1、北京交通大学硕士学位论文并联型有源电力滤波器的研究与实验姓名：刘斌申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：曾国宏20071201鏖銮亟左堂亟 堂焦佥塞丛塾玉鲤：呲，（）：，：，；：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：妁纸导师签名：彳司乞签字日期：刀哆年，月日签字日期：，年月日塞奎疆太堂亟堂僮监毫独
2、剑缝直明独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：约斌签字日期：矽年月致谢本论文的工作是在我的导师曾国宏副教授的悉心指导下完成的。在我攻读硕士学位期间，导师在科研和生活上给了我悉心的指导和照顾，他严谨的治学态度、科学的工作方法和积极向上的生活态度给了我极大的帮助和影响。同时，本论文的选题、撰写和 审阅等环节更是
3、凝聚了导师的大量心血。在此衷心感谢两年多来曾国宏副教授对我的关心和指导。特别感谢郝瑞祥老师在论文研究过程中对我的指导及帮助，郝老师学识渊博、为人诚恳，是一位难得的良师益友。在课题研究阶段还得到了张佳、许晶菁、王云杰、郭文帅、王昭、 张瑛博和王春光等同学热情的帮助，使我的论文得以顺利完成，在此向他们表达我的感激之情。最后还要感谢我的家人，以及曾经帮助过我的老师、同学和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。绪论谐波与无功问题谐波和无功的产生在电气学中， 谐波被定义为一个信号， 该信号的频率是实际系统频率（即电网额定频率）的整数倍。年，法国数学家傅里叶（，）指出，一个任意函数都可以分
4、解为无穷多个不同频率正弦信号的和。基于此，在国际电工标准（与国际大电网会议（）的文献中定义：。谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于的次分量”。国 际电气电子工程师协会标准标准）定义谐波为：“谐波为一个周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”【】。目前国际普遍定义谐波为：“ 谐波是一个周期电气量的正弦分量，其频率为基波频率的整数倍”。在电力系统中，由于 电感、电容元件的存在，系 统中不仅存在着有功功率，而且存在着无功功率。无功功率是在正弦电路中当平均功率为零时，在电源和储能元件之间来回交换的变动功率，无功功率并不是无用功率，而是在电能传输和转换过程中建立电磁场和提供电网稳定不可缺少的功率
5、之一，无功经不同的电磁耦合反映不同的电压等级，同一等级电压的电网中，电压高低直接反映本级的无功平衡，是电 能质量的重要指标之一。无功功率的传输不但会产生很大的有功损耗，而且沿传输 途径还会产生很大的电压降落，并使电网的视在功率增大。在工业和生活用电设备中，阻感负载占有很大比例。变压器、异步电动机、日光灯等都是典型的阻感负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率。阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。电 力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置。如相控整流器、相控
6、交流功率调整电路和周波变流器，在工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率。公用电网中的谐波源主要是各种电力电子装置（含家用电器、计算机等的电源部分）、变压 器、 发电机、电弧炉和荧光灯等。在电力电子装置大量应用之前，最主要的谐波源是电力变压的励磁电流，其次是发电机。近年来，电力电子装置的应用日益广泛，也使得电力电子装置成为最大的京銮通太堂亟 堂僮金奎谐波源。在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。目前，常用的整流电路大都采用相控整流电路或二极管整流电路，其中以三相桥式和单相桥式整流电路为最多。 带阻感负载的整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后已为人们所熟悉。直流侧采用电容滤波
