论文总字数：15873字

摘 要

伴着家用及工业用的电能电子装置的使用越发频繁，各类变频组件、变流组件、开关电源和电抗组件产生的谐波污染也越来越严重，影响了电能系统的安稳运行及线路四周的电磁环境。同时损耗了大量的无功功率，给电网带来严重包袱，降低了电网的供电质量。

想解决严峻的谐波污染问题，有源电能滤波组件APF(Active Power Filter)是提高电能质量最有效的工具。有源电能滤波组件存在不相同的划分方法，经过从线路中电源两头电子组件接连方式层面能够被划分成并联方式、串联方式、串并联方式三种有源电能滤波组件。并联方式的有源电能滤波组件在工业行业现实使用中非常广泛，重点使用在补充能够当作电量源的谐波源领域;串联方式有源电能滤波组件重点使用在补充能够当作电压量型的谐波源领域。本文利用Matlab/Simulink中所提供的SimPower Systems工具箱等，对并联型有源电能滤波系统进行了建模与仿真分析。

关键词：有源电能滤波组件；谐波；MATLAB/SIMULINK仿真

Abstract

With the increasing use of household and industrial power electronic devices, the harmonics of various frequency converters, converters, switching power supplies and reactors are becoming increasingly serious, affecting the safe operation of the power system and the electromagnetic surroundings. While consuming a lot of reactive power, to the grid to bring a serious burden, reducing the quality of power supply grid "1]

For the severe harmonic pollution problem, the active filter APF (active power filter) is the most effective tool to improve the power quality. Active power filters can have different classification methods, Three active power filter modules are divided into parallel mode, serial mode and series parallel connection mode.The shunt active power filter module is widely used in the industrial field It is mainly used to compensate the harmonic source which can be regarded as the current source. The series active power filter is mainly used to compensate the harmonic source which can be regarded as the voltage type. Using the SimPower system toolbox provided in Matlab / Simulink, the modeling and simulation analysis of the parallel active power filter system

Key words: Active power filter;Harmonic; MATLAB / SIMULINK simulation

目录

第一章 基础知识介绍 1

1.1序言 1

1.2关于谐波和APF的相关知识介绍 1

1.2.1谐波基本概念 1

1.2.2谐波主要危害 2

1.2.3抑制谐波方法 5

1.3本课题研究的意义 6

1.4本课题研究方法 8

1.5本文主要内容 8

第二章 APF工作原理及谐波电流检测补偿 10

2.1 APF工作的基本原理和结构 10

2.1.1 APF工作的基本原理 10

2.1.2 APF结构 10

2.2 APF的谐波检验 12

2.2.1 基于傅立叶转换的检验方法 12

2.2.2 基于小波的检验方法 13

2.2.3 基于卡尔曼滤波组件的检验方法 13

2.2.4 瞬间无用功理论（p-q算法） 13

2.2.5 其他方法 14

2.3 APF补充电量控制方法 14

2.3.1 周期采样控制方法 14

2.3.2 三角波比较控制方法 15

2.3.3. 滞环比较控制方法 15

2.3.4 其他控制方法 16

第三章 模型搭建与仿真分析 17

3.1并联型有源电能滤波组件的工作原理 17

3.2 matlab/simulink特点 19

3.2.1 Matlab特点 19

3.2.2 Simulink特点 19

3.2.3 SimPowerSystems特点 19

3.3 并联型三相有源电能滤波组件matlab仿真模型搭建 20

3.4仿真运行结果分析 22

3.5结论 23

引用文献 1

致谢 2

第一章 基础知识介绍

1.1序言

电能被看作当下社会的重要能源之一，被普遍应用在各个行业当中，优质以及劣质的电能针对社会经济综合发展有直接的作用。理想状况下，电能供给工程使用用电装置完成供电的时候，需要保证三相均衡对称，电压量的形状都是单频稳定正弦波形，电能品质不会被接通在线路中电源两头的电子组件波动所干扰。因为在现实环境中针对非线性或者冲击性装置以及各种各样电子装置的普遍应用，谐波因素以及低功率因素等难题引起的作用逐渐变得越来越不能被忽略。各国目前大型企业中，普遍存在着电污染现象。谐波生成机理是由于电能行业在供给进程当中电压量的波形会由于各种各样的原因，导致远离正弦波形。真实环境中，在电能的制造、传输、转换以及利用的各个节点都或许生成谐波。供电工程中的谐波难题已经吸引了全社会各个行业的广泛关注，为了确保供电工程中全部电气、或者子装置可以每天正常、平稳、协作地进行运作，需要使用必要并且高效的方法，管控谐波生成并且减少它对电网引发的不利作用。

