本文是一篇电气自动化论文，本文从谐波的相关概念开始概述，介绍了APF的研究与发展现状，并对APF的谐波补偿电流控制策略研究现状进行概述，通过对比分析APF的分类，最后选择三相三线制并联型APF为主电路拓扑结构，完整又详细地研究分析了其理论基础，建立其数学模型。
第一章绪论
1.1课题的研究背景及意义
化石燃料的大量使用，带来严重的环境污染，对地球生态造成了不可逆的破坏。绿色发展逐渐成为世界能源发展主趋势。电能作为一种清洁安全能源，和人们的生活有着千丝万缕的联系，具有使用方便、易于传输、经济效率高且易于转换的特性，现如今已在各领域成为人类最主要且最依赖的能源。与此同时，人们对高质量电能的需求越来越大。电能质量不仅影响电力电子装置的工作寿命，而且决定着电力系统能否安全运行。电能质量不合标准，轻则线路不正常发热，电能损耗增加，线路寿命减短；重则线路烧损，电网发生缺相、断相现象，继而造成重大用电事故；更严重的则会造成区域电力系统直接瓦解[1]。
自20世纪70年代以来，科学技术发展迅速，各种非线性设备广泛应用于工业、交通业、家用电器中。工业中的整流装置、逆变装置、电力变压器、大型电机、工业锅炉等，这些非线性设备导致电网中电压或电流波形发生畸变；交通业中，电气化铁路、电车整流装置、蓄电池充电设备等也影响着电能质量；家用电器中，变频空调及冰箱等智能家电，使得电网谐波源种类不断增多。并且，人们在探究光伏发电、风力发电、核燃料发电等新能源发电技术时，在将这些分布式电源并入电网过程中，又出现三相不平衡问题、孤岛问题和谐波问题等一系列难题。这其中，影响最大的就是谐波问题，谐波问题使得电网电压或电流发生畸变，继而使得分布式电源成为一种谐波源。随着电网谐波源增多，电能质量不断下降，线路损耗增加，电网系统的安全性和稳定性下降。
非线性设备和分布式电源使得社会用电负载多元化及复杂化，电力系统谐波治理问题变得非常困难，成为全球各国关注焦点。在众多专家学者研究下，学者们提出了一系列谐波治理方案，其中有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）补偿电网谐波是目前最高效的方法[2]。而且APF凭借优良的动态特性和补偿性能逐渐成为学术界和工程界的热门研究方向。
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1.2 APF的国内外发展和研究现状
1.2.1 APF的发展与研究方向
APF的思想启蒙于B.M.Bird和J.F.Marsh在1969年发表的论文中，他们首次提出将3倍基波频率的电流量注入进交流电源中，可以降低电源电流中谐波的含量，从而使得电流波形更接近正弦波[7]。1971年，日本学者H.Sasaki和T.Machida首次正式系统的提出有源电力滤波器的概念，并详细阐述其基本工作原理[8]。1976年，美国西屋电气公司的L.Gyuig和E.C.Strycula首次在APF控制方案中引入PWM技术，并对APF的主电路进行介绍以及阐述其控制方式，APF的基础正式建立[9]。但由于当时工艺制造水平的限制，器件的损耗及成本又高，APF想要在实际中运用是不现实的。直到后来电力电子技术的快速发展，日本的H.Akagi等学者在1983年创造性地提出三相电路瞬时无功功率理论[10]，以该理论为基石衍生出的谐波电流检测法成功地在APF中应用，这又极大地促进了APF的发展。后来，F.Z.peng和H.Fujit等学者又提出了将LC滤波器与APF相结合的混合型滤波方案[11]。随后历经几十年的研究发展，美、日、德等一些发达国家已经有APF在实际应用中取得成功的案例。许多公司生产出的APF性能都十分优异，如：ABB、施耐德、西门子等企业。
相较于国外，我国APF的研究起点较迟，虽然一开始进展缓慢，但随着我国日益增长的电能需求和更严苛的电能质量要求，APF研究得到学者，高校及政府的重视，并迅速发展起来。以西安交大和浙大为代表，他们对APF有较为系统、完善的研究，推动了我国APF研究的进步[12]。2000年以来，我国对APF技术的研究更加成熟，逐渐有了市场化的应用。目前，浙江省早已将30KVA小容量的APF市场化了。湖南大学于2016年成功研制出多模块化并联型APF。但国内的APF与国外的相比，动态响应性与补偿效果略差一些，且市场上的产品仍以进口为主。总的来说，我国APF技术的研究与发达国家之间仍有差距，当前对APF的研究仍需继续下去，并加快APF产品市场化。