7、的二极管整流电路也是严重的谐波污染源。这种电路输入电流的基波分量相位与电源电压相位大体相同，因而基波功率因数接近，但其输入电流的谐波分量却很大，给电网造成严重污染。也使得总的功率因数很低。另外，采用相控方式的交流电力调整电路及周波变流器等电力电子装置也会在输入侧产生大量的谐波电流。除上述电力电子装置外，逆变器、直流 斩波器和间接）变换器的应用也较多。这些装置所需的直流电源主要来自整流电路，因而其谐波和无功功率问题也很严重。在 这类装置中，各种开关电源、不 间断电源和电压型变频器等的用量越来越大，其对电网的谐波污染问题也日益突出。谐波和无功的危害谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面】
8、：电力电容器引起的 谐 波放大。由于 电容器的容抗与频率成反比，因此在谐波电压作用下的容抗要比基波电压下的容抗小得多，从而使谐波电流的波形畸变比谐波电压的波形畸变大得多。特别是在发生谐振的情况下，很小的谐波电压就可以引起很大的谐波电流，容易导致电容器的损坏。增加变压 器的损耗。变压器在高次谐波电压作用下，将产生集肤效应和邻近效应，在绕组 中引起附加铜耗，同 时铁耗也相应增加。的倍数次零序 电流会在三角形接法的绕组内产生额外环流。如果变压器的负载电流中含有直流分量，会引起变压器的磁路饱和，从而增加交流励磁电流的谐波分量。，增加旋转电 机的损耗。谐波电压或电流会在电机的定子绕组、转子回路以及定予和
9、转子铁心中引起附加损耗。谐波电流还会增大电机的噪声和产生脉动转矩。增加输电线损耗， 缩短输电线寿命。谐波电流会在输电线路上产生谐波压降，增加输电线路上的有效值，引起附加输电损耗。谐波电压还有增强介质的电场强度，影响电缆 的使用寿命。谐波会改 变保护继电 器的工作特性， 导致继电保护和自动装置的误动作。引起电力 测量误差，测量仪表是在纯正弦波情况下进行校验的，如果供电的波形发生畸变，仪表则容易产生误差。谐波会引起 电磁干扰 ，对通信线路、通信设备产生影响，从而干扰通信系统。谐波还会 对其他设备产 生影响，比如 导致开关器件控制装置的误动作，对计算机产生干扰，影响互感器的测量精度等。无功功率对公用
10、电网的影响主要有以下几个方面【：增加设备 容量。无功功率的增加，会 导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机、变比器及其他 电气设备容量和导线容量增加。同时，电力用户的起动及控制设备、测 量仪表的尺寸和规格也要加大。设备及线 路损耗增加。无功功率的增加，使 总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加，这是显而易见的。设线路总电流为，元，线路电阻为尺，则线路损耗为 。，以鬈皿学胄（）式中，（皿这一部分损耗就是由无功功率引起的。使线路及 变压器的电压 降增大，如果是冲 击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供 电质量严重降低。图是一电源系统和负荷的等效电路图。舀毪图电源系统和负荷等效电路图线路电
11、压降可以表示为下式： 。（）在一般公用电网中，比）（小得多，因此可以得出这样的结论：有功功率的波动一般对电网电压的影响较小，电网电压的波动主要是由无功功率的波动引起的。电动机在起 动期间功率因数很低，这种冲击性无功功率会使电网电压剧烈波动。电弧炉、轧钢机等大型 设备会产生频繁的无功功率冲击，严重影响电网供电质量。谐波抑制与无功补偿谐波抑制与无功补偿的意义，还在于其对电力电子技术自身发展的影响。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塞銮适友堂亟堂焦金室将和计算机技术一起成为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己成为阻碍电力电子技术发展的重大障
