《科技文献检索》综合作业,

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科技文献检索 有源滤波器 电力系统及其自动化 20110202班

2011 年 11 月 10日

课题：有源滤波器

1．课题背景知帜、概念分析与文献信息调研的基本思路

通过期刊全文数据库、网络搜索引擎等工具，获得以下背景知识：近年来逆变器、直流斩波器和间接DC-DC变换器的应用较多，在这类装置中，各种开关电源、不间断电源和电压型变频器等的用量越来越大，其对电网的谐波污染问题也日益突出。特别是单台功率虽小，但数量极其庞大的彩色电视机、个人计算机和各种家用电器及办公设备，其内部大都含有开关电源，它们的日益普及所带来的谐波污染问题是非常严重的[21]。

谐波源在一些谐波频率上吸收有功功率，在另一些频率上向外发送有功功率。这些谐波有功功率通常都是由从电网吸收的基波有功功率转化来的。谐波源吸收的谐波有功功率常常对产生谐波的装置本身是有害无益的。谐波源发出的谐波有功功率也会给接在电网上的其他用电设备带来危害，并增加功率损耗。

由有关专业知识可知，本课题涉及的概念主要有“有源滤波器”，“无差拍控制”“重复控制”

2．检索工具以及检索途径的选择

根据课题分析，选择的印刷型检索刊物有《中国电机工程学报》、《电力系统自动化》；选择的网络数据库有：“中国科技期刊数据库”、“IEEE”、“读秀”和“中国知网”；。

本课题以综合课题当前发展状况为目的，希望获得结果的特点是“全”，即不能遗漏主要相关文献信息。因此，检索途径拟以主题途径为主，辅以分类方法。为了保证做到尽可能的查全，在获得初步检索结果后，以所获主要相关作者姓名、分类号等线索，从作者途径、分类途径再反复搜寻一次。

3．检索策略/检索式和部分检索结果

（1）IEEE，检索式：Active filter

1），A 10KV shunt hybrid active filter for a power distribution system ，Wu Jian; He Na; Xu Dianguo; Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2008. APEC 2008. Twenty-Third Annual IEEE Digital Object Identifier: 10.1109/APEC.2008.4522832 Publication Year: 2008 , Page(s): 927 - 932

2），A hybrid active filter for damping of harmonic resonance in industrial power systems Fujita, H.; Yamasaki, T.; Akagi, H.; Power Electronics, IEEE Transactions on Volume: 15 , Issue: 2 Digital Object Identifier: 10.1109/63.838093 Publication Year: 2000 , Page(s): 215 - 222 Cited by: 45 3），Deadbeat control of three phase voltage source active power filter using sinusoidal tracking model Park, J.H.; Shin, D.R.; Roh, T.K.; Ahn, I.M.; Lee, H.W.; Woo, J.I.TENCON99.Proceedings of the IEEE Region 10 Conference Volume: 2 Digita ObjectIdentifier:10.1109/TENCON.1999.818703 Publication Year: 1999 , Page(s): 1442 - 1445 vol.2 4），Design of a single-phase grid-connected photovoltaic system based on deadbeat current control with LCL filter Kadri, R.; Gaubert, J.; Champenois, G.; Mostefai, M.; Power Electronics and Motion Control Conference (EPE/PEMC), 2010 14th International Digital Object Identifier: 10.1109/EPEPEMC.2010.5606580 Publication Year: 2010 , Page(s): T3-147 - T3-153 5），Deadbeat control system with novel neutral-point balancing scheme for Active Power Filters Jian Tang; Yunping Zou; MacLeod, N.; Wei Chen; Zhiqian Bo; Power Electronics Specialists Conference, 2008. PESC 2008. IEEE Digital Object Identifier: 10.1109/PESC.2008.4592018 Publication Year: 2008 , Page(s): 744 - 749 6），Combined deadbeat control of a series-parallel converter combination used as a universal power filter Kamran, F.; Habetler, T.G.; Power Electronics Specialists Conference, 1995. PESC '95 Record., 26th Annual IEEE Volume: 1 Digital Object Identifier: 10.1109/PESC.1995.474812 Publication Year: 1995 , Page(s): 196 - 201 vol.1 7），A robust deadbeat current control method by using adaptive line enhancer for single-phase voltage source active power filter Nishida, K.; Rukonuzzaman, M.; Ahmed, T.; Nakaoka, M.; Power Electronics and Motion Control Conference, 2004. IPEMC 2004. The 4thInternational Volume: 1 Publication Year: 2004 , Page(s): 221 - 226 Vol.1 （2）读秀：检索式：有源滤波器

