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课程名称 有源电力滤波器与谐波抑制 A卷（开卷）

内 容 选 题 阅 读 、 用 要 点 综 述 文 章 结 总 分 引构

阅卷人 分得数 分 １５ ３０ ４０ １５ １００ 结合课程学习内容，查询相关科技文献，以综述报告的形式，就有关专题对有源电力滤波器及谐波抑制方面的技术发展动态及现状展开综述，题目可以是有源电力滤波器应用、有源电力滤波器结构、谐波电流检测方法、有源电力滤波器控制策略、有源电力滤波器协调控制、有源电力滤波器容量等级确定、功率器件选择、功率主回路控制策略、主功率回路拓扑结构等方面或其它与有源电力滤波器相关的专题，要求综述正文至少3000字以上。相关文献检索不少于5篇 (要求必须包含英文文献)。 要求： 1. 综述报告文章题目自己拟定；

2. 综述报告应至少包括: 题目, 正文, 参考文献等几部分； 3. 在每一页右上角注明学号和姓名、右下角注明共 页，第 页； 4．报告最后一页末行注明：“学习小组成员”。

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本试题适用于 2015 年春季学期 电气工程 电气工程（专业学位）学科、专业（硕士）

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并联型有源电力滤波器

1.谐波产生原因

随着电网拓扑结构和电路负荷的多样性增加，谐波污染对电网系统的影响越来越严重并且引起了人们广泛的关注。大功率开关器件迅猛发展和控制技术的逐渐成熟，电力电子技术在很多场合下得到了广泛的应用，使得目前电网谐波污染的主要因素日益增多。 具体而言，电网中的谐波源主要有以下几种：

（1）电网中大功率电力器件及其技术的应用，特别是直流电逆变成为交流电技术的应用。 （2）大规模的使用工业用电弧炉，消耗大量的无功功率，增加大量的谐波电流到公共电网中。 （3）随着电力网络的发展，各种规模的电力变压器的应用使得电网谐波增加， 其主要原因与铁芯结构、材料、励磁电流、变压器联结方式都有着密切的关系。

（4）随着经济的发展，个人用电设备日益增多，主要包括电视、空调、照明灯、电脑等，虽然这些设备的单机工作产生的谐波不多，但是由于数量庞大，且分布不均，使得传统谐波抑制方式不能有效滤除谐波。

多数情况下，电网中的谐波分量不会给电网结构和电气设备造成危害，但是会影响电网质量，降低设备使用寿命以及增大设备之间的电磁干扰。在谐波源切入或者切除电网时会对电网带来巨大的冲击，使得电网维护费用大大增加。

谐波治理的措施主要有两种：一是主动治理，即从谐波源本身出发，使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波分量；二是被动治理，即外加滤波器，阻碍谐波源产生的谐波注入电网，或者阻碍电力系统的谐波流入负载端。

2.有源电力滤波器及其关键技术

有源滤波器的基本工作原理是通过向被污染的电网注入一定补偿电流来抵消非线性负载所产生的谐波电流分量的滤波装置，其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制方法的缺点，既可补偿非线性负载产生的高次谐波，又能自动适应电网阻抗和频率的快速变化，并且具有高可控性和快速响应性。

有源电力滤波器的关键技术包括电网谐波检测方法、产生补偿电流的控制方法和直流侧电压控制技术。 2.1电网谐波检测方法

2.1.1 基于瞬时无功功率的检测方法

赤木泰文最初提出的瞬时无功功率理论亦称 p ? q理论，以瞬时功率 p 和瞬时无功功率q的定义为基础；ip ? iq法不仅在电网电压畸变时适用，在电网电压不对称时也同样有效。 （1）基于 p ? q理论检测电网谐波的原理

如图所示为 p ? q谐波检测方法的原理。p ? q谐波检测方法根据瞬时无功功率理论定义，计算出三相电路瞬时有功功率 p 和瞬时无功功率q，再经过低通滤波器滤波后，可得到瞬时有功 p 及瞬时无功q的直流分量 p 、q。当电压无畸变时，p 的定义为基波有功电流与电压作用所产生，q的定义为基波无功电流与电压作用所产生。于是，经过Clark的逆变换，

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即可由直流分量p、q计算得出三相电流的基波分量iaf、ibf、icf。根据基尔霍夫电流定律，负载侧电流和基本电流分量的差值即为电网中的谐波电流分量iah、ibh、ich。