1.2关于谐波和APF的相关知识介绍

1.2.1谐波基本概念

图1-1 谐波示意图

总体来说，谐波(如图1-1所示)通常指电量当中所包含的一定时期之内进行定期性波动的总数是基波的整数倍数的电能，通常指针对定期性的非正弦电能完成傅里叶转换，它的超过基波频率的电量生成的电能。谐波生成的机理：因为正弦电压量施加在非线性接通在线路中的电源两头的电子组件，基波电量产生变形生成谐波。按照傅立叶级数转换机理，定期方法都能够展开成为常数跟一组拥有一样定期的正弦方法以及余弦方法的加和。它的展开形式当中，常数表示的小节被称作是直流小节，极小正定期跟原方法循环相同的小节被称作基波或者一次谐波，极小正循环的很多倍跟原方法的循环相同的小节被称作高次谐波。现在全球广泛认可谐波的定义：谐波通常是一个循环电气量的正弦波变量，它在一定时期之内进行循环性波动的总数被称作基波一定时期之内进行循环性波动的总数的整数倍。

1.2.2谐波主要危害

之前因为接通供电工程的非线性装备的耗能情况比较小,带来在工程当中发生的谐波电量也比较小，因此关于电能品质的作用比较小。因为科技的持续进步引领电子科技的持续进步，各种各样的闭合电源商品都利用大功率半导体闭合的组件，即使每台装置生成的谐波电量跟整体电网当中的电量进行对照，可以忽略不计，可是由于这类电子或者电组件装置被普遍的应用，它们布局比较广泛，总数非常多所以给电网当中引入的谐波电量不能被忽略。另外，部分家用电组件拥有利用集中的特性，也就是在某段时期内或许往电网引入许多的谐波电量进而让在公用电网中引发谐波的难题尤其严重，这不仅影响该电网中电子装置的平稳运行，引起这些装置的问题，并且还或许让电能供给工程之中电线承载的电量超载，导致供电工程的电能传输有问题。所以谐波难题获得了全社会各行各业的广泛关注。

谐波针对供电工程的不利作用重点体现如下：

1.影响输电的平稳和经济

扩大了制作、传送、供给以及耗电装置的额外耗费，让装备平稳运行的时候产生严重发热的情况，减小了装置的运行效率以及应用时期。

因为谐波电量一定时期之内进行循环性波动的总数可以看作是基波一定时期之内进行循环性波动的总数的整数倍数，高频电量经过导体的时候，由于集肤作用的影响，让导体关于谐波电量引起的阻尼扩大，进而扩大了装备的功率耗费以及电能耗费，让导体产生的热量增加。

(1)对旋转电机的影响

谐波关于旋转电机的不利作用重点体现在生成额外的耗费以及转矩。因为集肤作用、磁滞等因素会让一定时期之内进行循环性波动的总数的扩大进而让在旋转电机的铁心以及绕组中生成的额外耗费扩大。在供电工程当中，客户的电动机负载大约占到整体负载的百分之八十五。所以，谐波让客户电动机整体的额外耗费扩大作用极其明显。因为电动机的出力通常不按照产生热量的状况完成调节，因为谐波引发电动机的生成热量作用按照他们可以承载的谐波电压量换算成一样的基波负序电压量进行考量。试验证明，在额定出力下始终承载大约是百分之三的额定电压量的负序电压量的时候，电动机的可用时期大约要减损百分之五十以上。所以，全球各界通常建议在一直运行的状况下，电动机承载的负序电压量最好不要越过额定电压量的百分之二。