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第二章APF的数学模型与谐波检测算法
2.1并联型三相三线制APF的拓扑结构及数学模型
APF种类多种多样，不同种类的APF其拓扑结构和工作原理均不相同。因此本节先从APF分类介绍起，然后针对并联型三相三线制APF，研究其拓扑结构及工作原理，并建立APF的数学模型，为进一步理解APF系统控制建立基础。
2.1.1 APF分类
随着对APF研究越来越深入，技术也越来越成熟，各种各样的APF系统接连不断被研制出来。下图2-1即APF的结构分类及使用方式图。
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首先，根据接入电网方式不同可分为串联型、并联型以及串并联型。串联型APF要想接入电网，其方式比较复杂，一旦APF装置出现故障甚至可能造成电力系统断相或缺相，从而引发重大电力事故。因此如何让故障的APF安全脱离电网，以及确保电网安全运行充满了艰难。并联型APF接入电网的设计相较于串联型则容易些，现场投切更加安全可靠，其应用场合更加广泛且更有优势，因此并联型APF是目前应用最广泛的拓扑结构。串并联型则结合上述两种结构的优点，适用性较强，但控制方法较复杂。
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2.2 APF的谐波电流检测
从APF基本工作原理看，其主要组成部分是谐波电流检测和谐波电流补偿。谐波电流检测的作用是从非线性负载电流中提取出谐波电流，并将之作为指令信号。谐波电流补偿的作用是将检测出的谐波电流作为指令信号，控制APF发出的谐波补偿信号追踪指令信号，消除电网中谐波。因此，谐波检测的好坏直接与APF补偿谐波的能力相关，下面便介绍APF的谐波电流检测算法。
2.2.1 APF的谐波提取方法
总的来说，谐波信号的提取方法主要有频域法和时域法两个大的分支[44]-[48]。而频域法又可总结成两种：
（1）用傅里叶变换将三相电网电压和电流信号分解，从而算出其补偿量。但是用傅里叶变换分解进行谐波信号提取的方法比较复杂，实时补偿性能差，很多情况下达不到所需标准。
（2）通过带阻滤波电路进行谐波电流的提取。这种方法不容易用硬件实现，且精度不高。
分析上面两种频域法提取谐波电流的缺点可看出，频域法不能满足系统较高补偿精度与实时补偿的要求。而基于时域的APF谐波检测技术就能满足APF的补偿需求，故多采用时域法检测。基于时域法的谐波检测技术经过这么些年的不断研究与改进，现在应用的最广泛的是p-q谐波检测法，ip-iq谐波检测法以及d-q检测法。接下来就分别分析这些方法的优缺点。
自从H.Akagi提出三相瞬时无功理论以来，经众多学者研究与改进，衍生出了p-q与ip-iq谐波检测法[48]-[49]。上述两种检测方法在对称的三相交流系统中均能够精确地检测出谐波信号，但是只要三相电网系统电压发生畸变，p-q法检测出的谐波信号误差较大。虽然ip-iq法不受电压畸变影响，其检测效果比p-q法好，但是ip-iq法的谐波提取环节需要获取与三相电网电压中的一相相位相同的sint和cost，其中就用到了锁相环来获取，然而锁相环在三相交流系统电压不对称时会使锁相效果变差，此时ip-iq法就不精确了。
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第三章APF的补偿电流控制策略.............................21
3.1传统PI控制策略分析...........................21
3.2传统重复控制分析.................................23
