的电流iLa、iLb、iLc经电流信号调理后送入指令电流产生电路，指令电流产生模块是由TI公司的DSP TMS320LF2407为核心建立的。DSP计算出需要补偿的谐波和无功电流后，通过外部D／A送入电流跟踪控制电路。霍尔传感器检测有源电力滤波器主电路的电流ica、icb、icc，经电流信号调理后也送入电流跟踪控制电路，电流跟踪控制电路对主电路补偿电流与指令电流进行滞环比较后送出栅极开关驱动信号，驱动电路接受来自前级电流跟踪控制电路的PWM信号，并经隔离放大后驱动主电路的开关管，以控制主电流的电路跟随指令电流的变化，最终达到实时补偿谐波与无功功率的目的。电压传感器检测变流器直流侧总电压，经电压信号调理后送入指令电流发生电路，通过合理的控制以凋节直流侧电压的稳定。启动、关断和保护模块按一定的时序控制装置的启动和关断，并提供装置的过流、过压、过热、缺相等故障保护功能。 2 有源电力滤波器主电路设计 设计主电路时，应首先确定主电路的形式，目前，有源电力滤波器主电路的形式绝大多数采用电压型，本文选择主电路为并联电压型、单个变流器的形式。 主电路设计需要解决的问题是：主电路容量的计算；开关器件的选择及其参数的确定；对补偿电流的跟踪特性起决定作用的参数(输出电感L、直流侧电容电压Ud、滞环宽度δ)的设计；按所选器件要求的驱动电路的设计以及整个装置的各种保护电路设计。 2．1 主电路容量的计算 有源电力滤波器的容量SA由式(1)确定 式中：E为电网相电压有效值； Lc为补偿电流有效值。 如果所设计装置的容量为15 kVA，则 Ic=SA/3E=15x103/3x220=22．7 A 2．2 功率开关器件的选取 目前适用于APFP中的全控型开关器件主要有GTR、IGBT、IGCT等，器件的选择，首先应当满足工作频率和器件容量的要求，当单个器件的容量难以满足要求时，可考虑采用器件的串并联或主电路多重化等方式。其次，再考虑它们的价格。 器件的种类确定后，再确定其额定参数。其中，额定电压由直流侧电压决定，并考虑适当的安全裕量。额定电流由补偿电流决定。 2.3 主电路滞环宽度的选取 由于有源电力滤波器的指令电流包含高次谐波和暂态电流，故要求实际输出的电流对指令电流有很高的跟踪能力。在有源电力滤波器的补偿对象已确定的情况下，有源电力滤波器主电路参数的选取，对有源电力滤波器的性能和效率有较大的影响。 下面以A相为例，分析采用滞环控制时逆变器的工作频率f与电网电压ea、变流器直流侧电压Ud及

浅谈有源电力滤波器设计

综述 随着大容量电力电子装置在高压交流电力系统中日益广泛的应用，谐波和无功等问题严重地威胁着系统自身的安全稳定运行。针对10~35kV高压交流电力系统，国内外目前主要采用无源电力滤波器来抑制谐波并补偿无功功率。无源电力滤波器具有诸多的缺陷，难以达到理想的性能。受功率半导体开关器件的约束，有源电力滤波器常规技术方案的应用限制在低压交流电力系统。提出一种基于基波磁通补偿的串联型有源电力滤波器新原理，通过电力电子变换器的控制，使串联变压器对基波呈现很小的一次侧漏阻抗，对谐波呈现很大的励磁阻抗。通过电力电子变换器的控制，变压器一次侧呈现连续无极可调的电抗。借鉴基波磁通补偿理论及磁通可控的可调电抗器原理，根据串并联的对偶特性，本文提出一种新型的基于阻抗可控的并联混合型有源电力滤波器。在电力电子变换器的控制下，变压器对谐波电流呈现近似为零的低阻抗，从而输导电力系统中的谐波电流，同时对基波电流呈现连续无极可调的电抗，与无源电力滤波器相结合，实时补偿系统的无功功率。通过变压器隔离降压，确保该滤波器安全、可靠、稳定地工作。