谐波电量生成的谐波转矩关于电动机均值转矩作用比较小，可是谐波或许生成明显脉冲转矩，会发生电机转轴变形的情况。此种振荡力矩让汽轮发电机的转子组件产生变形并且震荡，会让汽轮机叶片形成疲劳循环状况。

(2)对变压组件的影响

谐波电量让变压组件耗费扩大，尤其是3次或者它的倍数次谐波关于三角形接通的变压组件，或许在它的绕组当中构成环流，让绕组持续发热；关于全星形接通的变压组件，当绕组中性点接地的时候，可使这侧电网中布局电容非常大或者配置有中性点接地的并联电容组件的时候，或许构成3次谐波谐振，让变压组件额外耗费扩大。

(3)对输电线路的影响

因为输电线路阻尼的一定时期内进行循环性波动的总数特点，阻尼因为一定时期之内进行循环性波动的总数的提升进而扩大。在集肤作用下，谐波电量让输电线路的额外耗费扩大。在供给电网的耗费之中，变压组件以及输电线路的耗费占比非常大，因此该现象让电网网耗费扩大。谐波还让三相供电工程之中的中性线当中的电量扩大，引发中性线超负荷。输电线路具有布局的线路电感以及对地电容，它们跟生成谐波的装置构成串联闭合线路或者并联闭合线路的时候，在某些变量设置的情况下，或许产生串联谐振现象或者并联谐振现象。通常状况下，并联生成的谐波过电压量对有关装置的损害程度比较严重。当引入电网的谐波一定时期之内进行循环性波动的总数处在网络谐振点周围的谐振区域之内的时候，或许激发电感或者电容生成小节谐振，构成谐波扩大。在这样的状况下，谐波电压量提高以及谐波电量扩大可能引发继电维护装置表现出误动，乃至损害装置，此外，或许还会生成比较大的谐波网损耗。针对电能电缆线路，因为电缆的对地电容相比架空线路大约扩大了10至20倍，可是感抗大约是架空线路的一半或者还要小，所以比较容易激发出相对大的谐波谐振以及谐波扩大，引发绝缘击穿的问题。

(4)对电能电容组件的影响

因为谐波电压量的提升，表现在电容组件的老化速度逐渐变快，让电容组件的损坏系数扩大、额外耗费扩大，进而引发问题产生频率的增快，电容组件的利用时期极大的被减少。还展现在电容组件的电容以及电网的阻尼构成的谐振闭合线路的谐振一定时期之内进行循环性波动的总数相同或者类似某次谐波变量的一定时期之内进行循环性波动的总数的时候，就会扩大生成谐波电量，让电容组件由于产生的热量非常多、电压量非常高等作用进而不会平稳运行。

2．影响继电保护和自动装置的运转和可靠性

谐波关于电能工程中通过使用负序量当作基础的继电维护以及自动装置作用非常大，这是因为这些维护装置都是根据负序量整定的，存在整定值相对小以及灵敏程度比较高等特性。倘若在负序机理上再加之谐波的扰乱，或许活导致发电机负序电量维护的误动、母线差动维护的负序电压量闭合组件发生误动、变电基站管控的复合电压量开启过电量维护装置负序电压量组件发生误动以及线路各式各样类型的间隔维护、问题录波组件、自动准同期装置、高频维护等产生误动，对电能工程的平稳运载构成严重威胁。所以，找到高效整治谐波的办法逐渐成为电气行业亟需处理的难题。

1.2.3抑制谐波方法

因为人们生活水准的持续提升以及工业农业创造的持续进步，除去必须很多的电能来符合居民以及工农业逐渐扩大的用电要求之外，用电人员针对电能品质以及供电安全性的需求也在逐渐提升，电能品质越来越获得大家的关注。为了提供优质电能，各个国家的相关科研工作者不断研究，在治理电网污染方面取得了一定的成果， 各个国家相继制定相关要求，出台有关政策。目前，降低电网污染的有效方法之一是滤波，顾名思义就是滤除指示中特定的波段一定时期内完成循环性波动的总数的操作，是抑制和防止谐波干扰的一项重要举措。它分为“无源滤波”（PF: passive filter）和“有源滤波”（APF: active power filter）。

