第一章 绪论
1.1 电力谐波问题
近年来，随着电力电子装置的广泛使用，由这些非线性装置产生的谐波问题对电网的正常运行构成了威胁，负载设备在高次谐波的影响下会产生许多问题。因此检测并补偿谐波的问题已经得到人们的重视。谐波源是指各种非线性负载设备，电网电压为正弦波，当直接加载到阻感性负载上时，产生的电流也是正弦形式；而如果加载非线性负载上时电流就会发生畸变，所形成的电流就会既有基波电流同时也含有高次谐波电流。在供电系统中，通常电压和电流按着正弦模式分析。正弦电压可以表示为u (t )2Usint(1-1)在上述式子中 U——电网电压的有效值；ω——角频率；α——电压初相角。
电网中的谐波来源主要有两方面：一个是含功率开关器件的非线性元件电力电子设备，如各种整流、逆变和调压设备；二是带有铁磁和电弧的铁磁谐振设备，如交流电弧炉、变压器等。谐波对电网和用电设备的危害，主要体现在下面几个方面：
（1）谐波对电网造成污染。谐波使电网中的用电设备产生附加的谐波损耗，恶化供电质量，降低输配电设备的使用效率，增加电网线损，甚至使负载不能正常运行，在三相四线制系统中，中线中会流过零序谐波电流尤其 3 次及其整数倍次电流，产生过热现象；
（2）谐波会产生额外的热效应从而引起用电设备发热，使绝缘老化，降低设备的使用寿命；
（3）谐波会引起一些诸如继电器能保护设备的误动作，同时也会导致测量仪表读数不准；
（4）谐波容易使电网与补偿电容器之间发生并联谐振或是串联谐振，使谐波电流放大几倍甚至数十倍，造成过电流，引起电容器和与之相连的电抗器、电阻器的损坏；
（5）谐波通过电磁耦合对其附近的通信系统产生干扰，使通讯信号发生失真。目前，解决电网及用电设备的谐波污染主要有两种基本思路:一是装设谐波补偿装置，这对谐波抑制和无功补偿是广泛适用的。二是对电力电子装置本身进行改造，或改进电气设备，使其不产生或减少产生谐波，且使得功率因数接近于1。
对于谐波补偿装置，通常采用 LC 无源滤波器，又称为无源滤波器（PassiveFilter），也就是常说的 PF 滤波器，是最早的得以应用的滤波装置，它由电抗器、电力电容器和电阻以一定方式相互组合起来根据谐振原理消去谐波，如图所示
有源电力滤波器（Active Power Filter 简称 APF）是一种新型的电力电子装置，可以动态抑制谐波和补偿无功。与无源滤波器相比，有源电力滤波器可控性高和响应速度快，可以补偿各次谐波。APF 能够跟踪电网频率的变化且不与容易发生谐振现象；控制电路容易实施限流保护，体积小，重量轻。正是由于以上优点，有源电力滤波器已成为抑制谐波和改善功率因数的重要方法，受到了极大的关注。
1.2 无功功率的影响及动态补偿
功率因数反映了发电机发出的总的功率有效利用的比例，如果在发出的总功率不变的情况下，功率因数越大，能量利用率也越高。这样负载中的无功功率可以降到最小，总的视在功率中的大部分功率以有功功率的形式提供给负载，电能输送的效率和最终的利用率将大为提高。
工业生产和生活中的用电负载中绝大部分是阻感负载，这些阻感负载消耗了大量的无功功率。例如，工农业生产中广泛应用的异步电动机、变压器等装置是电网中无功功率消耗的主要设备，另外，输电系统自身吸收的无功功率也占据了很大的部分。
(1)负载中大量的感性设备消耗了大部分的无功，如异步电动机等阻感性负载必须要从电网中吸收无功功率才能维持其正常运行，异步电动机在生产企业中会消耗全部无功功率的一半以上，尤其在其空载时消耗的无功也会占据其所消耗无功的绝大部分。
(2)变压器也是消耗无功功率的“大户”，它所消耗的无功约占其总容量的一成左右，它的空载时无功功率损耗远远高于满载时的损耗。
(3)电网电压过高会对无功功率产生很大的影响，由于磁路饱和的缘故，当供电电压高于额定电压的百分之十时，无功损耗将会增加三分之一。降低供电电压虽然可以降低无功功率提高功率因数，但电压低于用电设备的额定值时设备又无法正常工作。
第二章 有源电力滤波及功率因数补偿器
2.1 有源电力滤波的分类及工作原理
有源电力滤波器可以分为串联型、并联型、串并联型和混合型四种，各自应用在不同的场合，适用于不同的补偿对象。
2.1.1 并联型有源电力滤波器并联型
APF在实际生产中的应用最为广泛，它相当于一个受控电流源，主要用来补偿谐波由感性负载设备引起的高次谐波电流，如图 2-1 所示为单相APF工作的示意图，但实际应用中三相居多。
