1 绪论
1.1 谐波的产生与影响
根据国际电工 (IEC :InternationalElectrotechnicalCommission)标准 (IEC555 -2,1982)谐波定义是：周期量的傅里叶级数大于 1 的h次分量。当在线性无源元件电阻R 、电感L和电容C两端加上正弦电压时，R 、L和C的两端电压和电流分别具有比例、 积分和微分关系，且 具有相同频率的正弦 波形。当在非线性电路上施加正弦电压时，负载电流为非正弦波形， 在电网阻抗上非正弦的负 载电流产生压降， 从而使得电网电压波形出 现畸变，呈现非正弦波形。对于周期为 T =2π /ω的非正弦的电网电压 u (ω t )，通常满足狄里赫利条件， 写成傅里叶级数的形式 如下：
1.1.2 谐波的影响
谐波在电网中谐波的流动会损耗线路中的有功功率，因谐波具有高频特性，所以在线路上会出现集肤效应，从而增大了谐波电阻和线路的附加损耗；在输电电网中，谐波不仅仅会引起上述的损耗， 还会使电压波形出现尖峰 ， 使电路电缆绝缘加快老化 ，导致所浸渍的电缆绝缘的局部放电， 进而缩短了线路电缆的使 用寿命；当电网中较大的电流谐波流过断路器时，在电流过零时刻，将会是正常工作时的数倍，从而降低了断路器的开断能力，在谐波电流严重的情况下某些断路器的磁吹线圈 因无法正常工作从而致使断路器受损。在居民用电中 ， 由于家用电器的大量使用 ， 电网中会出现大量的3次 谐波成分，当大量的3次 谐波电流流过中线时，中 线会出现大于各相电流 数倍的电流，但是由于设计中对这一电流并没作太多考虑，因此在正常设计中线导线时，其线径都会比较细，故而当大量3三 次谐波电流流过中线时会使之引发严重的后果，如过载过热、绝缘损坏，以致引发短路发生火灾等。
在工业用电中， 谐波会引发电机和变压器 的附加损耗和过热，产生机械振动、噪声和过电压。由 于谐波电流的集肤效应 ，同步电机转子中的阻尼绕组、槽楔和套箍会发热，在 异步电机中谐波产生的 谐波电压所引起的磁饱和会进一步加重电机的附加损耗和发热。当 谐波电流流入变压器时 ，变压器的铁、铜损耗会增加，谐波的高频特性会加重变压器的集肤效应，铁 损耗进一步加大，加 剧变压器的发热，进而使变压器产生噪音。
1.2 有源电力滤波器的研究意义
在功率半导体开关器件 的飞速更新，控制技术日新月异，变流设备的功率等级的需求进一步提升的今天，人 们对电能质量的安全 问题更加关注，对 电能质量控制不容耽 搁。当前解决电力电子装置对公用电网的污染问题主要有两种方法，一是被动抑制法，二是主动抑制法，前者是对电网中的谐波进行滤波和补偿，后者是抑制电力电子装置本身的谐波，使其功率因数达 到理想值。
目前各式各样的负载装置越来越多的使用变流手段，使其装置的负载性质日益错综复杂，谐波源也多种多样，而以往的被动补偿装置存在诸多的缺陷，难以满足实际运用的需要，因此，研制能够更好的提高电能的质量的新型电力电子设备迫在眉睫。随着大功率可关断器件如GTO、IGBT和IGCT等的出现和相关技术的成熟，有望在不久的将来实现有效的电能补 偿 ， 随 着 我 国 对 有源电力滤波器对电力 系统进行谐波补偿的日益重视，在近年来有关有 源电力滤波器方面的研究 成为了热点课题，具有重要的研究意义，并且我国“十二五”计划中所提及的能源问题，更加体现了节约能源的重要性，因此有源电力滤波器具有非常不错的研究前景。
2 有源电力滤波器谐波电流检测技术
2.1 瞬时无功功率理论简述
瞬时无功功率理论最先是以瞬时实功率 p 和瞬时虚功率q为基础提出的，经过完善，又对瞬时有功电流pi 和瞬时无功电流qi 等物理量进行了补充。目前基于瞬时无功功率理论的检测方式有 p q检测法和pqi 检测法，基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法的一个最重要的特点是实时性好，利用该方法在只检测无功电流的情况下，可以完全无延时地得到所检测得无功电流，因此自20 世纪80 年代提出以来，在很多方面得到了成功的应用。