12、碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波治理闯题进行更为有效的研究。谐波抑制和无功补偿的意义，更可以上升到从治理环境污染、维护绿色环境的角度来认识。对于电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色”的主要标志之一。在电力电子技术领域，要求实施吆暴色电力电子”的呼声也日益高涨。目前，对地球环境的保护已经成为全人类的共识。对电力系统谐波污染的治理也已成为电工科学技术界所必须解决的问题。谐波抑制和无功补偿是两个相对独立的问题，但两者之间又有非常紧密的联系。这是因为：谐波除本身的问题之外，也影响负载和电网的无功功率，影响功率因数。产生 谐波的装置同时也大都是消耗基波无功功率的装置，如各种电力电子装置、电弧
13、妒和 变压器等；另外，补偿谐波的装置通常也都是补偿基波无功功率的装置。下文将要提到的滤波、有源电力滤波器中的许多类型都在限制谐波的同时还可以补偿无功功率。谐波治理的途径主要有三种】：受端治理：从受到谐 波影响的设备或系统出笈、提高它们的抗干扰能力。主动治理： 对电力电 子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。被动治理：通 过装设谐 波补偿装置来补偿或抑制 谐波源产生的谐波，减少 谐波源对电力系统公共连接点其他负荷的影响。本文的研究内容就属于这种方法。被动治理谐波的措施主要有以下几种：采用无源滤波器（）。在谐波源附近和公用网节点装设单调
14、谐及高通滤波器，可以吸收电网的谐波电流，同 时还可以进行无功功率补偿，维护也很方便。采用有源滤波器（）。在谐波源附近和公用网节点装设并联型或串联型，可以有效地起到补偿或隔离 谐波的作用，并 联型还可以进行无功功率补偿，但装置造价高。采用混合型有源滤波器（瑚）。兼有成本低廉和性能优越的优点，属于的分支和 发展。的种 类很多。大致可分为与的混合和与其他变流器的混合两类。装设谐波补偿装置的传统方法就是采用无源滤波器，这种方法既可以补偿谐波，又可以 补偿无功功率。由于无源滤波器具有投资少、效率高、 结构简单、运行可靠及维护方便等优点，因此无源滤波器是目前广泛采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。由于无源
15、滤波器是通过在系统中为谐波提供低阻通路，以起到滤波作用，其 滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定的，因而存在以下缺点：滤波特性受系 统参数的影响 较大，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大。只能消除固定频率的 谐波。滤 波要求和无功补偿要求有时难以协调。谐波电流增大 时，滤波器负担随之加重，可能造成滤波器过载。有效材料消耗多，体积大。与无源滤波器相比，有源电力滤波器（）具有高度可控性和快速响应性，其具体特点如下【：实现了动态补偿 ，可对频率和大小都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。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。补偿无
16、功功率 时不需 贮能元件；补偿谐波时 所需贮能元件容量也不大。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。受电 网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振。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。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。有源电力滤波技术有源电力滤波器的研究历史以及国内外现状有源电力滤波器的发展最早可以追溯十世纪六十年代末。年和发表的论文【中，描述了通 过 向交流电网注入三次谐波电流来减少电源电流中的谐波成分，从而改善电源电流波形的新方法。在该文中虽然没有出现“有源电力滤波器”一词，但其描述的方