1 工作原理 1.1 变压器的结构 变压器的结构如图1所示。其一次侧AX与二次侧ax的匝数分别为W1、W2，变比k=W1/W2，一次侧与二次侧的互感为M。一次侧绕组的电阻为r1，自感为L11。变压器采用非晶态合金铁心，为了确保变压器工作在B-H曲线的线性区，铁心开有气隙。利用电压型逆变器向变压器二次侧绕组中注入补偿电流i2且满足i2=-α*∑i1(n)-β*i1(1) 式中：α为谐波补偿系数；∑i1(n)为实时检测的变压器一次侧谐波电流；β为基波补偿系数；i1(1)为实时检测的变压器一次侧基波电流。 1.2 谐波抑制原理 从AX端看，变压器n次谐波电压方程为ù1(n)=（r1+jW n L11）/ì1(n)+jW n Mì2(n) 若α满足谐波补偿条件α=L11/M 则从AX端看，变压器对谐波电流的等效阻抗为Z AX(n)=ù1(n)/ì1(n)=r1通常r1可忽略，因此，在满足谐波补偿条件时，变压器对谐波电流呈现近似为零的低阻抗。谐波等效电路如图2所示。

有源电力滤波器的基本原理和分类

有源电力滤波器的基本原理和分类 1．有源电力滤波器的基本原理 有源电力滤波器系统主要由两大部分组成，即指令电流检测电路和补偿电流发生电路。 图1 有源滤波器示意图 指令电流检测电路的功能主要是从负载电流中分离出谐波电流分量和基波无功电流，然后将其反极性作用后发生补偿电流的指令信号。电流跟踪控制电路的功能是根据主电路产生的补偿电流，计算出主电路各开关器件的触发脉冲，此脉冲经驱动电路后作用于主电路。这样电源电流中只含有基波的有功分量，从而达到消除谐波与进行无功补偿的目的。根据同样的原理，电力有源滤波器还能对不对称三相电路的负序电流分量进行补偿。 有源电力滤波器的主电路一般由PWM逆变器构成。根据逆变器直流侧储能元件的不同，可分为电压型有源滤波器(储能元件为电容)和电流型有源滤波器(储能元件为电感)。电压型有源滤波器在工作时需对直流侧电容电压控制，使直流侧电压维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电压波。而电流型有源滤波器在工作时需对直流侧电感电流进行控制，使直流侧电流维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电流波。电压型有源滤波器的优点是损耗较少，效率高，是目前国外绝大多数有源滤波器采用的主电路结构。电流型有源滤波器由于电流侧电感上始终有电流流过，该电流在电感阻上将产生较大损耗，所以目前较少采用。 图2 电压型有源滤波器

图3 电流型有源滤波器 2．有源电力滤波器的分类 按电路拓朴结构分类，电力有源滤波器可分为并联型、串联型、串－并联型和混合型。 图4 并联型有源滤波器 图4所示为并联型有源滤波器的基本结构。它主要适用于电流源型非线性负载的谐波电流抵消、无功补偿以及平衡三相系统中的不平衡电流等。目前并联型有源滤波器在技术上已较成熟，它也是当前应用最为广泛的一种有源滤波器拓补结构。 图5 串联型有源滤波器 图5所示为串联型有源滤波器的基本结构。它通过一个匹配变压器将有源滤波器串联于电源和负载之间，以消除电压谐波，平衡或调整负载的端电压。与并联型有源滤波器相比，串联型有源滤波器损耗较大，且各种保护电路也较复杂，因此，很少研究单独使用的串联型有源滤波器，而大多数将它作为混合型有源滤波器的一部分予以研究。 图6 混合型有源滤波器 图6所示为混合型有源滤波器的基本结构。它是在串联型有源滤波器的基础上使用一些

