ABSTRACT: The substantial increase in the use of power electronic equipment results in harmonic pollution and reactive burden above tolerable limits. Many conventional solutions to the power quality issues can’t meet the conditions of modern power system. Active power filters are known as a dynamic, potential and adjustable solution to the power quality problems .The shunt voltage-type APF has been analyzed in this paper, in terms of the working principle, the harmonic current detection approaches and the current compensation strategies，the shunt active power filter are designed. At last, the simulation models are built up by the SimPowerSystem toolbox of Matlab .The results show that the designed shunt APF can well suppress the harmonic distortion generated by a three-phase diode rectifier. KEY WORDS：harmonic elimination; shunt active power filter; simulation 摘要： 随着电力电子装置的广泛应用， 电力系统的无功及 谐波问题日趋严重。 传统的无功补偿及谐波抑制方法已难 以满足现代电力系统的需要。作为一种新型的补偿装置， 有源电力滤波器以其对电网负载、 系统参数变化的自适应 能力和较高的反应速度被认为是目前最具发展潜力的无 功和谐波补偿方法。 本文以并联电压型有源电力滤波器为 研究对象， 系统地分析了并联电压型有源电力滤波器的工 作原理、谐波电流检测方法、补偿电流控制策略等问题， 并对并联型有源电力滤波器进行了设计。最后，利用 MATLAB 提供的电力系统仿真工具箱对并联型有源电力滤 波器整个系统进行了建模和仿真分析。
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引言
由于电力电子装置的广泛应用，使得电网中
谐波的含量大量增加，它替代了传统的变压器等 铁磁材料的非线性引起的谐波，成为主要的谐波 源，对电力系统的安全运行和电气设备的正常使 用产生严重的危害。因此，谐波治理成为了电能 质量问题的核心内容之一，也是现代电力生产发 展的迫切要求。
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有源电力滤波器(Active Power Filter， APF) 是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力 电子装置，它能对大小和频率都发生变化的谐波 以及变化的无功进行补偿， 其应用可克服 LC 滤波 器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点。
IS
U~
IO Z IC 主 控 制 电 路 电流检测
补 偿 电 流 发 生 器
指令电流 运算
驱动 电路
电流跟踪 控制
图 2-1. 三相并联有源电力滤波器系统原理图 有源电力滤波器的基本工作原理为：检测补 偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算 得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发 生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电 流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到 期望的电源电流波形。上述原理可用如下的一组
活带来巨大变化， 但是同时给电网带来严重污染， 影响了供电质量。电力系统中非线性负载种类繁 多，不同类型的有源电力滤波器对不同类型非线 性负载的补偿特性也不相同。 当今，大型整流设备、冶金工业和电力机车 等大型的谐波源都是典型的非线性负载，它们在 运行时给电网注入了大量谐波，而这些大型的谐 波源一般都采用大电感滤波的电流源谐波负载， 适合用并联型有源电力滤波器进行补偿。因此， 研究并联型有源电力滤波器（PAPF）有着重要的 现实意义[2]。
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绪论
电力系统谐波和无功的来源主要是源自电网
中的非线性负载，如电弧炉、变压器、电力电子 装置等，随着这类设备日益广泛的应用和单机容 量的不断增大，电力电子装置的谐波污染问题已 经成为电气电子工程领域关注和研究的焦点问题 之一。不少国家和国际学术组织都制定了限制电 力系统和电力电子设备谐波的标准和规定，这有 力的促进了学术界和工程界对谐波抑制技术的研 究。解决谐波污染的主要途径有两条：一是对电 力电子设备进行改进(无源和有源功率因数正)， 二是对电网实施谐波补偿。尽管功率因数校正是 积极主动的方法，但对于庞大容量的电力系统而 言， 无源电力滤波器(Passive Power Filter， PPF) 和有源电力滤波器(Active Power Fietlr，APF)是
DAI Lu，ZOU Xudong，DAI Ke (State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology(Huazhong University of science and Technology)，Wuhan 430074，Hubei Province，China)
2015 年 1 月 26 日
《 电力电子在电力系统中的应用》课程设计
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并联型有源电力滤波器的设计与仿真
代璐，邹旭东，戴珂
（强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学） ，湖北省 武汉市 430074）
The Design and Simulation of the Shut Active Power Filter
基 金 项 目 ： 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 项 目 (973 计 划 ) (2006CB200303，2006CB2003056)。 The National Basic Research Program (973 Program) (2006CB200303, 2006CB2003056).