1）单相并联型有源滤波器的鲁棒电流控制方法

作者：周荔丹，解大，M．M．Khan，姚钢，纪飞峰，陈陈，舒晓琼 文献出处：电力系统自动化 年代：2005 期号：第23期

2），改进差拍控制算法在有源滤波器中的应用

作者：冯宇，许允之，方永丽，唐轶 文献出处：高电压技术 年代：2007 期号：第1期

3），混合型并联有源滤波器的稳定性 作者：汤赐;罗安;赵伟;帅智康 刊名：中国电机工程学报 出版日期：2008 期号：第6期 作者单位：湖南大学电气与信息工程学院,湖南沙市410082 核刊：中文核心期刊

4），电源系统有源滤波器输出电流相位对其补偿性能的影响作者：郭鑫;袁海文;郑盾;弭寒光;夏文岳 刊名：中国电机工程学报 出版日期：2011 期号：第24期 作者单位：北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院；郑州供电公司 核刊：中文核心期刊

5），基于改进电压空间矢量调制的有源滤波器双滞环电流跟踪控制策略

作者：申张亮;郑建勇;梅军;王立峰;王杰 刊名：中国电机工程学报 出版日期：2011 期号：第15期 作者单位：东南大学电气工程学院 核刊：中文核心期刊

（3）中国标准全文数据库：检索式：有源滤波器

混合集成电路B-LB18型低通有源滤波器详细规范

【 标准编号 】 SJ 52438/3-97

【 标准名称 】 混合集成电路B-LB18型低通有源滤波器详细规范 查看全文 【 英文名称 】 Hybrid integrated circuits Detail specification for type B-LB18 low pass active filter

【 发布单位 】 中华人民共和国电子工业部 【 批准单位 】 中华人民共和国电子工业部 【 标准状态 】 现行

【 发布日期 】 1997-6-17 【 实施日期 】 1997-10-1 【 所属标准 】 HB 【 正文语种 】 汉语 【 开本页数 】 11P

【 引用标准 】 GJB 8A-96 GJB 2438-96 【 起草单位 】 北京市半导体器件一厂 【 起 草 人 】 杨红; 王立新 （4）维普中文科技期刊数据库：检索式：题名：有源滤波器 刊号：《 中国

电机工程学报 》 1），题目：新型注入式混合有源滤波器应用中的问题 作者：汤赐 罗安 范瑞祥 赵伟 出处：《 中国电机工程学报 》2008年 28卷 18期 2），题目：重复控制在并联有源滤波器中的应用 作者：武健 何娜 徐殿国 出处：《 中国电机工程学报 》2008年 28卷 18期 3），题目：混合型并联有源滤波器的稳定性 作者：汤赐 罗安 赵伟 帅智康 出处：《 中国电机工程学报 》2008年 28卷 6期 （5）中国知网：检索式：有源滤波器 1），基于直流侧电压周期离散控制的单相并联有源滤波器 纪飞峰; Mansoor; 解大; 姚钢; 周荔丹; 陈陈; 舒晓琼; 中国电机工程学报 , Proceedings of the Csee, 编辑部邮箱 2005年 20期 2），混沌开关电源输出端有源滤波器的设计 周伟英; 丘水生; 朱辉; 电路与系统学报 , Journal of Circuits and Systems, 编辑部邮箱 2009年 01期 3），并联电感型混合有源滤波器及其控制策略 郑建勇; 张愉; 丁祖军; 电网技术 , Power System Technology, 编辑部邮箱 2010年 01期

4．有源滤波器综述

4.1 有源滤波器的原理和结构

isACiL负载esic指令电流运算电路主电路cic*电流跟踪控制电路APF驱动电路 图4-1 有源电力滤波器的原理结构图

图4-1所示为最基本的有源电力滤波器系统构成的原理图。图中，es表示交流电源，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（由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成）。其基本工作原理是：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。

例如，当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象负载电流iL的谐波分量iLh，将其反极性后作为补偿电流的指令信号ic*，由补偿电流发生电路产生的补偿电流ic即与负载电流中的谐波分量iLh大小相等、方向相反，因而两者互相抵消，使得电源电流is中只含基波，不含谐波。这样就达到了抑制电源电流中谐波的目的。

如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，补偿负载的无功功率，则只要在补偿电流的指令信号中增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分即可。这样，补偿电流与负载电流中的谐波及无功成分相抵消，电源电流等于负载电流的基波有功分量。

4.2电流环控制方法综述

电流控制电路是根据补偿电流指令信号与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，以确保补偿信号跟踪指令信号的变化。本节将主要介绍有源电力滤波器现在常用的几种控制方法。

