文 献 综 述

1 研究背景与意义

三相电路瞬时无功功率理论由日本学者赤木泰文最先提出，理论打破了传统

的以平均值为基础的功率定义，系统的定义了瞬时有功功率p、瞬时无功功率q等瞬时功率量，后人发展了这套理论，提出了瞬时有功电流ip、瞬时无功电流iq等瞬时量；以瞬时无功功率理论为基础，可以得出用于有源电力滤波器（APF）的谐波和无功电流实时检测方法，此方法在工程应用中受到了极大关注。

随着国民经济的发展和人们生活水平的提高，电力电子产品广泛地应用于工业控制领域，用户对电能质量的要求也越来越高，其中最为突出的是电压质量和谐波的问题，因此，如何提高电压质量、治理谐波就成为输配电技术中最为迫切的问题之一。所以，面对我国目前电网结构薄弱和输配电技术普遍存在的技术手段落后、自动化水平低的现状，针对电压质量和谐波的问题，研究电网谐波治理和无功功率补偿技术及新装备，具有十分重要的理论和现实意义。

谐波治理的措施主要有三种：①受端治理，即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们抗谐波干扰能力；②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；③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。本篇文章主要研究的是，被动治理里的添加有源滤波器的方法来治理谐波。有源电力滤波器（APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，之所以称为有源，APF有一下一些优点：⑴滤波性能不受系统阻抗的影响；⑵不会与系统阻抗发生串联或并联谐振，系统结构的变化不会影响治理效果。⑶实现了动态治理，能迅速响应谐波的频率和大小发生的变化；⑷具备多种补偿功能，可以对无功功率和负序进行补偿；⑸谐波补偿特性不受电网频率变化的影响；⑹可以对多个谐波源进行集中治理。随着大功率快速自关断路器件的不断发展，基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法的不断完善，有源滤波器技术得到了极大的发展，在工业上已经进入实用阶段。

2 研究现状及发展状况

基于瞬时无功功率的谐波检测是目前最常用和最重要的方法。该方法首先在三相电路中得到了广泛地应用。

a三相三线制电路谐波电流的检测

以三相电路瞬时无功理论为基础，计算p-q或者ip-iq为出发点即可得出三相电路谐波的两种检测方法，分别成为p-q方式即参考功率方式和ip-iq方式，这两种方式在很多文献中都有详述，在此不再过多叙述。

b三线四线制谐波电流的检测

三相四线制谐波电流的检测方法有两种。一是：将三相三线制的p-q和ip-iq方法运用到三线四线制电路中，基本思想是将零序电压(电流)从其他三相中剔除，构造出新的三相三线制电路，核心未改变。二是：Hyosung Kim提出的基于三维坐标变换的p-q-r谐波检测理论。基本思想是在空间坐标系下把电压电流先经过C33变换到0-α-β面，再以电压为基准0-α-β面上的电流和电压变换至p-q-r坐标系下，p轴与电压矢量方向相同，q轴在α-β坐标平面上，这样只有在p轴上的电压分量不为零，在q轴和r轴上电压均为零。同三相三线制一样也有参考功率方式和参考电流方式。

1971年，H.Sasaki等首次完整地描述了有源电力滤波器的基本原理，但由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流，其损耗大，成本高，因而仅在实验室研究，未能在工业中实用。1976年，L.Gyugyi等人提出了用大功率晶体管PWM逆变器构成的有源滤波器，并正式确立了有源滤波器的概念，提出了有源滤波器主电路的基本拓扑结构和控制方法。从原理上看，PWM变流器是一种理想的补偿电流发生电路，但由于当时电力电子的发展水平还不高，全控型器件功率小，频率低，因而有源滤波器仍局限在实验研究。采用有源滤波器对电力谐波进行动态治理真正进入实用阶段还是在20世纪80年代。各种新型电力半导体器件的相继问世、PWM技术的发展以及基于瞬时无功理论打得谐波电流的检测方法的提出，都极大的促进了有源滤波器技术的发展。

虽然有源滤波器发展至今，其主电路的拓扑结构和工作原理都发生了变化，但都是从最早期的并联型APF，根据对偶原理或通过混合逐步演变而来的。如今用于有源滤波器的半导体电力变换装置一般是逆变器，包括电压型和电流型两种，现在普遍采用的是电压型逆变器。电压型有源滤波器可以采用多电压源逆变器串联结构，便于扩大补偿容量，同时直流端电容器损耗低、体积小、价格便宜，适于构成大容量有源滤波器。而电流型滤波器不存在直流端短路的危险，可靠性高、动态性能好、滤波精度高，但直流端损耗大。

有源滤波器的分类：根据APF与系统的连接方式可将APF分为并联型APF、串联型APF、串-并联型APF以及混合型APF。

3 未来研究方向

有源滤波器作为改善供电质量的一项关键技术，在日本、美国、德国等工业发达国家已得到了高度重视和日益广泛地应用。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。自1981年以来，仅在日本，已有500多台APF投入运行，容量范围由50kVA到60MVA。从近年的研究和应用中可以看出APF具有如下的发展趋势：

1) 通过采用PWM调制和提高开关器件等效开关频率的多重化技术，实现对高次谐波的有效补偿。当APF的容量小于2MVA时，通常采用IGBT及PWM技术进行谐波补偿。当容量大于5MVA时，通常采用GTO及多重化技术进行谐波补偿。

2) 从长远角度看，随着大量换流器用于变频调速系统，其价格必然下降；同时，

随着半导体器件制造水平的迅速发展，尤其是IGBT的广泛应用，混合型有源滤波系统低成本的优势将逐渐消失，而串-并联APF由于其功能强大，性价比高，将是一种很有发展前途的有源滤波装置。

3) 可通过单节点单装置的装设，达到多节点谐波电压综合治理的APLC的出现，表明电力系统谐波治理正朝着动态、智能、经济效益好的方向发展。

与国外广泛应用APF相比，我国的有源滤波技术工业应用上较少，这与我国谐波污染日益严重的状况很不适应。随着我国电能质量治理工作的深入开展，利用APF进行谐波治理将会具有巨大的市场应用潜力，有源滤波技术必将得到广泛的应用。

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1. 了解瞬时无功理论，思考基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法中存在的主要的问题：（1）计算量较大，（2）常用的数字低通滤波器的跟随时间较长。

2. 掌握APF的工作原理，基于瞬时无功功率理论设计一款有源电力滤波器。有源滤波器有并联型，串联型及混合型等形式。本课题主要利用Matlab编程工具，从而设计出一款有源电力滤波器实现实时检测系统的谐波电流，控制逆变器向电网注入与负载谐波电流大小相等但方向相反的电流。实现无功补偿，在电子供电系统中起提高电网的功率因数的作用，降低供电变压器及输电线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。

3. 利用Proteus软件对设计的各种方案进行仿真，得到仿真结果，并比较各结果的优劣，选择最适合的方案，实现APF的实时最优控制。