图1.p ? q谐波检测方法示意图

（2）基于ip ? iq理论检测电网谐波的原理

图2.基于ip ? iq理论的谐波检测方法示意图

如图2所示为基于ip ? iq理论的谐波检测方法示意图。在ip ? iq检测谐波的方法中，正弦信号sin ω t与 A 相电网电压同相位和相对应的余弦信号cos ω t，它们由一个 PLL 和正余弦信号发生电路产生。根据瞬时无功功率理论可以计算得出瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq，提取其中的直流分量在ip 、 iq后，再经Clark 反变换即可计算出三相基波有功分量iaf、ibf、icf，根据基尔霍夫电流定律，负载侧电流和基本电流分量的差值即为电网中的谐波电流分量iah、ibh、ich。

2.1.2 基于 Fryze 时域分析的有功电流检测方法

根据傅里叶变换分析，当被补偿的波形具有周期性，谐波检测方法才具有较高的精度。首先，将利用FFT分解检测到的一个周期的谐波信号，分离出各次谐波的幅值和相位。然后，将需要滤除的谐波分量通过带通滤波器，计算出所需的误差信号，最后将该误差信号进行FFT反变换即可得到补偿信号。其优点是可以滤去特定次的谐波，并且通过附加计算该方法还可

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以通过电网电压基波分量与负载电流基波分量的相位关系，计算得出负载电流的基波有功和无功电流，因此方法受电网的影响较小。该方法的缺点：由于需要进行大量的FFT变换和FFT反变换，使得谐波检测结果有较大的时间延迟，谐波补偿的实时特性较差。另外，当电网电压波形畸变严重或频率波动时，会引入较大的非同步采样误差，影响谐波检测结果的精度。 2.1.3 基于频率分析的快速傅氏变换检测法

基于频率分析的快速傅氏变换检测法的基本原理：将负载侧电流瞬时值分解为两个正交分量，其中有功电流分量与电网电压波形完全一致，负载电流与有功电流的差值包含了基波无功电流分量和谐波电流分量，称为广义无功电流分量。

这种方法的是建立在已知负载有功功率和电网电压的有效值，才能做基于频率分析的快速傅氏变换，否则大量的计算负载的有功功率和电网电压的有效值，会造成广义无功电流瞬时值有周期以上的时间延迟，使得有源滤波器的实时特性较差，故不适合用于频率变化负载的补偿。另外，仅仅区分有功电流和广义无功电流，无法将基波无功电流分量和谐波电流分量从基波电流中分离出来，因此这种方法只能适合用于全补偿的场合。 2.2 补偿电流的控制方法

并联型有源电力滤波器的主电路采用电压源型PWM逆变器，实际补偿电流跟踪指令电流的控制策略是其关键技术之一。由于主电路中谐波分量主要是由高次谐波分量组成的畸变电流，所以有源电力滤波器输出的补偿电流必须能够跟踪变化率较高的谐波电流分量。 2.3 直流侧电压的控制

当电力有源滤波器电容两端直流电压保持足够高且稳定的电压，有源滤波器才能正常工作，达到电网要求的补偿效果。因此对于并联有源电力滤波器而言， 直流侧电压的控制是实现系统功能的关键技术。

直流侧电压的控制方式可分为两种：一种是单独为直流侧电容提供稳定的电压源；另一种方法是通过适当的控制，使直流侧电容直接从电力有源滤波器交流侧获取能量并维持其电压为给定值。第一种方法增加了装置的复杂性，提高了维护和运行的费用，使得补偿装置的体积过大和成本得到过高，因此该方法很少被使用。而第二种方法的应用比较广泛。

3.三相三线制并联型电力有源滤波器

3.1 电路拓扑结构

如图3所示为三相三线制并联型有源电力滤波器的电路拓扑图。

（1）非线性负载：负载是一个产生谐波电流的三相不可控整流桥式电路，整流桥的直流侧为阻性负载。

（2）电流采样电路：整个实验电路设计为9组采样电路，采样点分为电源侧电流如图中ia1、ib1、ic1用以观测补偿后的电流波形；负载侧电流采样点ia2、ib2、ic2用以计算得出电路中谐波电流分量；补偿侧电流ica、icb、icc用以检测实际逆变器输出的补偿电流分量。 （3）电压采样电路：直流侧电压采样用以控制电压的稳定。