并联型 APF 系统由两部分组合而成：一是指令电流运算电路，包含谐波的检测和补偿电流的计算；二是补偿电流发生器。在上图当中， 表示电源电流，表示负载电流， 表示补偿电流。谐波检测电路负责将负载电流 中所包含的谐波分量 和无功分量 分离出来，然后将它们反向并产生补偿电流 的指令信号 ，控制电路再根据 的值输出触发脉冲，通过驱动隔离电路驱动主电路的功率开关器件，使其产生补偿电流。
第三章 谐波及无功电流检测方案.........................26-36
3.1 基于自适应神经元网络.........................27-30
3.1.1 自适应噪声对消技术......................... 27
3.1.2 基于自适应线性神经元......................... 27-30
3.2 基于瞬时无功功率理论.........................30-34
第四章 有源滤波及功率因数补偿装置......................... 36-53
4.1 有源电力滤波器的控制方法 .........................36-40
4.1.1 APF主电路的控制方法......................... 36-38
4.1.2 滞环比较控制的基本思路......................... 38-40
4.2 基于模糊控制的滞环比较控制......................... 40-45
4.2.1 输入量的模糊化处理过程......................... 41-43
4.2.2 模糊规则的确定......................... 43-44
4.2.3 输出量H的清晰化 .........................44-45
4.3 有源电力滤波直流侧电压控制......................... 45-48
4.4 晶闸管投切电容组（TSC）......................... 48-53
4.4.1 TSC控制系统的脉冲触发......................... 48-49
4.4.2 TSC投切过渡过程的研究 .........................49-51
4.4.3 TSC系统的控制策略......................... 51-53
第五章 系统仿真实验结果......................... 53-67
5.1 系统电气参数的设定......................... 53-54
5.2 系统仿真模型......................... 54-58
5.2.1 有源电力滤波器部分......................... 55-57
5.2.2 晶闸管投切电容组部分 .........................57-58
5.3 仿真实验结果分析......................... 58-67
结论
本文在深入分析了当前用于谐波补偿和无功补偿的各种工具之后，对各种类型的有源电力滤波器做了介绍。谐波抑制和无功补偿是两个相对独立的课题，针对二者之间的相互交叉融合做了探讨，提出了并联型有源滤波器与晶闸管投切电容联合应用的方案，针对这两者之间的联合使用做了分析。
文章对并联型有源滤波器的结构和原理以及在谐波抑制中所发挥的作用做了研究，对当前的谐波及无功电流的检测方法进行了对比研究，就自适应神经元网络的谐波检测算法进行了剖析。对基于瞬时无功功率的pqi i法和 法做了对比分析。d q为了方便分析研究，在 abc 坐标系下搭建了 APF 与 TSC 联合系统的数学模型，在此基础之上对整个系统的控制结构和控制方法做了分析，针对逆变器的电流跟踪控制、直流侧电压控制以及投切电容的控制方案做了分析。
对于滞环环宽固定而产生的功率器件的开关频率问题，采用基于模糊控制的变滞环宽的方案，在误差电流的不同情况下采取不同的环宽阈值，在控制精度和功率器件的开关损耗之间寻求最佳的折中。直流侧电压采取 PI 控制调节的方案，维持电压基本恒定的前提下与交流侧发生能量的交互。对于晶闸管投切电容组部分选取了合适的检测物理量，并分析了投切时刻电容剩余电压所应满足的条件。