基于matlab谐波抑制的仿真研究（毕设）(3)

2.6.2 有源电力滤波器的分类

图2.2有源电力滤波器拓扑分类

1．直流APF 和交流APF 根据应用场合不同，APF 可以分为直流APF 和交流APF 两大类。直流APF 主要是用来消除高压直流输电系统的换流站直流侧的谐波，但其研究较少，应用也较少。而交流APF 主要用于交流电力系统，所以是目前研究主要对象。 2．并联型APF 和串联型APF

根据接入电网方式，可以分为并联型APF 和串联型APF。并联型APF 是最早期的有源滤波装置，也是现在实际工业应用最多的一种APF。这种装置并联接入电网，相当于一个受控电流源，消除电流型负载的谐波。并联型APF 最大优点是安装、调试、维修、保护方便，负载甚至不用断电就可将APF 安装投入运行，所以工业上投入运行并联型APF占多数。但由于电源电压直接加在逆变器上，对开关器件电压等级要求较高；负载谐波电流含量高时，这种有源滤波装置的容量也必须很大，这样投资就比较大。另外，串联型APF 经过耦合变压器串联接入电网，相当于一个受控电压源，流过正常负荷电流，损耗较大。而且串联型APF 安装、投切、故障后的退出及各种保护也较复杂，单独使用串联型APF 例子较少。从补偿对象来看，并联型APF 适合补偿电流型谐波负载，串联型APF适合补偿电压型谐波负载。 3．混合型APF（HAPF）

由于受开关器件限制，高频变流器容量有限，且其造价随容量增大而急剧增加，于是便提出各种APF 和PPF 相结合的混合型APF（HAPF），可以减少有源部分容量，提高装置经济性。下面列出几种典型HAPF 拓扑。

（1）并联APF+并联PF

图2.3 并联APF+并联PF 的HAPF

在使用这种装置时，由于电网与APF 及APF 与PF 之间存在谐波通道，特别是APF与PF 之间的谐波通道，可能使APF 注入的谐波又流入PF 及系统中。所以较好方法是APF和PPF 按频率分段完成滤波功能，即由PPF 滤除低次谐波，APF 滤除高次谐波，或者反之。前者PPF 由多组单调谐滤波器及高通滤波器组成，用于滤除负载中占主要成分的低次谐波；APF 采用高频变流器，滤除剩余的高次谐波电流，由于高次谐波电流幅值较小，故APF 容量可以大大降低。后者PPF 为一组高通滤波器，滤除高次谐波及APF（变流器）产生的开关次谐波，而APF 只补偿较低次谐波，这样，变流器开关频率可以较低，可以采用频率较低的大功率开关器件，降低成本，减少损耗。这种装置，APF 容量虽然降低了，但是APF 仍然承受全部基波电压，开关器件的耐压等级没有降低。

（2）串联型APF+并联PF

图3.4 串联型APF+并联PF 的HAPF

串联APF 相当于一个电流控制电压源，产生的谐波电压与电网支路中谐波电流成正比。因此对谐波电流而言，APF 可以等效为一个谐波电阻。当谐波电阻的阻值远远大于电网阻抗和无源滤波器等效阻抗时，电网支路电压和电流中将只有很小的谐波残余。对基波而言，APF 呈几乎为零的极低阻抗，不消耗基波功率。因此，APF 相当于一个谐波隔离装置。串联APF 将迫使负载的谐波电流流入无源滤波器，同时也阻止了电源的谐波电压窜入负载侧。对谐振频率处的谐波，无源滤波器呈极低阻抗。

这种方案结合了无源滤波器和有源滤波器各自优点，装置的补偿容量可以做的很大。由于大部分谐波由相对廉价的无源滤波器滤除，装置成本相对较低。这种结构的缺点是：在低次谐波及其它频率处，要使APF 的等效谐波电阻远远大于无源滤波器等效阻抗是很难的，因此对电网中闪变分量，用该方法不能实现隔

绝；当负载电流中存在无源滤波器不能滤除的谐波时，由于APF 强制这部分谐波流入PPF，这将在负载入端产生谐波电压；由于APF 串联在电路中，绝缘较困难，维护也不方便；在正常工作时，注入变压器仍然跟单独使用的串联型APF 中一样流过所有负载。

（3）APF 与PPF 串联后并联接入电网

图2.4 APF 与PF 并联后并联接入电网的HAPF

该方式中谐波主要由LC 滤波器滤除，而APF 的作用是改善LC 滤波器的滤波特性，克服LC 滤波器易受电网阻抗的影响、可能与电网阻抗发生并联谐振等缺点。在这种方式中，APF 不直接承受系统基波电压，因此装置容量小，开关器件耐压等级降低，克服了大容量APF 结构复杂、损耗大、成本高的缺点，使整个系统获得良好性能。另外，这种方案的结构较为复杂，需针对特征谐波选取LC 网络的调谐频率，不适用于非特征谐波源补偿。该方式的谐波阻尼K 不能太大，否则会引起系统不稳定。