第四章APF的频率自适应重复控制策略.............................39
4.1频率偏移情况下传统重复控制器分析...............................39
4.2改进的频率自适应快速重复控制策略.........................40
第五章APF的系统设计与实验验证......................51
5.1 APF主电路器件选型...............................51
5.1.1 APF容量的设计......................................51
5.1.2主电路直流侧电压Udc的设计.............................51
第五章APF的系统设计与实验验证
5.1 APF主电路器件选型
5.1.1 主电路直流侧电容的设计
工程实践中，APF主电路直流侧稳压效果与直流侧电容大小有关。电容值越大，稳压效果越好，补偿效果越好，但元件成本也随之增加。因此在选取APF直流侧电容的容值时，要均衡补偿效果与经济性，容量大小在能满足抑制电压脉动的需求后尽量选择容量值较小的。既避免了开关器件耐压值不足、成本高昂等问题，又保证了APF的稳定性，而且直流侧稳压效果也合适。
平波电抗器L的选取需考虑两点：第一点，要想补偿电流能够快速地追踪谐波指令电流，L的值越可能的小越好；第二点，为了抑制APF输出电流的纹波，L的值应选取得大一点。所以，平波电抗器L的取值应尽可能同时满足电流追踪效果与纹波抑制效果的需求。
APF系统通常由以下几个模块组成：主电路、信号检测电路、驱动电路以及控制电路模块。而信号检测电路包含负载侧谐波电流检测，APF输出补偿电流检测，APF直流侧电容电压检测以及电网A相电压检测；本文中控制电路模块的核心控制芯片选用的是德州仪器公司生产的TMS320F2812型DSP芯片，高达150MHz的主频，性能强悍，已经在工业控制领域广泛运用。控制芯片的功能主要包括AD采样，矩阵变换，低通滤波，APF补偿电流控制，APF直流侧电容电压控制，产生PWM脉冲；驱动电路位处主电路与控制电路间，具有保护、隔离的功能；主电路是三桥臂变流器电路，根据指令生成补偿电流。下图5-2所示便是APF的整体系统框图。
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第六章主要结论与展望
6.1主要结论
电能替代、绿色发展逐渐成为当今世界能源发展的潮流，电能作为与我们生活密切相关的清洁能源，已成为人类最主要且最依赖的能源，而谐波问题作为最影响电能质量的因素，已引起众多专家学者的关注。APF可以有效降低电力系统中的谐波含量以及补偿无功，是今后谐波治理的重要研究方向。基于上述背景，本文在大量阅读国内外参考文献，对国内外APF的发展及研究现状有了一定了解后，以三相三线制并联型APF为研究对象，对APF的拓扑结构、谐波电流检测方法以及APF电流补偿控制策略进行了深入研究。全文研究成果总结如下：
（1）本文从谐波的相关概念开始概述，介绍了APF的研究与发展现状，并对APF的谐波补偿电流控制策略研究现状进行概述，通过对比分析APF的分类，最后选择三相三线制并联型APF为主电路拓扑结构，完整又详细地研究分析了其理论基础，建立其数学模型。
（2）在谐波电流检测方面，深入研究由瞬时无功功率理论改进而来的p-q谐波检测法、ip-iq谐波检测法以及基于同步旋转坐标系的d-q检测法，并对比了三种谐波提取算法的优劣，最终选取基于同步旋转坐标变换的d-q法作为APF的谐波检测算法。
（3）在APF的谐波补偿电流追踪控制方面，针对传统重复控制虽可稳态无静差的追踪高频指令信号，但其动态性能差的问题，本文提出一种基于改进快速重复控制的复合控制策略，对重复控制器内模进行改进，并将模糊自适应PI控制优良的参数自适应性与动态响应性和改进快速重复控制较强的稳态追踪能力相结合，构成双环复合型控制器。既改善了传统重复控制动态响应延迟问题，又进一步提高系统补偿精度。并通过MATLAB仿真验证所提控制策略的正确性和先进性。
参考文献（略）