有源电力滤波器与谐波控制研究
当代电网系统中非线性负载的大量使用，各种非线性电力电子装置大规模应用，产生了一系列谐波的治理问题。电力电子装置的开关动作向电网中注入了大量的谐波，结果交流电网中电能波形的失真。电力电子装置成为主要谐波产生源头，电能质量的下降严重影响这电力系统的安全，降低了电能的质量。如何高效地改善电能质量已经成为一个重要课题，谐波治理是电能质量提高的重要部分，也是电力系统亟待解决的问题。。 本文首先从数学角度介绍谐波的基本概念、谐波的产生、谐波的危害和抑制谐波几种方式。其次，介绍有源滤波器的基本工作原理与结构。然后介绍有源电力滤波器的一些谐波检测方法及电流跟踪的方法。 单相谐波检测方法主要介绍了两种检测模型：求导型单相谐波检测方法和延时型单相谐波检测方法。因为求导型谐波检测方法的求导会产生信号的毛刺。综合上述两种方法的对比，谐波检测采用延时型单相谐波检测方法。电流跟踪环节采用闭环控制方法，PWM波形的产生采用三角载波控制方法，该控制方法的优点是控制简单。本文以单项有源电力滤波器的模型仿真为基础，依次通过上文介绍有源滤波的谐波检测方法、控制方法进行搭建。最后，通过MATLAB/SIMULINK搭建单项有源电力滤波器的模型，通过观察电流波形，进一步分析有源电力滤波器的模型如何优化及最后对有源电力滤波器的发展的展望。
目录
第1章 绪论 1
1.1引言 1
1.2 谐波相关问题及现状 1
1.2.1谐波的概念 1
1.2.2谐波产生 3
1.2.3 谐波的危害 4
1.2.4 谐波抑制 5
第2章 有源电力滤波器的结构及原理 9
2.1引言 9
2.2 有源电力滤波器的基本结构 9
2.3 并联型有源电力滤波器的数学模型 10
2.4 有源电力滤波器的主电路设计 12
2.4.1 主电路 12
2.4.2 交流侧电感的设计 14
2.4.3直流侧电容的设计 15
2.4.4直流侧电容电压的控制 16
2.4.5有源电力滤波器容量定义 16
2.4.6主电路器件的选型 17
第3章 有源电力滤波器的谐波电流检测 18
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3.1引言 18
3.2 基于瞬时无功理论的谐波电流检测法 18
3.2.1 瞬时无功理论 18
3.2.2 谐波检测法 20
3.2.3 谐波检测法 21
3.3 快速谐波检测法 22
3.3.1、求导型单相快速检测方法 22
3.3.2 延时型单相快速检测方法 24
3.4 其他谐波检测方法 25
3.4.1 模拟滤波器谐波检测法 25
3.4.2 基于神经网络的自适应检测法 25
第4章 有源电力滤波器的控制策略 26
4.1引言 26
4.2 电流跟踪控制 26
4.2.1 周期采样控制方法 26
4.2.2 滞环比较控制方法 27
4.2.3 三角载波控制方法 27
4.2.4 空间电压矢量控制方法 28
4.2.5 重复控制 28
4.2.6 模糊控制 28
4.3 神经网络的PID控制 29
第5章 单项有源电力滤波器的仿真与分析 31
5.1引言 31
5.2非线性负载的仿真 31
5.3 单相谐波快速检测仿真 31
5.4 高次谐波波形及补偿电流波形 33
5.4.1 高次谐波波形 33
5.4.2 补偿电流波形 33
5.4.3 高次谐波波形与补偿电流的对比 34
5.5 有源电力滤波器系统仿真 34
第6章 总结与展望 36
6.1引言 36
6.2总结 36
6.3 展望 37
参考文献 38
致谢 40
附录 41
中英文互译 48
第1章 绪论
1.1引言
谐波污染[3]已经成为电力系统的一大危害，其对并入电网的其他电力装置造成了潜在的威胁，比如通信系统接入电力系统的时候，由于电网谐波的危害，对通信信号来说会造成极大地干扰，严重时甚至会使信号完全丢失。因此，如何治理谐波污染已经成为当前电力系统的一个重要部分。本章节首先从数学的角度定义谐波的概念，从谐波的产生、危害及如何制谐波的方法依次进行介绍。
1.2 谐波相关问题及现状
1.2.1谐波的概念