基于DSP的有源电力滤波器设计

一一收稿日期:2013-10-21基金项目:西北民族大学中央高校基本科研业务费专项资金资 助项目(31920130013) 作者简介:王彩霞(1974),女,河南荥阳人,硕士,副教授,主要研究方向为控制理论,计算机控制系统分析设计等三 基于DSP 的有源电力滤波器设计 王彩霞,周志文 (西北民族大学电气工程学院,兰州730030) 一一摘要:随着非线性负载的大量接入和电力系统自身的发展,电力系统中的谐波污染日益严重,谐波影响着电力系统的可靠二安全二经济运行,同时对电力用户也造成潜在的威胁三该文设计了以TMS320F2812型DSP 为核心的有源电力滤波器对电力系统的谐波进行了补偿三完成硬件电路的搭建和软件程序编制,对性能二参数进行了测试,测试结果表明设计的滤波器具有电路结构简单二补偿效果好等优点三 关键词:有源电力滤波器;谐波;DSP ;电压矢量控制 中图分类号:TM46一一文献标志码:A一一文章编号:1000-0682(2014)04-0023-03 The design of active power filter based on DSP WANG Caixia,ZHOU Zhiwen (College of Electric Engineering ,Northwest Minorities University ,Lanzhou 730030,China ) 一一Abstract :Along with the access of nonlinear load and the development of electric power system,the harmonic pollution in power system is deteriorating.Harmonic not only affects the reliability,safety and economic operation of power system but also poses potential risks to power users.An active power filter with TMS320F2812DSP as the core is designed for harmonic compensation for power system.After the hardware circuit configuring,software programming and circuit debugging,the system performances and parameters are tested and studied.The testing results show that the designed filter has the advantages of simple circuit structure and good compensation effect. 一一Key words :active power filter(APF);harmonic;DSP ;voltage vector control 0一引言 电力系统中谐波的产生有两个原因,一个是由接入系统的非线性负载产生的,这类负载的伏安特性不是线性的,即使加在其两端的电压是理想的正弦,通过的电流也不是正弦,含有谐波,使得电力系统的电能质量受到了严重影响三另一个是电力系统自身的发展所产生的,如高压直流输电技术的应用,对电力系统带来的污染也日益严重三随着电力系统自身的发展和用电设备的不断更新,预计谐波对终端用户侧的影响将会越来越严重三因谐波干扰所引发的公用电网供电质量日趋恶化,严重的威胁着整 个电力系统的可靠运行[1]三 传统的抑制谐波的方法是无源滤波技术,由电 阻二电力电容器和电抗器等器件构成LC 无源滤波器,与需要补偿的负载并联三无源滤波器具有结构简单二使用方便的优点,但也存在如LC 滤波器只能抑制固定次的谐波,且在一定频率谐波条件下会产生谐振,反而使谐波放大,LC 滤波器滤波特性受系统参数的影响较大等缺点三尽管如此,LC 滤波器仍然是目前补偿谐波主要方法三 近几年随着电力电子技术的发展,出现了用电力电子变流器构成有源电力滤波器(Active Power Filter,简称APF)对电力系统的谐波进行补偿三与传统无源滤波器相比,有源滤波器具有如下明显的 优越性能: 1)能够迅速地对变化的谐波进行动态跟踪补偿,补偿效果不受电网特性的影响,不会和电网发生谐振,补偿后畸变率很低且功率因数接近1; 四 32四2014年第4期一一一一一一一一一一一一一一一工业仪表与自动化装置

有源电力滤波器

顾名思义该装置需要提供电源，其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点（传统的只能固定补偿），实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功；三相电路瞬时无功功率理论是APF发展的主要基础理论；APF有并联型和串联型两种，前者用的多；并联有源滤波器主要是治理电流谐波，串联有源滤波器主要是治理电压谐波等引起的问题。有源滤波器同无源滤波器比较，治理效果好，主要可以同时滤除多次及高次谐波，不会引起谐振，但是价位相对高！ 二、基本原理： 有源电力滤波器，是采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器（DSP）对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制（PWM）信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动IGBT或IPM功率模块，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。 三、基本应用： 谐波主要危害： ? 增加电力设施负荷，降低系统功率因数，降低发电、输电及用电设备的有效容量和效率，造成设备浪费、线路浪费和电能损失； ?引起无功补偿电容器谐振和谐波电流放大，导致电容器组因过电流或过电压而损坏或无法投入运行； ? 产生脉动转矩致使电动机振动，影响产品质量和电机寿命； ? 由于涡流和集肤效应，使电机、变压器、输电线路等产生附加功率损耗而过热，浪费电能并加速绝缘老化； ? 谐波电压以正比于其峰值电压的形式增强了绝缘介质的电场强度，降低设备使用寿命； ? 零序（3的倍数次）谐波电流会导致三相四线系统的中线过载，并在三角形接法的变压器绕组内产生环流，使绕组电流超过额定值，严重时甚至引发事故。 ? 谐波会改变保护继电器的动作特性，引起继电保护设施的误动作，造成继电保护等自动装置工作紊乱；