17、法是有源电力滤波器基本思想的萌芽。年，和发表的论文【】中，首次完整地描述了有源电力滤波器的基本原理。年，等人提出了采用大功率晶体管控制变换器构成的有源电力滤波器，并正式确立了有源电力滤波器的概念，确立了有源电力滤波器主电路的基本拓扑结构和控制方法。进入年代，随着电力电子技术以及控制技术的发展，对有源电力滤波器的研究逐渐活跃起来，成为电力电子技术领域的研究热点之一。国外有源电力塞交亟太堂亟望僮监塞滤波器的研究以同本为代表，已进入大量实用化阶段。从七十年代有源电力滤波器的思想产生以来，日本就投入了相当多的人力物力进行了深入的研究，现在有源电力滤波系统实际应用在日本及欧美国家越来越多。年，日本学者提
18、出“三相电路瞬 时无功功率理论”，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。在年提出用并 联有源电力滤波器消除谐波。年，等人提出了用并联有源电力滤波器和并联无源滤波器相结合的混合型有源电力滤波器方案。等人在年提出将串联有源电力滤波器加并联无源滤波器的结构。年，等人提出了一种综合了串联有源电力滤波器和并联有源电力滤波器的综合有源滤波器。近几年来，国外学者己经将有源电力滤波器实际应用于从系统端与用户端同时抑制和消除供电系统的谐波，从整体上改善电力系统的供电质量。目前，世界上主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电气公司、瑞士、德国
19、西门子公司等埘。年，公司在加拿大某 铝电解厂安装了工业用谐波滤波系统；年，日本三菱电机公司在日本犬山开关站投入了的，随之又研制了的来抑制电弧炉产生的谐波【】。自年至年期间，仅在日本，就有多台投入运行，容量范围由到。有源电力滤波器已广泛应用于工业、商业和机关团体的配电网中，如： 电弧炉、 变频调 速装置、电气化铁路、电信电源系统、证券交易供电系统、机场 港口备用电源、医 疗成像系统、高 层建筑、， 发电机组、精密电子企业、电解 电镀企业、石化企业等【。目前有源电力滤波器在我国的实际应用并不多，与国外相比仍有很大差距，这与我国目前谐波污染日益严重的状况很不适应。相信随着我国电能质量治理工作的深入开
20、展和国内对谐波问题重视程度的提高，利用进行谐波治理将会具有巨大的市场应用潜力，有源滤波技术必将在我国逐渐得到广泛的应用。有源电力滤波器的发展趋势从近年来的国内外研究和应用中可以看出有源电力滤波器（）具有如下的研究和发展趋势【】：谐波检测 和控制策略方面，研究新的能更加准确和快速 检测谐波电流，并且易于实现的检测算法。由于电力系统及补偿器具有非线性、多变量等特点，因此谐波检测方法和控制策略的鲁棒性也成为今后有源滤波器研究的重点。采用与无源滤波器并联使用的混合型有源滤波系统，以减、的容量，达到降低成本、提高效率的目的。通过采用 调制和可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
21、偿，同时提高开关器件等效开关频率，弥补大容量电力电子器件开关频率和耐压水平不足的缺点。从拓扑结构上改 进有源电力滤波器的性能。提出新的有源滤波器拓扑结构，提高有源滤波系统补偿性能，简化控制系统结构。补偿装置的控制系 统趋 向数字化及多功能化，提高系统的集成度，使其具备综合补偿功能。增加滤波器功能，使其除能补偿谐波和无功电流外，通过在控制电路上加以改造还可以抑制电压闪变以及电压不平衡等，具备综合补偿功能。课题背景与本文研究内容课题背景目前我国主要采用无源滤波技术来抑制电网中谐波，而有源电力滤波器应用很少，鉴于有源 电力滤波器的优良滤波性能，以及我国有源电力滤波器的研究现状和巨大市场潜力，开展有源
22、电力滤波器的研究，推动其在工业中应用具有重要现实意义。在此背景之下，珠海 赛迪生电气设备有限公司委托北京交通大学电气工程学院进行有源电力滤波器的研究与样机研制。本文的主要工作本文研究主要内容包括以下几个方面：对有源电 力滤波器拓扑 结构、工作原理和工作特性进行了研究，并导出了并联型三相三制有源电力滤波器的数学模型。对现有的 谐波与无功 电流检测算法以及低通 滤波器的设计和特性进行了系统研究，采用了一种能在电网电压存在畸变和不对称的条件下准确提取谐波和无功电流，易于 实现的检测算法。对并联型有源 电力滤 波器的控制策略进行了研究，并分析了各种控制策略的优缺点和工作特性，采用了基于电压空问矢量的控
