1 绪论
1.1 课题背景
1.1.1 电力系统谐波的定义
在供配电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形。正弦电压可表示为u (t ) = 2U sin(ω t+α)正弦电压施加在线性无源负载上，其电流和电压分别为比例、积分和微分关系，频率不会改变。但当正弦电压施加在非线性负载上，电流将会变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会导致电压波形随之变成非正弦波。同时，非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。对于周期为2Tπω= 的非正弦电压 u (ω t)，一般满足狄里赫利条件，可以分解为如下形式的傅里叶级数：
1.1.2 谐波的来源及危害
公用电网中的谐波源主要是各种电力电子装置、发电机、变压器、电弧炉和荧光灯等。在电力电子装置广泛应用前，主要的谐波源是电力变压器的励磁电流，其次是发电机。电力电子装置大量应用后，它成为最主要的谐波源。在电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。
常见的整流电路几乎都采用晶闸管相控整流电路和二极管整流电路，其中三相桥式和单相桥式整流电路居多，带阻感负载的整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后已被人们日益重视。直流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是严重的谐波污染源，此类电路输入电流的基波分量相位与电源电压相位大体相同，故基波功率因数接近1，但是它的输入电流的谐波分量很大，给电网造成严重污染，同时使得总的功率因数很低。此外，采用相控方式的交流电力调整电路与周波变流器等电力电子装置也会在输入侧产生大量的谐波电流。
除上述电力电子装置外，逆变器、直流斩波器和间接 DC—DC 变换器的使用也较广泛。虽然这些装置不直接产生谐波，但它们的直流电源主要来自整流电路，所以其谐波污染问题也很严重。在这些装置中，各种开关电源、不间断电源和电压型变频器等的使用量与日俱增，它们对电网的谐波污染问题也日益突出，特别是近年来广泛使用的各种容量的变频器，充斥在电网的各级负载中，它们带来的谐波问题是非常严重的。
（1）谐波使供配电网中的装置与负载产生附加的谐波损耗，导致电网供电质量下降，过量的 3 次谐波流过中线时会使线路过热直至发生火灾。
（2）谐波影响各种电气设备的正常工作。例如，谐波对变压器的影响除引起附加损耗外，还会产生额外的噪音和过电压，导致局部严重过热。谐波还会使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短。
（3）谐波会导致继电保护和自动装置误动作，从而造成断路器、自动重合闸等装置寿命缩短、可靠性降低，并会使电气测量仪表计量不准确。
（4）在旋转电机中，谐波的存在使其损耗增加、发热量增大、产生机械振动和过电压，严重影响电机的使用寿命。
（5）谐波会对临近的通信系统产生干扰及噪音，降低通信质量，严重时还会导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。
（6）谐波会导致精密用电设备可靠性降低，相关元件故障，甚至损毁。
2 谐波检测的基本理论
谐波检测是滤波器中的核心部分，作为有源电力滤波器中负责检测和计算补偿电流的指令电流计算电路模块，直接影响了有源电力滤波器的补偿性能。本章通过分析传统的谐波检测方法—傅里叶变换的特性及其在谐波检测中的优点与缺点，引出小波变换，详细论述其定义、性质及时频特性和相关的变换理论，为讨论基于小波变换算法的有源电力滤波器谐波检测方法奠定理论基础。
2.1 傅里叶变换傅里叶分析是谐波分析的理论基础
傅里叶分析的实质是把信号看成一系列基本信号的加权线性组合，以这些基本信号的分析代替对原信号的分析，使得信号在局部的特点得以突出，有利于对信号的某些组成部分进行分析和处理。在傅里叶变换的基础上加以离散化，即为离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform,DFT）。随着计算机技术的普遍应用，快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform,FFT）出现在了傅里叶分析之中，它为这一数学工具赋予了新的生命力。
实际工程中，常用的信号主要有两种，一是随时间连续变化的信号，这种信号称为模拟信号；另一种是将连续信号经离散化后得到的离散信号，也称为采样信号。事实上，电力系统的非正弦周期波都是不规则的畸变波形，此类波形无法用具体函数解析式表示，所以无法利用傅里叶级数进行计算。一种常用的方法是利用定时采样装置对该种波形的时间连续信号进行等间隔采样，并把采样值依次转换成数字序列，然后借助计算机进行快速谐波分析。
3 有源电力滤波器的基本理论................................ 33-46
3.1 谐波治理的措施................................ 33-37
3.1.1 高功率因数变流器................................ 33
3.1.2 无源滤波器 ................................33-35
3.1.3 LC 无源滤波器的设计准则................................ 35-37
3.2 有源滤波器的理论研究 ................................37-40
3.2.1 有源电力滤波器的基本原理................................ 37-38
3.2.2 有源电力滤波器的系统构成................................ 38-39
3.2.3 有源滤波器的主电路形式 ................................39-40
3.3 并联型有源电力滤波器 ................................40-41
3.4 串联型有源电力滤波器 ................................41
3.5 混合型电力滤波器................................ 41-46
3.5.1 并联型混合电力滤波器 ................................42-44
3.5.2 串联型混合电力滤波器................................ 44-46
4 混合型电力滤波器的设计................................ 46-56
4.1 滤波器的系统原理 ................................46-48
4.1.1 滤波器的谐波检测方法 ................................46
4.1.2 电流跟踪控制电路 ................................46-48
4.2 基于 DSP 的 PWM 信号发生原理................................ 48-51
4.3 滤波器结构设计与器件选取 ................................51-56
4.3.1 无源电力滤波器的设计 ................................51-52
4.3.2 主电路的设计 ................................52-56
5 混合型电力滤波器仿真................................ 56-63
5.1 滤波器仿真模型................................ 56-58
5.2 波形分析................................ 58-62
5.3 仿真结论................................ 62-63
结论
通过分析与仿真，得出如下主要结论：
（1）基于傅里叶变换的谐波检测方法在当前电力系统谐波检测中应用较为广泛，本文通过理论分析说明了基于小波变换的谐波检测方法在分析非线性、随机性、非平稳性谐波方面具有优势，仿真结果验证了通过选取合适的小波函数可以达到很好的检测效果。
（2）分析了电力系统常用无源滤波器和有源滤波器的分类、拓扑结构和主电路参数的设计，详细分析了不同类型的有源滤波器在抑制谐波方面的优缺点，讨论了数学模型的建立。比较了无源滤波器，单独使用的串联型、并联型有源电力滤波器，以及包含无源和有源滤波器的混合型电力滤波器在谐波处理方面的区别，深入研究了混合型电力滤波器的主电路拓扑结构、参数设计。
（3）设计了一种混合型有源电力滤波器，给出了该滤波器的主要结构、无源滤波器的参数设计方法、有源滤波器的主电路，讨论了其数学模型的建立。
（4）给出了基于 MATLAB 软件的 SIMULINK 模块的四组仿真实例，分别是单独使用的第一组无源滤波器、第一组和第二组无源滤波器共同作用、单独使用的有源滤波器和两组无源滤波器与有源滤波器共同投入使用。仿真结果表明，电源波形中的低次和高次谐波都得到了抑制，波形总体畸变率明显降低，表明本文设计的混合型电力滤波器在处理谐波方面是有效的。