1 绪论
1.1 引言
随着国民经济的不断发展和提高，能源问题逐步成为人们关注的热点，电能因其便捷、安全、可快速转化为多种形式等特点应用广泛，与生产生活的各个领域紧密相连。传统能源逐渐枯竭引起的能源危机让世界各国对环保问题日益重视，在新技术的基础上新能源应运而生，如太阳能、风能、地热能等，中国电联早在 2012 年的《中国新能源发电发展研究报告》[1]中就已经阐述了风能的开发标准与详细规划。但太阳能、风能等受环境影响较大，输出的电能质量参差不齐，如若不采取任何附加调整将其直接输入电网，会产生大量复杂谐波，降低电能质量，甚至带来严重危害。20 世纪 50 年代出现的电力电子技术历经了整流器、逆变器、变频器三个阶段，由最初的单一学科，发展成为融合电路理论、数字信号处理以及硬件集成等技术的交叉学科，现普遍应用于电力系统，各种交直流电机调速、输变电一次设备和二次设备行业、电力环保等都离不开电力电子技术。但随着电力电子技术的日益成熟，工业应用范围的推广，从发电机励磁系统的控制、企业运行的电脑设备到家用变频空调使用等无处不在，不可避免的会作为谐波源产生一定的谐波污染电力系统，并且这一问题随着社会的发展进步不断加深，单个产生的谐波影响小，但是庞大数量集中起来引起的负面影响不容小觑。目前，我国的分布式发电技术主要是指采用低成本和容量小，但却可以提供可靠、清洁电能的技术，这些发电装置直接连接在配电网上，操作简单能够方便地自动运行，输配过程损耗低，根据利用能量的不同主要有光伏发电、地热发电、燃料电池等[2]。小容量分布式电源(distributed generation, DG )单一与电网相连，运行产生的谐波对电网影响甚微，但如果大范围内或在主要线路、主供电区接入过多的话，则会引入大量谐波，对系统产生一系列影响。为保证电网的可靠持续稳定运行，必须对谐波进行分析，并在分析计算的基础上设计相应的方案予以消除，以实现电网安全、经济、高效的运行。
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1.2 谐波的基本概念
国际上公认的谐波含义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”[3]，它明确指出谐波的次数k 必须为一个大于1的正整数，也将其称为高次谐波。然而，实际电力系统中的电压、电流总是非正弦波，或是由电源本身发出的波形本身就有畸变，使得流经线性元件后得到非正弦波形；亦或是有非线性元件存在。通过非线性元件的电流与其电压不成正比，即阻值不是定值，正弦电压作用后其波形变为非正弦。理想情况下认为电网的电流和电压均是正弦波，设某一个单元由线性元件组成，则认为其电流是正弦波，而由于谐波源存在，打破了上述假设。电力系统中的谐波源包括发电设备和用电设备，除了发电系统本身励磁饱和影响发电质量，电力系统中的电力电子装置是最主要的谐波污染源，如开关电源、整流设备等，所以将引起正弦波形发生畸变、引入谐波的设备以及负荷定义为（高次）谐波源。产生的根源是电力系统中某些设备和负荷的非线性特性，能够产生谐波的非线性设备都属于谐波源范畴，并且决定了所引入谐波的特性。电力设备自身会产生谐波污染降低电能质量，而近年来，无论工业还是民用的电气设备，如变压器、日光灯以及变频的冰箱空调等家电设备都是采用了非线性元件，会产生大小不一的电力谐波[4]。非线性负载产生畸变电流波形引起电压波形畸变，单相非线性负载不仅能够使电压波形畸变而且会引起系统三相不平衡，长时间运行引发设备损耗剧增，甚至导致系统故障，进而引发大规模的停电事故。
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2 有源电力滤波器的研究
2.1 概述