23、制方法对有源电力滤波器进行了有效控制。对直流侧电压 的获得和 稳定性的控制方法进 行了系统研究，并提出一种能控制电压超调，减小系 统冲击电流且易于软件实现的直流侧电压控制方法。鏖窑煎太堂亟堂僮途窑设计了有源 滤波器系 统主电路的参数，搭建了实验平台，并在此基础上研制实验样机。建立有源电力滤波器系 统数字仿真模型，在多种谐波源和电网电压条件下进行仿真试验，验证本论文中所采用的谐波检测方法和控制策略以及主电路参数的正确性和可行性。结合实验 装置，论述了有源电力滤波器系统的硬件和软件设计。基于构建了系统的实验平台，对所采用的谐波与无功电流检测算法和基于电压空间矢量的控制策略进行了实验研究，给出相应的
24、实验结果，并对实验结 果进行了分析。直遵曳左选渡墨的基奎 结捡 当厘堡有源电力滤波器的基本结构与原理有源电力滤波器的分类从不同的观点出发，有源电力滤波器有不同的分类标准【。根据接入电网的方式，有源电力滤波器可以分为串联型、并联型和混合型三大类，如图 所示：图有源电力滤波器系统构成的分类并联型有源电力滤波器的拓扑结构（如图所示），由变流器、交流侧电感、直流侧贮能元件（图中为电容）共同组成并联型有源电力滤波器的主电路。图并联型有源电力滤波器拓扑结构并联型有源电力滤波器与负载并联接入电网，向电网注入补偿电流，抵消谐波源所产生的谐波，使 电源电流波形成为正弦。在这种情况下，并联型有源电力滤波器本身表现
25、出电流源的特性。并联型有源电力滤波器是目前应用最多的一种，立窑垣盔堂亟堂僮佥塞也是有源电力滤波器最基本的结构形式。只要采取适当的控制方式就可以达到多种补偿目的， 实现的功能灵活丰富，可用于：（）只补偿谐波；（）只补偿无功功率， 补偿 多少可以根据需要连续调节 ；（）补偿三相不 对称电流；（）以上任意项 的结合。但是，由于交流电源的基波电压直接施加到逆变器上，且补偿电流基本上由逆变器提供，故要求逆变器具有较大容量， 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【图所示为串联型有源电力滤波器的拓扑结构。有源电力滤波器通过变压器串联在电网和负载之间，等效为一受控电压
26、源。 广一 垒望图串联型有源电力滤波器拓扑结构串联型有源电力滤波器与并联型有源电力滤波器不同，主要用于补偿可看作电压源的谐波源，典型的如带电容的二极管整流电路。在负载之前利用变压器与系统相串联，来消除 电压谐波，并且平衡和 调节负荷的终端电压。串联型的有源电力滤波器被用来减少三相系统的负序电压和平衡三相不平衡系统。串联型有源电力滤波器输出补偿电压，抵消由负载产生的谐波电压，使电网电压波形成为正弦波，大大提高用户的电能质量。串 联型与并联型可以看作是对偶的关系矧。与并联型有源滤波器相比，由于串联型有源电力滤波器中流过的是正常负载电流，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
27、及各种保护也较并联型有源电力滤波器复杂。目前单独使用串联型有源电力滤波器的研究较少，国内外的研究多集中在其与无源滤波器所构成的串联混合型有源电力滤波器上。串一并联型有源电力滤波器是一种新型有源电力滤波器，又称之为统一电能质量调节器（，缩写为）【】，目前还处在试验阶段，其拓扑 结构如图所示。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综合性问题。串联有源电力滤波器起到补直邀电左逮选 墨的茎奎结捡兰 厘堡偿电压谐波、消除系 统不平衡、调节电压波动或闪变以及改善配电网稳定性或阻尼振荡作用，并 联型有源电力滤波器起到补偿电流谐波与不平衡、补偿负荷无功、调节变流器直流侧电
28、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问断供电、蓄能、无功 补偿、抑制谐波或阻隔谐波、消除 电压波动和闪变、维持系统电压稳定等功能。但是统一电能质量调节器具有成本较高和控制复杂的缺点【。图串一并联型有源电力滤波器拓扑结构根据接入电网的方式，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。图是一种典型应用的混合型有源电力滤波器的拓扑结果示意图。由于无源部分消除了大量的低次谐波，因而这一类的有源电力滤波器的容量可以做到很小（负荷容量的）【】，这样可以大大减少了有源电力滤波器的体积和成本。但是这种结构的滤波器只能针对特定负荷进行补偿，负荷运行状况变化比较大的时