我们在高数中都学习过傅里叶级数[6]的分解，这边是1822年由数学家傅里叶提出的，数学家傅里叶推导出，任意函数可以分解为不同频率的正弦信号的和。这也为此章节的谐波定义打下了基础。现在普遍定义谐波[1][10]为：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。
理想的交流电流和交流电压波形为正弦波形。以正弦电流的形式为说明对象，数学表达形式如下
（1.1）
式中，为初相位，为电压的有效值，为频率；为周期，为角频率，。
当正弦电压的接入非线性负载元件的时候，其非线性负载元件的电流波形就会发生畸变，即波形不再为正弦波形。对于周期为的非正弦信号，在复变函数中我们已经学习到，此时在符合狄里赫利的条件下，那么信号就可以表示为如式子（1.2）的傅里叶级数形式
（1.2）
式子中
式子（1.2）可以等价为如下形式
（1.3）
式子中
在上面式子傅里叶级数展开形式中，通过上面我们对谐波的定义并结合我国电网电压的实际频率。电网中频率与工频（即50HZ）相同的定义为基波，那么根据谐波的定义我们就可以得到：频率是基波频率的整数倍（）的分量称为谐波，谐波次数定义为谐波频率与基波频率的比。
下面定义谐波电流的次谐波，其含有比率用表示为
（1.4）
式子中，记为第次谐波电流的有效值，同理可以得出为基波电流的有效值。
谐波电压含量定义为
（1.5）
电流谐波的总畸变率定义为
（1.6）
综上所述，电流谐波分量的定义可以推广到电流谐波分量的定义。
不同的国家与地区基波的频率也不尽相同，在我国电力系统的基波频率为50；在欧美和欧洲一些国家的基波频率为60，由此可以得，在我出2次谐波为100，3次谐波为150。
1.2.2谐波产生
电力系统中的非线性元件尤其是电力电子元件的应用，如整流装置的应用是产生高次谐波的主要源头[2]。非线性元件大体可以分为含有半导体非线性元件的电力电子装置和含有电弧和铁磁非线性设备。
由于电力的快速发展，其装置应用也日益广泛，但这些装置的应用是产生谐波的最重要来源，如普通二极管（General Purpose Diode）、晶闸管（Thyristor）、门极可关断晶闸管（GateTurnOff Thyristor简称GTO）、绝缘栅双极晶体管（InsulatedGate Bipolar Transistor简称IGBT或IGT）等电力电子装置所应用的元件。
电力电子装置中，整流装置的应用最为广泛，因为其在输配电中的重要作用不可或缺。其概念是将交流电能波形转换为直流电能信号的变换装置。全控整流电路其器件全由晶闸管和其他可控器件组成。按电源的相数区分，整流电路可以分为单相、三相等。
目录
第1章 绪论 1
1.1引言 1
1.2 谐波相关问题及现状 1
1.2.1谐波的概念 1
1.2.2谐波产生 3
1.2.3 谐波的危害 4
1.2.4 谐波抑制 5
第2章 有源电力滤波器的结构及原理 9
2.1引言 9
2.2 有源电力滤波器的基本结构 9
2.3 并联型有源电力滤波器的数学模型 10
2.4 有源电力滤波器的主电路设计 12
2.4.1 主电路 12
2.4.2 交流侧电感的设计 14
2.4.3直流侧电容的设计 15
2.4.4直流侧电容电压的控制 16
2.4.5有源电力滤波器容量定义 16
2.4.6主电路器件的选型 17
第3章 有源电力滤波器的谐波电流检测 18
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3.1引言 18
3.2 基于瞬时无功理论的谐波电流检测法 18
3.2.1 瞬时无功理论 18
3.2.2 谐波检测法 20
3.2.3 谐波检测法 21
3.3 快速谐波检测法 22
3.3.1、求导型单相快速检测方法 22
3.3.2 延时型单相快速检测方法 24
3.4 其他谐波检测方法 25
3.4.1 模拟滤波器谐波检测法 25
3.4.2 基于神经网络的自适应检测法 25
第4章 有源电力滤波器的控制策略 26
4.1引言 26
4.2 电流跟踪控制 26
4.2.1 周期采样控制方法 26