(1)三角波比较法

*icicAPWM信号ic三角波

图4-2 三角波比较控制

三角波比较法的原理图如图4-2所示，这种方式是将指令信号ic* 与ic的偏差ic，经放大器放大后，再与三角波进行比较。放大器通常采用比例放大器或着比例积分放大器。这样组成的控制系统是控制ic为最小来进行设计的。

但是三角波比较方式存在如下缺点： 1) 硬件比较复杂； 2) 跟踪误差较大；

3) 输出电压中所含的谐波较少，但是含有与三角载波同频的谐波； 4) 放大器的放大增益有限；

5) 器件的开关频率固定，且等于三角载波的频率； 6) 电流响应较瞬时值比较方式慢。 (2)滞环比较法

采用滞环比较器的瞬时值比较方式的原理图如图4-3所示。

*icicPWM信号滞环比较器 图 4-3 滞环比较法

该控制方法是将补偿电流指令信号ic*与实际的补偿电流信号ic进行比较，两者的差ic作为滞环比较器的输入，产生控制主电路中开关通断的PWM信号，该PWM信号送给驱动电路，控制开关器件的通断，从而控制补偿电流ic跟踪其指令信号的变化。

滞环比较控制方式具有如下特点：

1) 硬件电路简单，可以采用模拟电路实现；

2) 实时控制，电流响应快，但是，电流脉动比较大； 3) 无需载波，输出电压中不含特定频率的谐波成分； 4) 属于闭环控制；

5) 当滞环宽度固定时，电流跟踪误差范围固定。

该控制方式中，滞环的宽度H对补偿电流的跟踪特性影响较大。当H较大时，开关通断的频率，即电力半导体器件的开关频率比较低，故对电力半导体器件的要求不高，但是跟随误差较大，补偿电流中含有高次谐波。反之，当H较小时，虽然跟随误差较小，但是开关频率较高。

针对滞环比较控制方式的这一缺点，存在两种解决方法。一种解决的方法是设计滞环比较器的宽度可随电流的大小自动调节；另一种方法是采用定时控制的瞬时值比较方式。前一种解决方法的设计思路很复杂，后一种方法是用一个时钟定时控制的比较器来代替滞环比较器。每个时钟周期对其判断一次，使得 PWM 信号需要至少一个时钟周期才会变化一次，从而器件的开关频率最高不会超过时钟频率的一半。这样时钟信号的频率了器件的最高上限频率，避免了器件开关频率过高的情况。而且该方式容易数字化实现。但该方式存在一定的不足，补偿电流的跟随误差不固定。 (3)空间矢量法

空间矢量调制( Space Vector Modulation ,SVM) 是将三相变流器件作为一个整体进行考虑，通过计算与参考矢量最接近的3个开关矢量的作用时间控制各开关器件的开通和关断，使一个控制周期内开关矢量输出的平均效果与参考矢量相等；其基本思想是在矢量空间中采用有限的静止矢量去合成和跟踪调制波的空间旋转矢量，使合成的空间矢量中含有调制波的相关信息。空间矢量脉宽调制，通过优化开关矢量可以有效的降低开关频率和减小交流侧电流的总谐波畸变率；但受一般微控制器运算能力所限，该控制方法要在速度与波形质量间折衷，应用 DSP可使该控制系统向高可靠、高性能的全数字化方向发展。 (4)无差拍控制法

无差拍控制是一种在滞环比较方法的基础上发展起来的全数字化的一种控制技术，实际上也是一种预测控制方法。该方法利用前一时刻的补偿电流参考值和实际值，计算下一时刻的电流参考值与各种开关状态下变流器电流输出值，选择使电流误差最小的开关模式作为下一时刻的开关状态。该方法具有能够快速响应电流的突然变化，特别适合快速暂态控制的优点。但是计算量大，对系统参数依赖性较大。 (5)重复控制法

重复控制的基本思想源于控制理论中的内模原理(internal-model principle) 。内模原理是把作用于系统的外部信号的动力学模型引入控制器以构成高精度反馈控制系统的一种设计原理。重复控制技术利用了指令信号的重复性来逐周期地修正输出电压，使控制系统既无须进行多个变量的采样，也不用很高的控制速度和很复杂的算法，就可以达到很高的稳态指标。可以说，重复控制能以最低的成本满足最大多数实际应用场合的性能要求，因此是构成高性价比系统的首选方案。