29、候补偿性能不好。图混合型有源电力滤波器的基本拓扑结构根据有源电力滤波器主 电路的变流器类型来划分，可分为电压型和电流型有源电力滤波器。以上所讨论的都是电压型有源电力滤波器，图是电流型有源电力滤波器的拓扑结构示意图。塞窑道太堂亟堂焦金奎图电流型有源电力滤波器的拓扑结构电流型有源电力滤波器的逆变器中的直流侧储能元件为电感，它充当一个非正弦的电流源来提供非线性负载的谐波电流。与电压型的有源电力滤波器相比，电流型有源电力滤波器具有以下特点：（）变流器交流侧输出电流， 电压型有源 电力滤波器的逆交输出为电压（）需要控制直流侧的电流维持不变， 电压型有源 电力滤波器控制的是直流侧电压：（）不会由于主电路开
30、关器件的直通而发生短路故障；（）电流型变流器直流侧大电感上始终有电流流过，该电流将在大电感的内阻上产生较大的损耗，故比电压型有源电力滤波器效率低。目前，国内外绝大数有源电力滤波器采用的都是电压型交流器结构。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。根据补偿系统的相数来分，有源电力滤波器可分 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。并联型有源电力滤波器的基本原理本文主要研究三相三线制的并联型有源电力滤波器，接入电网方式为直接接入，采用电压 型变流器。图 为最基本的并联型有源电力滤波器系统结构图，其中，白代表交流电源；（）是由无源元件组成的高通滤波器
31、，其主要作用是滤除逆变器高频开关动作和非线性负载所产生的高频分量；负载为谐波源，它 产生谐波并消耗无功功率。有源电力滤波器系统主要由两部分组成，即指令电 流运算电路和补偿电流发生电路（信号发生电路、驱动电路和逆变主电路）。指令 电流运算电路的作用是检测出被补偿对象中的谐波和无功电流分量。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流发出补偿电流的指令信号，控制逆变主电路发出补偿电流。直遵电左遣遗 墨的基奎绪捡 生厘理圈并联型有源滤波器原理图作为主电路的变流器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作。但是在电网向直流侧储能元件充电时，它就作为整流器工作。也就是 说，它既工作于逆变状态，又可以工作于整流状态。
32、图所示的基本工作原理是：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的指令电流信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流， 补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源滤波器检测出负载电流屯中的谐波分量么，将其反极性后作为补偿电流信号，由补偿电流发生电路产生的补偿电流己即与负载电流中的谐波成分以大小相等、方向相反，因而相互抵消，从而使电源获得期望的基波电流。上述原理可用如下的一组公式描述：（）乇一屯么（）一么（）一屯。（）式中，。一负载电流的基波分量。如果要求并联型有源电力滤波器在补偿谐波的同时，补偿负载的
33、无功功率，则只要在补偿电流的指令信号中增加与负载电流的基波无功分量。反极性的成分即可。这样 ，补偿电流与 负载电流中的谐波及无功成分相抵消， 电源电流等于负载电流的基波有功分量。则前面给出的描述公式需要做一下调整：（）一（么屯。）（），（）当然有源电力滤波器还可以只补偿无功功率，此时补偿电流的指令信号应与负载电流的瞬时无功分量大小相等、极性相反。 这样，补偿后的电源电流等于衰变通太堂亟堂焦论童负载电流的有功分量。描述公式如下：一（）。（）。一 ）此外，对于三相不平衡系统， 负载电流中还可能存在负序分量。当有源电力滤波器既补偿无功功率又补偿谐波电流，还补偿负序电流时，补偿电流的指令信号：应与负载