虽然在设计上述的滤波器 中都有相应的数学模型，对 参数的计算与设定也都很便利，但是，要在实际应用中很好的实现其功能特性仍是比较困难的，例如在数字信号处理器(DSP) 中，当计算复杂小数时，其精度就很难满足条件。指令电流运算电路中的低 通滤波器LPF 对三相电路中的基波分量 要求是不被衰减，而只衰减三相电路中的无 功分量与谐波分量， 即在两相电路中不衰减直 流量，只衰减交流量。根据0f = f，即临近特征频率的频率特性的特征，可将滤波器分为三类：巴特沃思(Butterwort h)、切比雪夫 (Chebyshev) 和贝塞尔(Bessel) 三种类型。图 2.4 为这三种类型低通滤波器(LPF)的幅频特性。在0f = f附近 Butterwort h的幅频特性曲线呈单调减趋势，没有峰值。在0f = f附近Chebychev 的曲线的衰减斜率最大，截止特性最佳。Bessel 的相频特性没有峰值，过渡特性最佳[29]。综合分析上述的过渡和仿真效果，本文选择 Butterworth 。
3 补偿电流控制技术................................ 26-36
3.1 周期采样控制方式................................ 27-28
3.2 三角载波控制方式................................ 28
3.3 滞环控制方式 ................................28-30
3.4 电压空间矢量控制法(SVPWM)方式 ................................30-35
3.5 本章小结 ................................35-36
4 APF 直流侧电压控制技术................................ 36-48
4.1 APF 直流侧电容的选择 ................................37-40
4.2 APF 直流侧电容电压的选定................................ 40-44
4.3 APF 直流侧电容电压的控制................................ 44-47
4.4 本章小结................................ 47-48
5 并联型有源电力滤波器的仿真分析................................ 48-73
5.1 MATLAB 电力电子仿真软件................................ 48
5.2 MATLAB 仿真软件中的电力系统元件模块................................ 48-50
5.3 负载模型 ................................50-53
5.4 APF 主电路参数设定................................ 53-61
5.5 基于i p iq运算方式的谐波检测模块仿真 ................................61-62
5.6 补偿电流模块仿真................................ 62-63
5.7 直流侧电压控制模块仿真................................ 63-65
5.8 整体系统仿真与波形分析................................ 65-72
结论
自上个世纪六七十年代有源电力滤波器 APF 的基本理念形成至今，随着大中功率全控型半导体器件技术的成熟，脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation—PWM）控制技术的日新月异，和 基于瞬时无功功率理论 的谐波电流检测策略的提出，有 源电力滤波器APF的研究得到了前所未有的发展。本课题主要完成以下五个方面的内容：
(l)介绍了 APF 的基本原理和分类， 其中着重分析了并联型APF的 结构和原理。
(2) 在理论基础上，对现有各种有源电力滤波器的电流检测算法进行研究分析。
(3) 通过对现有各种电流控制方法的研究分析和比较，选择电压控制矢量控制方式对补偿电流进行跟踪补偿。
(4) 对直流侧能量流动进行了阐述，通过对直流侧电压和直流侧电容作用的了解和选择，利用常用的带电容电压 PI 控制方式对直流侧电压进行控制。
(5) 对主电路参数进行了计算分析，并利用电力电子仿真软件对各个模块进行了仿真分析，为本文所采用的有源电力滤波器在今后实践中的运用提供了一定的理论基础。