（4）电压过零比较电路：检测电网线电压AC的过零点，通过换算得到电网A相电压的过零

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点，用以作为补偿电流计算的同步触发信号。

（5）输出滤波器：用以滤除逆变器高频通断所产生的谐波。

（6）DSP及其外围电路：三相三线制有源电力滤波器的控制核心板，主要用途计算电网谐波分量，并输出逆变器控制信号。

（7）IPM隔离、驱动及保护电路：驱动 、隔离及保护大功率逆变器IPM。

图3 三相三线制并联型电力有源滤波器电路拓扑

3.2 三相三线制有源电力滤波器工作原理

三相三线制并联型有源电力滤波器的主电路工作原理：通过实时检测含有谐波分量的负载侧电流i2(t),根据瞬时无功功率方法计算出谐波分量ih(t),通过相应的控制策略控制逆变器的通断向电网注入补偿电流ic(t)并使得ic(t)=-ih(t)，便可以补偿被污染的电网的高次谐波，从而获得较高的功率因数。

并联型有源电力滤波器的结构复杂，并且电路各部分之间互有耦合。在建立电路方程模型时，我们对原有的拓扑结构进行一些简化，在不影响有源滤波器主要特性的前提下，使得建模工作相对简单直观，简化的部分如下：

（1）将主电路的开关器件IGBT和反并联的续流二极管理想成一个双向开关，即不考虑它的通态压降。

（2）认为电容两端直流侧电Udc 为一理想的电压源，即认为直流测电压没有波动。 （3）认为输出上串联的电感是线性的。

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（4）不考虑IGBT的死区影响。

（5）忽略三相电路中的内阻Ra、Rb、Rc。

（6）假设三相电源电压之和ea+eb+ec=0，并根据该电路有ica+icb+icc=0。 基于上面的假设和图3的电路拓扑结构，我们得出如下的等式：

式中SaUc表示A相桥臂中点与电源中点的电压，SbUc表示B相桥臂中点与电源中点的电压，ScUc表示C相桥臂中点与电源中点的电压，Uc表示电源中点之间的电压，Sa、Sb、Sc分别为 A、B、C 三相的开关系数，Sa+Sb+Sc=0，Sa、Sb、Sc的值与主电路工作模式之间的关系如下表所示：

表1 主电路工作模式和开关系数

3.3 并联型有源电力滤波器主电路参数的选取 3.3.1 开关器件的工作频率的选取

逆变器 IPM 中 IGBT 的开关时间tc的确定：tc的时间按长短的选取决定逆变器补偿效果的好坏。即当tc越长，补偿后电源侧电流的纹波越大；反之，纹波越小，但会带来损耗过高的问题。设开关器件所支持的最大开关频率fT，则有：

对于fT= 20KHz的开关器件，有tc≧50us。选择 12.8KHz 为控制系统开关器件的工作频率。

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3.3.2 直流侧电压的确定

逆变器两端并联的电容的直流电压的大小影响这实际装置对谐波分量的补

偿效果。电容两端直流侧电压Uc最小值应该大于交流侧相电压峰值的 3 倍，否则由于电容容量过小不足以提供足够多的能量，从而影响系统对谐波分量补偿。从装置实际成本和补偿谐波分量的效果两方面考虑。一般有，

Uc=1.5*3Em

3.3.3 补偿装置容量的确定

三相三线制并联型有源电力滤波器的容量与补偿电流大小有关。Sc可由下式确定：

Sc =3EIC

只补偿非线性负载所带来的谐波分量时，IC =ILh，对于逆变器来讲，IL≈ILh，故补偿容量约为补偿对象容量的 25%；当在补偿谐波分量的同时还需要补偿电路中无功分量时，要求的装置的容量将比只补偿谐波时大，并且与逆变器的最大触发延迟角有关。

4.参考文献

[1]徐万方，基于 DSP 的新型混合有源滤波器 SRTHAF：[硕士论文]，长沙：中南大学，2004 [2]Hidealti F., The integration of series and shunt-active filters, IEEE Traps on Power Electronics, Vol.13, N02. 124~128

[3]赵昕，并联型电力有源滤波器的研究：[硕士论文]天津：天津大学，2008

[4]曾晓东，并联型有源电力滤波器直流侧电压模糊控制方法的研究。中国仪器仪表 2008 1：39~43

[5].Rambir Singh,1 Asheesh K. Singh1 and Rakesh K. Arya2 Approximated fuzzy logic controlled shunt active power filter for improved power quality Expert Systems, May 2013, Vol. 30, No. 2 [6]周林，孟婧，徐会亮等，并联有源电力滤波器三角载波与滞环比较控制策略比较与仿真，中国电力 2008，41（4）：25~30

小组成员：张大鹏，吕稼先，梁洪录，边天元

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