1.无源滤波

无源滤波组件，又称LC滤波组件，是使用电感、电容以及阻尼的整合设计构造的滤波线路，可除去某一次或者某些次谐波，比较容易使用的无源滤波组件架构是把电感以及电容进行串向连接，可对主要次谐波构成低阻尼旁路；单调谐滤波组件、双调谐滤波组件、高通滤波组件都属于无源滤波组件。无源滤波组件拥有架构单一、耗费廉价、运转安全性能非常高、运转耗费相对比较低等优势。基础的无源滤波组件的拓扑架构如上图1-2所展示。

图1-2 无源滤波组件结构

2.有源滤波

当下，谐波制约的一个主要方向是使用电能有源滤波组件,如图1-3所示。这个组件也是一种电能电子装置。它的基础机理就是根据补充对象中检验出的谐波电量，补充装置生成跟这个谐波电量相同可是极性反之的补充电量，进而去除电网之中的谐波。此种滤波组件可以针对一定时期之内进行循环性波动的总数以及范围都波动的谐波完成跟踪补充，并且补充特点不被电网阻尼的作用，所以获得普遍的关注，而且在日本等国获得普遍的使用。这种组件的基础原理在六七十年代就早已存在。80年代以来，由于大中功率全控型半导体组件的成熟，脉冲宽度调制()控制技术的进步，还有以瞬间无功功率机理为基础的谐波电量瞬间检验方式的发布，该组件才可能快速进步。

图1-3 有源电力滤波器组件结构

1.3本课题研究的意义

因为电能电子科技的持续发展，很多由电能电子开关构造的、拥有非线性特点的用电装置被普遍使用在冶炼行业、传输行业、化工行业等。比如电气机车以及电解装置等装置的广泛推广让电网当中的谐波污染情况越来越厉害。电网当中的高次谐波或许引发变压组件以及旋转电机生成过量的热能。让电能电容组件运行不稳定，情况严重的时候乃是引发热击穿的问题进而导致装置损坏。谐波关于电能工程中的发电机、继电维护自动装置以及电能运算等也存在比较大的损害。情况严重的时候或许导致误操作；引起重大安全问题。谐波污染关于通信、计算机工程、检验仪器等用电装置也有比较严重的损坏。所以，需要使用合理的手段来去除电网当中的高次谐波。现在很多使用这种组件来制约谐波的方式，它包含电容组件、电抗组件以及阻尼组件构成的单调谐滤波组件以及高通滤波组件组成。经过针对某些总数的谐波展示出低阻尼来实现滤波的目标。并且还照顾了无功补充的问题。因为这种组件还有很多问题，不能直接推广到真实的使用过程中。因此当下的方向是使用电能电子装置完成谐波补充，这就是电能有源滤波组件( )。跟无源滤波组件( )比照,这种组件可以针对波动的谐波完成快速的实时跟踪补充，并且补充特点不被电网阻尼的作用。日本在该组件层面的探究具有极强的典型性，在全球上颇有盛名，而且已经进入推广时期,因为容量的逐渐提升，它的使用范围也从补充客户本身的谐波情况转向改进整体电能工程供电品质的高要求。在装置技术领域，重点进展方向是继续提升补充容量、改进补充功能、减少成本以及耗费、装置多功能化以及小型化等趋向前进。在真实使用领域，重点朝向关于不一样谐波源规定对应的方法发展，处理最优设置、有源滤波组件的彼此干扰以及关于电网上安装的LC 滤波组件的作用以及停电或者瞬间维护等难题。自1976 以来 提出了并联有源滤波组件方案。到现在为止已经探究出了跟有源滤波组件的对应的滤波办法将近十多种，在使用过程中各有优势，不一样的办法关于使用场景也存在不一样的需求^[2]。