关键词：谐波抑制；并联型有源电力滤波器；仿真
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《电力电子在电力系统中的应用》课程设计
不可或缺的谐波治理手段，特别是先进的有源滤 波技术更具有重大的理论和工程现实意义。有源 电力滤波器作为综合治理电网污染的最有效手 段，有着广阔的应用前景。 1.1 谐波问题及研究现状 70 年代以来，由于电力电子技术的飞速发 展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通 及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也 日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分的关 注。不少国家和国际学术组织都制定了限制电力 系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。 制定限制谐波的标准是解决电力系统谐波危 害的影响的重要措施。参照国外标准，我国先后 于 1984 年和 1993 年分别制定了限制谐波的规定 和国家标准，即《电力系统谐波管理暂行规定》 与《电能质量-公用电网谐波》 。 1.1.1 谐波的基本概念 1822 年，法国数学家傅立叶指出，一个任意 函数都可以分解为无穷多个不同频率正弦信号的 和。基于此，目前国际普遍定义谐波为：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。 1.1.2 谐波的产生和危害 电网谐波来源于三个方面：其一是电源质量 不高产生谐波；其二是输电网产生的谐波；其三 是用电设备产生的谐波。其中以用电设备产生的 谐波最多。 谐波对电网及其它系统的危害有以下几个方 面： 1.谐波使电网中的元件产生了附加的谐波损 耗，降低了发电、输电和用电设备的效率。 2.谐波影响了各种电气设备的正常工作。谐 波会使电机产生机械振动、噪声和过电压，使变 压器局部严重过热；还会使电容器、电缆等设备 过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。 3.谐波导致继电保护和自动装置的误动作， 并会使电气测量仪表测量不准确。 4.谐波对通信系统和电子设备会产生严重的 干扰。 对谐波进行研究，其意义一方面在于对谐波 影响及危害的分析，另一方面在于其对电力电子 技术自身发展的影响。 1.2 研究并联型有源电力滤波器的意义 电力电子技术的快速发展给人们的生产与生
cos wt sin wt
（2-8）
2.4 电流跟踪控制电路 电流跟踪控制电路是补偿电流发生电路中的 第 1 个环节，其作用是根据补偿电流的指令信号 和实际补偿电流之间的相互关系，得出控制补偿 电流发生电路中主电路各个器件通断的 PWM 信 号，控制的结果应保证补偿电流跟踪其指令信号
2 并联型有源电力滤波器的设计
2.1 并联型有源电力滤波器的工作原理 图 2-1 所示为有源电力滤波器系统构成的原 理图。图中，负载为谐波源，它产生谐波并消耗 无功。有源电力滤波器系统由两大部分组成，即 指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中， 指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象中的 谐波和无功等电流分量，因此有时也称之为谐波 和无功电流检测电路。补偿电流发生电路的作用 是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令 信号，产生实际的补偿电流。主电路目前均采用 PWM 变流器。
图 2-2 PAPF 控制框图
2.2.2 PAPF 主电路结构 根据储能元件(电容或电感)的不同，将有源 电力滤波器分为电压型和电流型两种，电压型有 源电力滤波器有能量损耗小和易于控制等优点， 目前有源电力滤波器的研究方向主要是电压型有 源电力滤波器。图 2-3 所示为电压型有源电力滤 波器的主电路图，其储能元件为电容，可控开关 电路通常由 GTO 或 IGBT 等大功率电力电子元件 构成。电压型有源电力滤波器的工作原理是根据 检测信号产生 PWM 输出电压，再经交流侧电抗 器转换成所需要的补偿电流。
电网 Load 电流指令检测环节 ic* PWM 形成 反馈量检测 iC