1．目的及意义 1．目的及意义、国内外研究现状分析
1.1目的及意义
现代电力系统中，由于大量非线性负载的使用，导致谐波和无功问题日益严重。电力有源滤波器(Active Power Filter，即APF)作为消除谐波的有效手段，得到了快速发展。它先检测出电网中的谐波电流，然后通过可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，从而使电源的总谐波电流为零。有源电力滤波器能够抑制谐波和补偿无功功率，具有响应速度快及动态补偿效果好的特点。有源电力滤波器以其优越的补偿性能，己成为电力电子技术领域的研究热点之一。
一般来说，电力系统中谐波的产生主要来源于以下两个方面：一方面是传统非线性元件，即阻感负载，包括发电机，变压器，异步电动机和电弧炉等；另一方面是现代电力电子装置，如整流器，逆变器和高压直流输电设备等。这些设备可以实现对电能的控制和变换，提高电力装置的性能，但同时也带来严重的谐波污染。随着电力电子装置使用的增多以及容量的增大，电力电子装置的谐波污染已经成为电力系统主要的谐波污染源，人们对这部分谐波污染的关注度也越来越高。
谐波对电力系统的危害十分严重。谐波会影响电能的传输和使用，降低传输效率，容易引起电气设备的过热，导致使用寿命缩短，甚至发生故障或直接烧毁。除此之外，还可能引起电力系统中继电保护装置的误诊断和误动作，使电能计量出现混乱。谐波对电力系统和电气设备以及通信设备的危害可归结为以下几点：
（1）电气设备过热。主要包括变压器和电动机过热以及用于功率因数校正的电容器的过热。电压和电流中的谐波分量会在电动机和变压器的线圈中产生高频的磁通，使得损耗增大，发热量也增大。当功率因素校正电容与电网产生的谐振频率与非线性负载产生的谐波电流的谐振频率相等时，将会引起电容器的过电流，容易造成电容器过热，严重时造成设备的损坏。
（2）电压波形畸变。电力电子设备中的整流器是引起电压波形畸变的常见因
素。整流器的电流会改变电力系统中电压的过零点时刻，使电压波形发生畸变，
不仅影响整流器本身的控制电路的正常运行，还会干扰其它设备的正常运行。
（3）电压闪变。由非线性负载产生的谐波中频率低于电网频率的分量会造成
电压的闪变，引起灯光的闪烁，影响照明。
（4）干扰通信系统。非线性负载产生的谐波会对邻近的通信设备产生干扰，包括电话，无线电、电视等通信系统，轻者降低通信质量，重者使通讯信息丢失，影响通信设备正常工作。
抑制谐波有两种途径，一种是对电力电子装置进行改进，使得装置产生的谐波减少，并控制在规定的范围内。另一种就是在电网的负载端加入谐波滤除装置来减小对电网的污染。对电力电子装置进行改造主要是通过有源功率因数校正技术以及PWM整流技术。这种方法可以在一定程度上抑制谐波，但是存在技术难度大，装置复杂，成本高等诸多缺点，且效果往往不是很明显，很难将谐波控制在规定范围内。在负载端加入谐波滤除装置一般包括加入无源滤波装置和加入有源滤波装置。
无源滤波技术是一种传统的谐波治理方法，由RLC无源滤波器件通过串并联的方式组成的滤波器来实现对谐波的滤除。这种方法具有结构简单，成本低，容易实现等优点，一直被广泛使用。但这种方法存在很多不足，如补偿特性容易受到电网和负载的参数的影响；由于电力系统运行的工况经常会发生变化，导致LC参数设计困难；电网系统内的阻抗容易与滤波器产生谐振，导致谐波的放大；滤波器只能对特定频次的谐波进行补偿，LC参数的漂移会引起滤波特性的改变，滤波效果不稳定；还具有设备体积大、重量大等缺点。为了克服无源滤波技术的缺点，有源滤波技术应用而生。作为一种能够动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，有源电力滤波器可以实现对大小和频率都变化的谐波和无功进行补偿。与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有以下优点：
（1）补偿性能好。与无源滤波器只能对单一频率的谐波进行补偿相比，APF可实现对功率开关器件工作频率内的各次谐波都做到有效补偿，谐波补偿范围宽。
（2）滤波特性受外界条件影响小，当电力系统的阻抗和频率发生变化时，滤波器仍能正常有效工作。
（3）不容易与电网发生谐振，不会引起谐波的放大。
（4）不存在过载问题。当负载电流较大时，滤波器也可以继续运行。
（5）与无源滤波器相比，体积小，重量轻。