(6)其他控制方法

有源电力滤波器的控制方法除了上述控制方法外，常用的还有单周控制、滑模变结构控制等。随着计算机技术和芯片技术的发展，智能控制方法将逐步进入实用化阶段。在有源电力滤波器控制中引入智能控制方法可大大提高其各项性能。目前所研究的主要有：模糊控制，神经网络控制等。除了以上的控制方法外，还有一些研究将自抗扰控制、遗传算法等一些先进的控制算法应用到有源电力滤波器的控制中。

但目前对于APF还处于理论研究和仿真实验研究阶段，尤其是先进算法在APF中的应用还没有实际的实例。 4.3 谐波检测方法综述

(1)模拟滤波器检测法

模拟滤波器法是最早被采用的谐波检测方法，该方法有两种实现方式。一种方式是采用模拟滤波器将基波分量滤除，剩下的便是谐波分量。另一种方式是采用带通滤波器，得到基波分量，再与被检测的信号相减得到谐波分量。模拟滤波器虽然结构简单，实时性好，但是检测效果变得特别差。因此，该方法现在很少在有源电力滤波器中常用。

(2)快速傅立叶变换检测法

该种方法采用快速傅立叶变换对电压信号进行频域分析，分离出谐波分量。该方法的缺点是需要采集一定时间的电流值，并且分析计算还要花费一定的时间，因此该方法有较长的时间延迟，检测的结果实际上是较长时间前的谐波，因而实时性不好。

(3)基于人工神经网络理论的自适应方法

将人工神经网络理论和信号处理中的自适应噪声对消技术应用于有源电力滤波器的检测中，引入了一种基于单个神经元的自适应谐波电流检测方法。利用神经元的映射、自适应和自学习等功能，消除谐波电流检测过程中的误差，但这种方法需要软件运算，难以提高在线检测速度，目前还没有实际应用报道。 (4)基于瞬时无功功率理论的检测法

基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法是目前有源电力滤波器中应用最广泛的一种检测方法，最早是由日本学者Akagi.H于1984年提出的，经过不断改进，现包括pq法和ipiq法。其中，pq法仅适用于电网电压对称且无畸变情况下谐波电流的检测；ipiq法不仅在电网电压畸变时适用，在电网电压不对称时也同样有效。这种检测法理论上可检测出除基频分量外的所有高频分量，同时可检测出无功电流分量。在只检测无功电流时，可以完全无延时的得出检测结果。

(5)瞬时电流鉴相

基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法，其核心是把基波分量转化成直流分量，将其他分量变换成交流分量从而有利于滤波器设计，那么对各相电流直接乘以相互正交的基波角频率的单位正、余弦量也可以达到同样的效果，这就是瞬时电流鉴相法。由于采用分相检测，因此该方法适用于单相和各种三相电路（三相三线、三相四线、对称、不对称），该方法的缺点是，在保证足够的基波检测精度时，对直流分量的衰减不足。 (6)自适应谐波检测法

该方法利用自适应信号处理中的干扰抵消原理，将基波分量视作噪声，采用

LMS算法来逐次逼近待捡信号中的基波分量，最终达到从负载中消去基波分量，得到所需谐波分量的目的。这种方法的优点是计算量小，对电网电压畸变、频率偏移及电网参数变化具有较好的自适应调节能力，对各次（包括整数和非整数倍、直流和高频分量）谐波的幅频、相频特性优良，检测误差小，缺点是动态响应较慢。

4.4有源滤波器的意义

随着大功率电力电子装置等非线性负载在电力系统中的广泛应用，电网污染也变得日益严重；于此同时，现代高科技工业对供电质量提出更高要求。有源滤波器（Active Power Filter，简称APF）是动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，和无源滤波器相比有更好的响应速度和补偿特性。实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应；可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率大小可做到连续调节，因此是一种理想的补偿谐波装置。

有源滤波器的基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流分量，然后由补偿装置向电网中注入一个与该谐波电流幅值相等而极性相反的补偿电流，从而达到消除谐波的目的。目前APF主电路结构已经比较成熟，且大多数用PWM变流器作为APF的主电路，因此有源电力滤波器的性能很大程度依赖于所采用的控制方法。在整个控制策略中，高性能的电流控制策略直接决定了有源电力滤波器的补偿性能。

无差拍控制具有于数学推导严密，跟踪无过冲，良好的动态性能，固定的开关频率，优化的开关方式，便于计算机实现等优点而被广泛的应用。无差拍控制是数字控制特有的一种控制方法，在每一个采样周期根据电流矢量变化率和负载情况计算出一个使电流误差趋于零的量去控制变换器中开关的通断。由于传统无差拍的控制目标是输出电流在某个时刻跟踪参考，所以导致补偿后的系统电流中含有较大的纹波。

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