MATLAB有源电力滤波器APF仿真设计(2)

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1.1 谐波基本概念

19世纪，法国数学家傅里叶指出，任意一个函数都可以分解为无穷多个不同频率正弦函数的和，即做傅里叶变换。据此理论，国际电工学会（IEC555-2，1982）定义谐波为：谐波分量为某一周期量的傅里叶级数中大于1的h次分量。其中谐波次数h表示谐波频率和基波频率之比。电气和电子工程协会标准（IEEE标准519-1981）定义谐波为：谐波为一个周期波的正弦波分量，其频率为基波的整数倍。目前学术界普遍认同谐波为：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。

1.2 谐波主要危害

电网产生谐波的因素很多，主要有两个方面：一是输配电系统产生谐波，二是用电设备产生的谐波，由于非线性元件电感电容的使用，此方面产生的谐波最多。现代工业社会对谐波的治理要求十分迫切，这是因为谐波不仅降低电能的使用效率，而且导致用电设备无法正常运行。在电力系统中，谐波会放大电网回路局部串并联谐振现象，再次放大电力系统的谐波含量，产生附加的功率损耗，降低电能的使用效率，还会造成电容器等设备严重发热最终烧毁。谐波还会引起继电保护装置误动或拒动，使电能计量不准确。谐波还可以使电气设备产生振动和噪声，进而出现过热现象，促使绝缘老化，缩短设备使用寿命，甚至烧毁。谐波也会对通信电子设备造成严重干扰。对于临近通信系统的干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重则导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。

电力电子技术在未来科学发展中的重要性日益突出。有科学家认为，电力电子技术和计算机技术将是21世纪最重要的两门科学。然而，电力电子装置带的谐波污染已严重阻碍电力电子技术的进一步发展，它迫切要求电力电子领域的研究人员针对谐波问题提出更为有效的解决方案。

1.3 抑制谐波方法

目前学术界对于抑制电力电子装置的谐波有两种方案：一种是装设谐波补偿装置，如各种无源、有源滤波器，它对各种谐波源均适用；另一种是改进电力电子装置谐波源，使之不产生谐波或者少使用无功功率，如PWM整流技术。

传统补偿无功及谐波的方法是在电力系统中装设ＬＣ调谐滤波器即无源滤波器。LC滤波器是由电感、电容和电阻的组合成的滤波电路，可滤除某一次或几次谐波，最常见的无源滤波器是将电感与电容串联，构成低阻抗旁路来抑制主要谐波。无源滤波器具有结构简单、运行可靠性高、成本低等优点。基本的无源滤波器的结构如图1.1所示。

目前电力系统中普遍是用电力电子装置对谐波进行抑制，即使用有源电力滤波器（Active Power Filter—AFP）来抑制谐波污染。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网的影响，因而受到广泛重视，目前此技术在日本等国已得到广泛使用。有源电力滤波器在上世纪70年代就已出现。直到80年后期，随着绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）等大功率全控型半导体器件的成熟，脉冲宽度调制(PWM)控制技术的进步，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，有源电力滤波器才取得迅猛发展。

无源滤波器结构

图1.1 无源滤波器结构

1.4 APF国内外研究现状

有源电力滤波器的发展始于20世纪60年代，1969年B.M.Bird和J.F.Marsh在发表的论文中具体阐述了通过向电网接入三次谐波电流来减少电源电流谐波成分以改善电源电流波形的新方法，这就是有源电力滤波器基本思想的萌芽。到了20世纪70年代，有源电力滤波器的基本原理和主电路拓扑结构基本确定，但由于受限于当时的技术条件，有源电力滤波器未能得以深入研究。从20世纪80年代开始，电力电子技术的飞速发展出现了快速响应的控制元件，在电力系统中实现响应快速、能产生任意波形的受控电源也随之出现。随着新型半导体器件ＩＧＢＴ的出现、PWM整流技术的发展以及瞬时无功功率理论（H.Akagi）的提出，极大地促进了有源电力滤波器的发展。目前有源电力滤波器对于三相电力系统中提高电能质量、消除电压电流谐波、抑制电压波动等方面发挥着重要作用。