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单相有源电力滤波器的研究电气工程及其自动化专业林鹏（069064118）指导教师陈宗祥副教授摘要：随着电力电子技术的发展，非线性器件在电力系统中得到越来越广泛的应用，由此也给系统的运行带来了一系列的问题，其中最为严重的就是谐波污染和无功功率损耗。有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波和无功补偿的新型电力电子装置，它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只能吸收固定频率的谐波而且容易发生并联谐振的不足。在各种有源电力滤波器中，并联型有源电力滤波器应用最广，本论文重点研究基于单位功率因数（UPF）和瞬时无功功率理论的单相并联电压型有源电力滤波器。有源电力滤波器的两大关键技术是谐波与无功电流的检测技术和补偿电流控制技术。为了验证各种检测和控制方法的正确性和性能的优劣，并加深对有源电力滤波器工作原理的认识和理解，论文用MATLAB/SIMULINK对单相并联电压型有源电力滤波器系统进行了仿真研究。关键词：单相有源电力滤波器；谐波电流检测；电流控制；MATLAB仿真Abstract：Withthedevelopmentofpowerelectronics,nonlinearloadsarewidelyusedinthepowersystem,whichbringaboutaseriousofproblemsonsystemoperation．Themostimportantareharmonicpollutionandconsumptionofreactivepower．Activepowerfilterisnewelectronicpowerequipmentwhichcancompensatevariedharmonicsandreactivepowerdynamically.Activepowerfiltercancompensatetheharmonicandreactivepowerwithvariablebothoffrequencyandamplitude,anditmakesupthedrawbackwhichthepassivepowerfilteronlycanabsorbtheharmoniesofsteadyfrequencyandeasilymakeparallelresonance．Amonglotsofkindsofactivepowerfilters,parallelactivepowerfiltersareusedmostwidely．Therefore,thesingle-phaseshuntvoltageactivepowerfilterisfocusedontheunitpowerfactorandtheinstantaneousreactivepowerdetectivemethod.Thetwokeytechnologiesareharmonicandreactivecurrentsdetection,andcompensationcurrentscontrol.Thepapersimulatesthesingle-phaseshuntvoltageactivepowerfilterusingMATLAB/SIMULINKinordertonotonlyvalidatethecorrectionandperformanceofdifferentdetectionandcontrolmethods,butunderstandprincipleofactivepowerfilterdeeply．KeyWords：Single-phaseActivePowerFilter,HarmonicCurrentDetection,CurrentControl,MATLABSimulation.一、绪论（一）谐波及无功消耗问题的提出1．谐波和无功功率的意义从电工学上知:有功功率P、无功功率Q、视在功率S，三者满足如图1.1所示的功率三角形，把有功功率与视在功率之比称为功率因数λ。SPQ图1.1功率三角形即：cosPUI（1-1）QUIcos（1-2）SUI（1-3）功率因数为：cos/PS（1-4）这说明当需求的有功功率一定时，功率因数越小，无功功率消耗越多，要求设备的总容量越大，则其设计制造越困难。因此，功率因数是用电部门很重要的技术指标，它的高低反映用电设备使用情况和电力的有效利用问题，同时也间接地反映了用电管理水平。对周期性非正弦电量进行傅里叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量外，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波[1]。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。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。谐波主要由谐波电流源产生，当正弦基波电压施加于非线性设备时，设备吸收的电流与施加的电压波形不同，电流因而发生了畸变，由于负荷与电网相连，故谐波电流注入到电网中，这些设备就成了电力系统的谐波源。2．谐波的危害及谐波标准随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通、家庭等众多领域中的应用日益广泛，由此带来的谐波（harmonics）和无功（reactivepower）问题[2]也日益严重，引起了越来越广泛的关注。许多电力电子装置要消耗无功功率，会对公用电网带来不利影响：（1）无功功率会导致电流增大和视在功率增加，导致设备容量增加。（2）无功功率增加，会使总电流增加，从而使设备和线路的损耗增加。（3）使线路压降增大，冲击性无功负载还会使电压剧烈波动。电力电子装置还会产生谐波，对公用电网产生危害，包括：（1）谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。（2）谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩短以至损坏。（3）谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振。