上世纪二、三十年代谐波问题开始进入人们的视线，引起了广泛关注和研究[12]，此后，高压直流输电技术开始广泛的发展应用，加快了人们对谐波问题进行探究的步伐，形成了许多有关谐波问题的优秀成果。历经了近四十年的发展，电力电子技术日趋成熟，各种非线性设备雨后春笋般地涌现，使用数量的剧增给电网引入了大量的谐波，对电网的设备以及电能质量带来不容忽视的负面影响，迫使人们对其进行更加细致的研究和治理工作[13]。此外，随着现代科技的发展，接入电网的非线性负载设备引起的谐波问题将更加凸显，因此谐波的抑制与科学治理迫在眉睫。
2.1.1 谐波的治理
针对谐波出现的机理可以总结其治理措施主要有[14]：一、受端治理，对受到影响的对象采取措施，让其自身免受干扰；二、主动治理，对谐波源进行干预，使其尽可能减少谐波产量；三、被动治理, 加装相应的补偿装置，将谐波滤除使其不在电网流动或避免流向负载端。谐波问题在 1920 年前后走进人们的视线，并有德国学者提出相关概念[15]。显而易见的，任一装置受到谐波的影响就改善其抗干扰能力来抵御，受端治理采取的措施有[11]：(1)在前期规划和设计阶段将谐波源的供电做妥善安排，降低对与之有关设备的危害程度。(2)控制电容器的接入方式或接入数量，避免谐振对谐波的放大以保证其在电网内安全通行。(3)改进入网设备自身的性能，增强防御能力。(4)对某些谐波敏感设备安装先进的保护措施。由于受端治理在电网谐波较大时无法解决谐波对电网设备的影响，人们将改进的目标转移到了谐波源，即改造谐波源本身，所采取的措施[12]主要有：（1）采用多重化技术。即多相整流，若干变流器联合采用多重化技术获得类似正弦波的阶梯波，实现起来较为复杂，资源消耗大。（2）用脉宽调制(pulse width Modulation, PWM )技术，优化变流器引入的谐波属性，但适用范围却受限制。
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2.2 有源电力滤波器的分类
APF种类繁多，根据应用场合可以分为有源直流和有源交流两类[34]。前者是在高压直流系统中，将直流电源中纹波电压在负载中引起直流分量以外的纹波分量（等效于交流系统中谐波的概念）滤除，按照直流负载的接入方式可以分为串联直流APF、并联直流APF；后者适用交流电力系统中各电压等级的有源滤波，大致的分类如图 2.5 所示。按照变流器类型分类，有电压型APF和电流型APF，也可根据与交流侧交换能量的储能元件作为分类依据[35]。电压型APF效率高，开关损耗少；电流型APF的电流控制能力强，能够迅速反映负载的波动，却不能用于多电平场合，而其高损耗问题则或许会随着超导的出现得到改善。根据应用场合和相数的差异，APF可以分为单相和三相，后者又可以由中线补偿情况分为三相三线和三相四线。而三相四线APF根据主电路的不同分为三单相、三桥臂电容中分和四桥臂[36]。谐波特征和滤波的成本预算决定了实际治理的方案，三单相用到的开关器件最多结构相对复杂，实际中基本不会采用；三桥臂电容中分型将电容中点直接/经电感与系统的中线相连，用到的元件最少结构简单，但直流侧中点电位的偏移始终得不到解决；四桥臂则单独拿出来一个桥臂来补偿中线电流，不存在电位偏移问题，但是多一条桥臂就意味着需要额外的硬件电路，成本相对会增高。按照接入电网的方式则将APF分为图 2.6 中的三种类型。串联型APF是将主电路与负载电路通过耦合变压器与电力系统串联，用来补偿系统中带有容性元件的非线性装置（电压型谐波）。但是工作时流经该滤波器的为全负载电流，因而会产生很大的能量损耗[33]，另外，串联APF涉及的操作也较为复杂，实际上多需要与无源滤波等其他补偿装置配合工作。
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3 三相四线制谐波电流检测的关键技术 ....... 23
3.1 常见谐波电流检测方法 .....23
3.2 基于瞬时无功功率理论的经典检测法 ........24