34、电流的瞬时无功分量，谐波分量矗、负序有功分量一和负序无功分量乞一大小相等、极性相反。这样，补偿后的电源电流等于负载电流的正序有功分量。描述公式如下：屯屯聃一么（）一一，一匕（。）乇，（）根据有源电力滤波器的不同补偿目的，指令电流与经补偿后的，的对应关系如表所示。表指令电流与经补偿后的电源电流对应关系补偿目的指令电流经补偿后的只补偿谐波电流一工只补偿无功一山同时补偿谐波电流和无功功率一（如屯。），补偿谐波、无功和 负序电流一匕一，么）有源电力滤波器对谐波和无功功率补偿的最终结果是使负载电流的有功分量与电源电压同相，此 时电源电压向负载单向输送有功能量，负载电流的无功分量和谐波分量在有源滤波器和负
35、载之间形成能量的双向流动【驯。有源电力滤波器所实现的功能就是向负载注入适当的无功、谐波电流，以提供负载需要的无功和谐波电流，这样电 源只需向负载提供有功电流。当有源电力滤波器对谐波和无功电流进行补偿时，有源 电力滤波器和负载之间有能量交换，需要有源电力滤波器为交换能量提供缓冲单元。如果忽略有源电力滤波器系统存在的损耗，缓冲单元只是周期性地吸收和释放能量，不需要电源提供能量。在理想情况下，当谐波和无功电流得到完全补偿时，电源只向负载提供有功电流，即提供负载消耗的能量，直遵曳左墟遮遂鳇基奎绪 掏当匾理而不再和负载进行能量交换。应该指出，有源 电力滤波器系统在正常工作时是存在能量损耗的，所需的能量也
36、要由电源来提供。有源电力滤波器的损耗包括主电路损耗、检测 及控制电路的损耗，其中 检测及控制电路的损耗较小，通常可以忽略，而主电路的 损耗是以电力电子器件的损耗为主。并联型有源电力滤波器的特性分析司嘲嗍在电网中有不同类型的谐波源，以不同的方式向电网注入谐波。以含有整流电路的谐波源为例，由于整流电路的直流侧可以采用电容或电感滤波，而且电容电感的参数也不一样，因此它们注入电网的谐波特性也有差异。当整流器直流侧采用电感 滤波，且工足够 大时，则整流过程中直流 侧电流基本保持恒定，整流器注入电网的谐波电沉主要由直流侧电流的大小和各半导体器件的切换方式决定，而与交流侧参数关系不大，具有理想电流源的特性，
37、基本上可以看成是一个理想谐波电流源。当 电感不是足够大时，直流 侧电流会有波动，这时，它注入 电网的谐波就不能仅看成是一个理想谐波电流源，但可以将其等效成一个谐波电流源，即一个理想谐波电流源与一个等效阻抗厶并联，如图所示。工越小，矗越小，反之，乙越大。故，直流侧电感滤波的整流器可以看成电流型谐波源。与直流侧电感滤波相对应，如果整流器直流侧采用电容器滤波，并且电容足够大，则其直流 侧电压基本为恒定值，并通 过各半导体开关器件的切换加到交流侧，因此，此类谐波源 产生的谐波电压主要是由直流侧本身的特性决定，基本上与交流侧参数无关，具有类似电压源性质，可以用一个理想谐波电压源与一个等效阻抗岫串联来等效
38、，如图所示。越大，等效阻抗“越小，谐波源的特性就越接近理想谐波电压源。当足够大时， 则可以看成是理想谐波电压源。故，直流侧采用 电容滤波的整流器本质上可以看成电压型谐波源。图电流型图 电压 型图谐波源模型并联型对谐波源进行补偿时，其系 统单相等效 电路如图所示。图中，叼和分别是电源电压的基波和谐波分量，五是电源阻抗，西和“分别为电韭塞奎垣太堂亟堂毽趁塞源电流，的基波和谐波分量。并联型本质上属于受控电流源，它以电流源方式进行谐波补偿。并联型补偿电 流型谐波源 时，甩次 谐波电流为：气坠争掣（）“。：一，二棚十厶当妇，即 电两电压无畸变时，只要令乏；如， 则。磊：。因此，不论负载是否为理想谐波电流
39、源，并联型均能够补偿。所以，并联型适合 补偿直流侧是电感滤波的整流器一电流型谐波源。 。知。图补偿电流型谐波源图补偿电压型谐波源图并联型补偿不同类 型谐波源时的等效电路图当电网电压无畸变时，即，采用并联型补偿电压型谐波源，对于危次谐波，只要使用并联型产生的补偿电流满足。一一）就能使“。由式（）可知，补偿电流不仅与谐波源有关，而且还与磊有关。因此，补偿效果将受厉影响，而磊的大小又由电容决定。对厉较大的电压型谐波源，并 联型有一定的补偿效果。实际应用中，一般直流侧电容滤波的整流器虽然不能等效成理想谐波电压源，仍然可以看成磊很小的谐波电压源。因此，补偿此类负载时，并联型需要产生很大己。特别是，当足够大时，负载可以看成是理想谐波电压源，历接近零，需要 产生非常大的补偿电流。要使并联型产 生需要的补偿电 流， 则要求提高其产生谐波电流的能力这意味着必须提高它的直流侧电压”，器件的耐压也必须提高，而器件的耐压也是有限的，这也就决定了并联型产生谐波电流的能力是有限的。此外，元器件耐压的提高势必使的成本提高。综合这些因素，并