（4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准确。（5）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。由于公用电网中的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本身都会造成很大的危害，衡量电力系统中谐波的大小必须有一个标准，通常谐波含量的表示方法有两种，一种是各次谐波在基波中的含有率，另一种是总的谐波畸变率[3]。（1）各次谐波含有率工程上常常要求给出电压或电流畸变波形中所含有的某次谐波含有率，这样有利于对各次谐波进行检测和采取抑制措施。电压畸变波形的第h次谐波电压含有率等于其第h次谐波电压方均根值Uh与其基波电压方均根值U1的百分比，用HRUh（HarmonicRatioUh）来表示：hHRU=hU1（/U）×100%（1-5）电流畸变波形的第h次谐波电流含有率等于其第h次谐波电流方均根值Ih。与其基波电流方均根值I1的百分比，用（HarmonicRatioIh）来表示：hHRI=（1/hII）×100%（1-6）（2）波形总畸变率波形畸变的程度经常用波形总畸变率THD（TotalHarmonicDistortion）来表示。电压谐波总畸变率为THDu和电流谐波总畸变率THDi分别定义为：uTHD=1(/)HUU×100％（1-7）1(/)iHTHDII×100％（1-8）其中谐波电压含量2h2HhUU，谐波电流含量2h2HhII。世界许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定限制谐波的规定。制定这些标准和规定的基本原则是限制谐波源注入电网的谐波电流，把电网谐波电压控制在允许范围内，使接在电网中的电气设备能免受谐波干扰而正常工作。世界各国所制定的谐波标准大都比较接近。我国由技术监督局于1993年发布了国家标准（GB／T14549-9（3）《电能质量公用电网谐波》，并从1994年3月1日起开始实施。3．电能质量的概念电能质量[4]（QualityofElectricity）是电力系统对用户供电的规范条件。在一个理想的交流电力系统中，电能是以一恒定的工业平率（我国为50Hz）和正弦的波形，按规定的电压水平向用户供电。在三相交流电力系统中各相电压和电流应该是幅值相等，相位相差120°的对称状态。所以电能质量一般用频率、电压、波形、三相电压和电流的不对称度来衡量。另外，电力系统频率的波动，电压的波动和闪变（波动的幅值和频率），直流输电系统中的电压脉动，供电的连续性（年不停电时间）、可靠性等也都是考核电能质量的指标。电压和频率是电气设备设计和制造的基本技术参数，也是衡量电能质量的两个基本指标[5]。我国采用的额定频率为50Hz，正常运行时允许的偏移为±0.2Hz~±0.5Hz。用户供电电压的允许偏移对于35kv及以上电压等级为额定值的±5%，10kv及以下电压等级为±7%。为保证电压质量，对电压正弦波形畸变率也有限制，波形畸变率是指各次谐波有效值平方和的方根值对基波有效值的百分比，对于6~10kV供电电压不超过4％，0.38kV电压不超过5％。电压和频率超出允许偏移时，不仅会造成废品和减产，还会影响用电设备的安全，严重时甚至会危及整个系统的安全运行。（二）谐波治理的措施1．无源滤波器无源滤波器是目前使用最为广泛的谐波治理措施，它利用电感、电容元件的谐振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，从而减小流向电网的谐波电流。无源滤波器成本低、技术成熟，还可以补偿无功功率，但存在以下不足[6]：（1）只能对特定谐波进行滤波。谐振频率依赖于元件参数，因此单调谐滤波器只能消除特定次数的谐波，高通滤波器只能消除截止频率以上的谐波。（2）滤波器参数影响滤波性能。由于调谐偏移和残余电阻的存在，调谐滤波器的阻抗等于零的理想条件是不可能出现的，阻抗的变化大大妨碍了滤波效果。LC参数的漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定。（3）对于谐波次数经常变化的负载滤波效果不好。当滤波器投入运行之后，如果谐波的次数和大小发生了变化，便会影响滤波效果。并且需要根据高次谐波次数的多少，确定需设置多个LC滤波电路。（4）滤波性能依赖于电网参数。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，对谐波电流的滤除效果受电力系统阻抗的影响较大。（5）可能与系统阻抗发生串并联谐振。无源滤波器可能与系统阻抗发生串联或并联谐振，从而使装置无法运行，使该次谐波分量放大，电网供电质量下降。（6）随着电源侧谐波源的增加，可能会引起滤波器的过载，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。（7）电容器组无功功率补偿能力与公共连接点电压的平方成正比关系，补偿效果并不理想。（8）消耗大量的有色金属，体积大，占地面积大。2．有源滤波器有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都发生变化的谐波以及变化的无功进行补偿，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。其特点如下[6]：（1）实现了动态补偿，可对频率和大小都发生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，且补偿无功功率的大小可做到连续调节；（3）补偿无功功率时不需贮能元件；补偿陷波时所需贮能元件容量也不大；（4）即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用；（5）受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振；（6）能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；（7）既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源进行集中补偿。（三）有源滤波器的现状及发展趋势早在20世纪70年代初期，日本学者就提出了有源电力滤波器的概念，当时由于电力电子器件制造水平的限制，这项技术没有引起广泛关注。进入80年代以后，大功率开关器件的迅速发展和赤木泰文（AKagiH）瞬时无功功率理论的提出，有源电力