4.2.2 滞环比较控制方法 27
4.2.3 三角载波控制方法 27
4.2.4 空间电压矢量控制方法 28
4.2.5 重复控制 28
4.2.6 模糊控制 28
4.3 神经网络的PID控制 29
第5章 单项有源电力滤波器的仿真与分析 31
5.1引言 31
5.2非线性负载的仿真 31
5.3 单相谐波快速检测仿真 31
5.4 高次谐波波形及补偿电流波形 33
5.4.1 高次谐波波形 33
5.4.2 补偿电流波形 33
5.4.3 高次谐波波形与补偿电流的对比 34
5.5 有源电力滤波器系统仿真 34
第6章 总结与展望 36
6.1引言 36
6.2总结 36
6.3 展望 37
参考文献 38
致谢 40
附录 41
中英文互译 48
第1章 绪论
1.1引言
谐波污染[3]已经成为电力系统的一大危害，其对并入电网的其他电力装置造成了潜在的威胁，比如通信系统接入电力系统的时候，由于电网谐波的危害，对通信信号来说会造成极大地干扰，严重时甚至会使信号完全丢失。因此，如何治理谐波污染已经成为当前电力系统的一个重要部分。本章节首先从数学的角度定义谐波的概念，从谐波的产生、危害及如何制谐波的方法依次进行介绍。
1.2 谐波相关问题及现状
1.2.1谐波的概念
我们在高数中都学习过傅里叶级数[6]的分解，这边是1822年由数学家傅里叶提出的，数学家傅里叶推导出，任意函数可以分解为不同频率的正弦信号的和。这也为此章节的谐波定义打下了基础。现在普遍定义谐波[1][10]为：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。
理想的交流电流和交流电压波形为正弦波形。以正弦电流的形式为说明对象，数学表达形式如下
（1.1）
式中，为初相位，为电压的有效值，为频率；为周期，为角频率，。
当正弦电压的接入非线性负载元件的时候，其非线性负载元件的电流波形就会发生畸变，即波形不再为正弦波形。对于周期为的非正弦信号，在复变函数中我们已经学习到，此时在符合狄里赫利的条件下，那么信号就可以表示为如式子（1.2）的傅里叶级数形式
（1.2）
式子中
式子（1.2）可以等价为如下形式
（1.3）
式子中
在上面式子傅里叶级数展开形式中，通过上面我们对谐波的定义并结合我国电网电压的实际频率。电网中频率与工频（即50HZ）相同的定义为基波，那么根据谐波的定义我们就可以得到：频率是基波频率的整数倍（）的分量称为谐波，谐波次数定义为谐波频率与基波频率的比。
下面定义谐波电流的次谐波，其含有比率用表示为
（1.4）
式子中，记为第次谐波电流的有效值，同理可以得出为基波电流的有效值。
谐波电压含量定义为
（1.5）
电流谐波的总畸变率定义为
（1.6）
综上所述，电流谐波分量的定义可以推广到电流谐波分量的定义。
不同的国家与地区基波的频率也不尽相同，在我国电力系统的基波频率为50；在欧美和欧洲一些国家的基波频率为60，由此可以得，在我出2次谐波为100，3次谐波为150。
1.2.2谐波产生
电力系统中的非线性元件尤其是电力电子元件的应用，如整流装置的应用是产生高次谐波的主要源头[2]。非线性元件大体可以分为含有半导体非线性元件的电力电子装置和含有电弧和铁磁非线性设备。
由于电力的快速发展，其装置应用也日益广泛，但这些装置的应用是产生谐波的最重要来源，如普通二极管（General Purpose Diode）、晶闸管（Thyristor）、门极可关断晶闸管（GateTurnOff Thyristor简称GTO）、绝缘栅双极晶体管（InsulatedGate Bipolar Transistor简称IGBT或IGT）等电力电子装置所应用的元件。
电力电子装置中，整流装置的应用最为广泛，因为其在输配电中的重要作用不可或缺。其概念是将交流电能波形转换为直流电能信号的变换装置。全控整流电路其器件全由晶闸管和其他可控器件组成。按电源的相数区分，整流电路可以分为单相、三相等。
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