但是，有源电力滤波器也存在结构复杂，价格昂贵，运行成本高，容量比较小等缺点。随着功率器件和有源滤波技术的发展，单机装置的容量也在逐步提高，补偿性能越来越好，应用领域也从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统电能质量的方向发展。
1.2研究现状分析
APF的基本思想萌芽于上世纪60年代末，早在1969年B.M.Bird和J.F.Marsh发表的论文中就提出了可以通过向交流电网中注入三次谐波来减少电源电流中的谐波成分的想法。1976年，美国的Strycula提出采用PWM变流器来构建有源电力滤波器，这种拓扑结构一直沿用到现在。同年，L.Gyugyi等人提出了用大功率晶体管PWM整流器作为APF的主电路拓扑结构，有源电力滤波器的概念得到正式确立。但受当时电力电子功率开关器件发展的限制，只是对有源电力滤波器进行了少数的实验研究，进展缓慢。1982年，第一台以电流源PWM逆变器为主电路结构的有源电力滤波器研制成功并投入使用，逆变器采用GTO作开关器件。
由于在提高电能质量方面的显著作用，目前APF在美国、日本等工业发达国家在国民经济的各个生产部门都获得了广泛应用，并且谐波补偿的次数也在不断提高，APF的单机容量也不断提高，现在APF的最大容量已经达到50MVA。其应用领域也越来越广，正在从补偿用户自身产生的谐波向着改善整个电力系统的供电质量方向发展。日本工业上已经投入使用的APF功率范围从50kVA到60MVA,并且功率范围向着越来越宽的趋势发展。其应用主要为谐波补偿，还有少量用于抑制电压闪变和对电压进行调节，功能向着越来越丰富的方向发展。目前有源滤波器在谐波的抑制，电能质量的提高，电压波动的抑制、电压平衡的改
善以及无功补偿等问题上都发挥着重要作用。
有源电力滤波器在国内的起步比较晚，直到20世纪80年代末期才开始进行相关的研究，并有相关的文献的出现。起初的研究方法中使用的谐波检测办法比较陈旧，补偿效果也不大理想。到了 20世纪90年代，我国开始注重APF的发展，投入了大量的人力物力，APF也成为各个高校和研究机构研究的重点课题，但是仅限于实验和研究阶段，没有进行实际的工业应用。目前在国内的一些高校和研究所已经形成了比较系统的理论基础和研究体系。工业应用方面也有所发展，已经试制出APF样机，并投入使用。一些企业已经将APF产品化，并投入市场。但总体来说，受各种条件的限制，我国APF旳发展与发达国家相比还存在一定的差距。如开关频率不够高，电流跟踪效果和补偿效果不理想，实际的应用范围较窄，成本较高等。因此，目前的发展方向是提高产品性能，降低成本，加快APF的产品化，进一步扩大工业应用范围。
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2. 研究的基本内容与方案
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2.研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施
2.1研究基本内容
本文的主要任务是针对各种单相非线性电力电子设备对电力系统的影响和谐波治理的现状，对有源电力滤波器的两大关键技术—谐波电流检测技术及补偿电流控制技术进行了研究。主要工作如下:
（1）研究有源电力滤波器的工作原理及其拓扑结构分类，分析不同结构形式的有源电力滤波器的特点，重点介绍并联型有源电力滤波器的工作原理及数学模型。
（2）研究基于傅立叶变换的谐波电流检测方法。主要包括傅立叶变换和改进后的各种快速傅立叶变换算法，如离散傅立叶变换算法、加窗快速傅里叶变换算法以及滑窗迭代离散傅里叶变换算法，对其进行理论分析和模型建立。
（3）分析有源电力滤波器控制系统对于补偿电流及直流侧电容电压进行控制的常用方法，主要包括三角波比较控制方法，滞环比较控制方法及无差拍控制方法等，通过理论与仿真分析选择合适的方法来构建有源电力滤波器的控制系统。
（4）对单相电路并联型有源电力滤波器的主电路进行参数设计，分析其数学模型并在此基础上建立仿真模型，通过对系统进行仿真验证检测与控制方法并优化参数。
2.2预期目标
（1）分析并联型有源电力滤波器工作原理，依据拓扑结构建立数学模型。
（2）采用基于傅里叶变换算法的谐波电流检测法检测线路中的谐波电流，搭建模型并检测其精度。
（3）建立基于空间矢量的滞环电流控制原理的仿真模型，分别对稳态和暂态负载以及电压畸变的情况下进行仿真分析。
（4）对直流侧电压的PI控制算法进行仿真分析。
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