3.3 改进的 p-q 谐波电流检测法.......28
3.4 本章小结 ...........40
4 三相四线制谐波电流补偿控制策略 ........... 41
4.1 引言 ..........41
4.2 常用的电流控制跟踪方法 ..........41
4.3 三相四线制三维矢量调制策略 ...........44
4.4 比例谐振 ...........52
4.5 本章小结 ...........57
5 主电路参数设计与仿真 .... 58
5.1 关键参数的选择 ........58
5.2 仿真结果 ...........59
5.3 本章小结 ...........67
5 主电路参数设计与仿真
5.1 关键参数的选择
并联APF正常工作时直流侧与交流侧不间断交换能量，这一过程的稳定要求电容电压稳定，APF中直流侧电容dcC 具有稳压作用，取值的大小决定了 APF直流侧dcU 的波动范围。电容值大稳压效果好，却降低了响应速度，电容成本增加体积变大；如果dcC 过小，直流侧电压的剧烈波动会影响补偿的效果，为了避免波动产生的纹波形成浪涌电压/电流，需要选择适当的dcC 将波动限制在较小的一定范围内，通常记直dcU 波动系数 λ，取值一般为 0.02。交流侧电感是APF稳定运行的必要条件之一，APF 通过电感实现电能的储存与反馈，电感L的大小决定流过逆变器的电流最大值，是决定补偿电流变化率最主要因素，直接决定了跟踪补偿的响应速度与产生纹波大小。电感L值比较小，那么补偿电流的变化率就大，能够快速变换去追踪参考指令电流，谐波跟踪效果明显。如果L过小，补偿电流变化率太大，易产生较大纹波，致使输出的补偿电流出现超调形成毛刺[68]；开关器件频繁通断带来的波动致使实际补偿电流里含有大量高频分量，达不到滤波的目的反而严重影响电网电压质量。若L取值大，则补偿电流变化率小，跟踪电流变化缓慢，跟踪电流不能及时准确的追踪参考指令电流，增大实际输出与指令电流的差值，降低APF对参考电流的跟踪控制能力，因此，必须综合考虑纹波与动态性来决定其具体取值。
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总结
在世界能源短缺、环境污染的现状下，越来越多的发展中国家工业迅猛发展，对电能的需求不断攀升，以太阳能为主的分布式电源大量投入电网，降低了配电网安全运行的稳定性。此外，非线性电子设备的广泛使用，给电网引入的谐波、造成无功功率下降都是迫切需要解决的问题。APF作为当前应用最广泛的电力滤波设备，将来也有着广阔的发展空间。本文对其谐波电流检测、指令电流跟踪、补偿电流发生的相关内容作了详细的探讨，提出了一些可行的建议以供参考。
1）本文对谐波的概念、来源以及影响做了系统的介绍，进而引出谐波治理的措施，阐述了APF的分类、工作原理等相关内容。以瞬时无功功率理论为基础，介绍 Clark 变换前后电流、功率等各分量之间的关系，为下文分析谐波电流检测法奠定基础。
2）利用广义积分器良好的选频特性，提出的改进 p-q 谐波电流检测法克服了传统 p-q 检测法应用范围的限制，避免了锁相环引起的延时，响应速度快并且算法简单，成本降低。
3）根据常用谐波电流跟踪控制方法的比对，采用改进的 PR 控制器跟踪指令电流，系统阐述了 a -b-c坐标下 3D SVPWM的原理，以及如何根据空间四面体的位置确定所需的开关矢量组合；通过仿真确定控制器各参数，调整系统增益和截止频率达到无静差跟踪。
4）建立了三相四线制四桥臂并联 APF数学模型，并对主电路参数取值提供了选取依据。采用 Matlab/ Simulink仿真软件，搭建上述 APF 整体仿真模型；电压不同情况下的仿真结果显示，补偿后电流的THD降为 2%左右，符合当前谐波治理的标准。
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参考文献（略）