（4）注入型APF

图2.5 串联谐振注入型

图2.6 并联谐振注入型

为了将单独使用的APF 上承受的基波电压移去，使有源装置只承受谐波电压，从而显著降低有源装置的容量，可以选择用LC 串联或并联谐振网络作为注

入电路（见图2.5和图2.6）。在图2.5 的串联谐振注入型APF 中，LC2 网络在基波频率处发生串联谐振，阻抗很小，逆变器不承受基波电压，而对于高于基波频率的谐波分量，LC2 网络阻抗较大，APF 产生的谐波电流绝大部分将流入主电路，但是要同时获得较好的谐波不唱性能 和较小的有源装置容量比较困难，而且支路上端的电容将很大。并联谐振注入方式原理与之类似。如图2.6所示，LC 网络在基波频率出发生并联谐振，阻抗很大，基波电压基本上加在LC 网络上，而对于高于基波频率的谐波分量，LC 网络阻抗较小，并远小于支路中另一个电感的谐波阻抗，则APF 产生的谐波电流的绝大部分也将流入主电路。另外，值得一提的是，串联谐振注入型APF 可以补偿无功功率，主要由支路上端的电容补偿；而并联谐振注入型APF 可以补偿无功功率，因为之路上端的并联谐振电路的基波阻抗很大，难以产生较大的基波无功电流注入主电路。 2.7 并联有源电力滤波器补偿特性的研究

并联型APF不是一种理想的补偿装置，其补偿特性会受到谐波源特性的影响。适用于补偿谐波电流源。 2.7.1谐波源

所谓“谐波源\通常是指各类特定的用电设备，即非线性设备，或称非线性电力负荷。谐波源分为谐波电流源和谐波电压源件，这是谐波产生的根本原因。

1．谐波电流源

对于各种换流设备，电气化铁道，电弧炉及数量很大的电子节能设备，家用电器等典型非线性负载，即使供给理想的正弦波电压，它们也将产生非正弦电流。且谐波成分基本上只与其固有的非线性及工况有关，而与这些负载的内部阻抗的变化几乎无关。因此，此类非线性负载可以认为是谐波电流源。

2．谐波电压源

典型的谐波电压源是发电机。由于结构上不可能完全对称，空气隙的磁导不可能完全均匀等因数，发电机在运行时总会产生一些谐波分量，其谐波电势取决于发电机本身结构及工况，它是一个谐波电压源。

通常忽略由发电机产生的谐波电势，只考虑非线性负载产生的非正弦电流。 2.7.2有源电力滤波器补偿特性的基本要求

有源电力滤波器对高次谐波的补偿效果可以用以下两个指标来衡量。 1．谐波含有率HR

该次谐波的均方根值与基波均方根值的百分比表示，称为谐波含有率HR。

h次谐波的电流含有率HRIn?In?100％ I1Un?100％ U1 h次谐波的电压含有率HRUn? 2．总谐波畸变率THD(Total Harmonic Distortion)

指各次谐波均方根值的平方和的平方根值与基波均方根值的百分比 UH??Un2 THDn?n?2?UH?100％ U1 IH?

?In2 THDi?n?2?IH?100％ I1提高电能质量，对谐波进行综合治理，防止谐波危害，就是要把谐波含有率和总谐波畸变率限制到国家标准规定的允许范围之内。补偿后的电源电流总谐波畸变率THD越小，补偿效果越好。

2.7.3影响有源电力滤波器补偿特性的因素

从原理上讲，有源电力滤波器可以实现谐波源负载中谐波的完全补偿，但实际这是很难实现的。因为在谐波检测环节、控制系统和指令电流运算电路的误差导致补偿电流存在误差。误差可以分为：幅值误差和相位误差，会影响有源电力滤波器的补偿特性，使谐波源的谐波不能彻底完全补偿。 2.7.4并联型有源电力滤波器补偿特性

图2.7并联补偿谐波电流等效电路图

并联型APF对谐波源进行补偿时，其系统单相等效电路如图2.7所示。图中：

us为电源端电压，当电源中没有谐波，只包含基波时u?us?i1?Zs1(i1,ZS1分别为基波电流和电源基波阻抗)。由于电力系统中大多数谐波源为谐波电流源要补偿谐波就要有一个APF向电流型谐波源提供谐波电流，从而，电源只向谐波源提供基波电流。iL?is?ic式中：iL为谐波源电流，is为电源提供的基波电流，ic为APF向谐波源提供的谐波电流，可以利用APF的并联补偿实现。若电源向其它负荷供电，因为电源本身只包含基波，不会对其它设备产生干扰。

2.8 谐波源的数学模型的研究

2.8.1 单相桥式整流电路非线性负荷

如图2.7所示，设电源电压为VS?2Usin(?t??) ，式中U为电源电压有效值，?为基波电压和电流的相位差。为便于分析，假设以下理想条件：交流侧电抗为零，而直流侧电感L 为穷大，并且忽略电流脉动，则交流侧电流为理想方波。

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