串联方式经过变压组件串向连接在电源以及接通在线路中的电源两头的电子组件之间。该方法不只是能够去除电网电压量谐波以及电压量波动关于敏感接通在线路中的电源两头的电子组件的作用，更重要的是，它还可以去除电压量型谐波源接通在线路中的电源两头的电子组件关于工程生成的谐波以及无功的作用。该方法中流通的是平稳接通在线路中的电源两头的电子组件电量，因为材料的差别，耗费非常大，而且各式各样的维护跟其余种类的相比非常复杂，当下该方法的应用还不是非常普遍。因此后续文章暂时忽略关于该组件的继续阐述，进而针对拥有典型性的并联方式有源电能滤波组件完成仿真解析。

1.4本课题研究方法

有源滤波组件是现在关于电网中污染补充或者去除的合理方式之一，本编文章关于有源电能滤波工程的运行机理完成了原理探究以及解析。MATLAB /SIMUL INK提供的SimPower工具箱基本包含了电能系统建模和仿真的各个小节。使用工具箱关于该组件装置完成了创建样本以及仿真的过程，可以把该组件的运行流程以及相关波形精准直观地展示出来,检验了原理解析的精准性。

1.5本文主要内容

首先解析有源电能滤波组件工程架构以及运行机理,接下来讲述有源电能滤波组件的制作方式以及特性,再接下来通过并联方式有源电能滤波组件作为例子，创建三相并联方式有源电能滤波组件的数据样本。最后，在此基础上对主线路的有关参数进行设计，通过matlab仿真分析。

第二章 APF工作原理及谐波电流检测补偿

2.1 APF工作的基本原理和结构

2.1.1 APF工作的基本原理

其由IGBT管构成的三相并联变流组件经由串联电抗组件并联在电网上，负荷电量通过电量互感组件采集到APF的控制系统中，通过实时检验线路将接通在线路中的电源两头的电子组件电量中的谐波变量和基波无功变量分离出来，通过管控工程迅速进行计算，使用领先科技管控的激发。通过由大容量IGBT管组成的三相并联变流组件向系统注入补充电量，该补充电量与负荷电量中的谐波电量大小相等，方向相反，互相抵消，实现滤出谐波的功能，保证最终流入系统电量是正弦波。

2.1.2 APF结构

存在许多种架构样式，可是它都有着类似的基础机理，依照线路拓朴架构能够被划分成下述三种。

（1）并联型APF

图2-1是并联方式基础架构。并联方式能够等同于一个被控电量源，是因为它的功率组件跟工程完成了并联。该方法能够生成跟接通在线路中的电源两头的电子组件的谐波或者无功电量一致、相位反之的补充电量，进而把电网电量补充成去除谐波之外所剩余的基波。非线性接通在线路中的电源两头的电子组件是生成谐波的谐波源，变流组件跟与它连接的直流侧储能组件一同构成有源电能滤波组件的主线路。在这样的架构中，使用恰当的管控形式能够实现多种补充目标，它能够达成的功能极为多样。可是，因为交流电源的基波电压量加之在变流组件上，所以需要变流组件拥有巨大的容量，这是此种形式的关键劣势。

图2-1 并联型有源滤波组件结构图

（2）串联型APF

图2-2为串联型APF基本结构。该方法经过变压组件串联在电源跟接通在线路中的电源两头的电子组件之间，它的线路能够等同于被控电压量源，。该方法不只是能够去除电网电压量谐波以及电压量波动关于敏感接通在线路中的电源两头的电子组件的作用，更关键的是，它还可以去除电压量型谐波源接通在线路中的电源两头的电子组件关于工程生成的谐波以及无功的作用、该方法中经过的是平稳接通在线路中的电源两头的电子组件电量，因为材料的原因，耗费非常大，而且各式各样维护跟其他种类的比照相对复杂，当下串联方式以及串--并联方式的应用并不算普遍。所以后文暂且省略对串联型APF及串—并联型APF的进一步介绍，转而对被广泛应用且具有代表性的并联型有源电能滤波组件进行仿真分析。

图2-2 串联型有源滤波组件结构图

（3）串—并联APF

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