电能是一种非常有用且受欢迎的能源形式，它在我们现代工业社会中发挥了越来越大的作用。当代电力系统的电源特性、电网结构、负荷构成和调控技术正发生着深刻变化，加剧了系统的非线性和不对称性；同时电气设备敏感性的不断增强导致电力系统问题更加复杂，使得电能质量问题及其治理方法成为当今电工界的研究热点[1]。
1.1 谐波
“谐波”一词最早起源于声学。傅里叶等人在 18 世纪提出的傅里叶分析为有关谐波的分析奠定了良好的数学基础[2]。电气与电子工程师协会定义谐波为一频率为基波频率整数倍的周期量的正弦波分量 [3]。依据对谐波理解的深度，可将谐波分为两大类：广义的谐波与狭义的谐波。从狭义上理解，将周期性的非正弦量进行傅里叶级数分解，其中频率大于基波频率且为基波频率的整数倍的分量即为谐波，与国际电工委员会的定义一致；从广义的角度出发，则认为任何频率与工频频率不同的分量都可称作谐波。目前常提及的“谐波”均指狭义的谐波，按照不同的分类标准，可将谐波分为： 整数谐波：指频率大于基波频率且为其整数倍次的谐波，如 2、3、4、5 等次数谐波； 偶次谐波：指频率为基波频率偶数倍次的谐波，如 2、4、6、8 等次数谐波； 奇次谐波：指频率为基波频率奇数倍次的谐波，如 3、5、7、9 等次数谐波； 正序谐波：指频率为基波频率 3k+1 倍次（k 为正整数）的谐波，如 4、7、10、13 等次数谐波； 负序谐波：指频率为基波频率 3k-1 倍次（k 为正整数）的谐波，如 2、5、8、11 等次数谐波； 零序谐波：指频率为基波频率 3k 倍次（k 为正整数）的谐波，如 3、6、9、12等次数谐波[4]。
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1.2 有源电力滤波器概述
有源电力滤波器的基本思想最早形成于上世纪六十年代。1969 年，B.M.Bird和 J.F.Marsh 在发表的论文中提出利用向电网中注入三次谐波电流来降低电源电流中的谐波含量，以实现改善电源电流波形的目标，这是 APF 基本思想的萌芽[10]。1971 年，H.Sasaki 和 T.Machida 提出通过采用线性放大的方式产生补偿电流来抑制谐波的思想[11]，首次阐明了 APF 的基本原理。1976 年，L.Gyugyi 等人将 PWM 控制变流器结构应用于有源电力滤波器，确立了 APF 主电路的基本拓扑结构和控制技术[12-13]。然而由于当时电力电子技术及开关器件的发展水平较低， APF 仅限于实验研究。直到进入 80 年代以来，伴随电力电子技术及 PWM 控制技术的发展，并且赤木泰文在 1983 年提出了瞬时无功功率理论，以此为基础，APF 得到了迅速的发展。近些年来，伴随电力电子技术、现代控制理论以及数字信号处理技术的发展，尤其是 GTO/IGBT 等开关器件的出现和高性能 DSP 芯片的使用，APF 得到了迅速完善和发展。 我国对 APF 的研究起步相对较晚，直到上世纪 80 年代末我国的一些高校才开始进行 APF 的相关研究。经过近 30 年的发展，我国对有源电力滤波器的研究取得了跨越式的进步。目前，国内的一些企业，如西安赛博、上海思源电气和深圳盛弘等公司都拥有自己的有源电力滤波器产品线，产品也比较成熟，功能完善，但相比国外产品，在精度、容量和功能上仍有一定的差距[14]。 随着经济社会的发展，各种电力电子装置的投入量不断增加，电能质量问题日趋严重，电能质量治理得到广泛重视，有源电力滤波器在我国具有广阔的市场前景和良好的经济效益，成为当前的研究热点。
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第二章 有源电力滤波器传统空间矢量控制
LCL 型滤波器不仅可有效减小电感体积，且在高频段以-60d B/dec 的速率衰减，具有更好的滤波效果，故本文以并联型 LCL 有源电力滤波器为研究对象。电压空间矢量控制可提高直流侧电压的利用率，并且输出电流中的谐波含量较少，在有源电力滤波器中得到了广泛应用。本章将详细介绍传统 SVPWM 控制在 APF 中的实现方法。
2.1 并联型有源电力滤波器的基本原理
并联型有源电力滤波器的系统结构如图 2.1 所示。APF 系统主要由指令电流运算电路与补偿电流发生电路两部分构成。其中，补偿电流发生电路又可细分为电流跟踪控制部分、驱动电路及主电路三部分。指令电流运算电路起检测负载电流中的谐波及无功分量的作用，补偿电流发生电路则控制 APF 系统产生与指令补偿电流信号相对应的实际补偿电流。并联型有源电力滤波器的基本工作原理为，先采样负载电流和电网电压信号，经谐波或无功检测环节获取负载电流中的谐波或无功成分，通过直流侧电压控制器获得维持直流侧电压需注入的有功电流，以上两者经运算后获得需指令电流信号，再经电流跟踪控制电路和驱动电路控制 APF 输出与指令电流相对应的补偿电流信号，使补偿后的电网电流中只含有基波成分，达到改善电能质量的目的。 有源电力滤波器主要包含三种补偿模式：仅补偿谐波，仅补偿无功，同时补偿谐波和无功。三种补偿模式下只有指令电流运算部分存在差别，当仅补偿谐波电流时，只需检测出负载电流中的谐波分量，将其极性取反后作为指令信号即可；当仅补偿无功时，只需检测出负载电流中的无功分量，将其极性取反后作为指令信号即可；当同时补偿谐波及无功时，则需同时检测出负载电流中的谐波及无功分量，极性取反后作为指令信号即可[2]。
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2.2 SVPWM 基本原理
空间矢量控制技术是近年发展起来的一种比较新颖的控制策略，它从三相逆变器输出电压的总体效果出发，致力于如何使电动机获得理想的圆形磁链轨迹。SVPWM 技术基于矢量合成等效原理，通过控制合成参考电压矢量的基本电压矢量的作用顺序及作用时间来使参考电压矢量按圆形轨迹旋转，并产生 PWM 波。以三相电压源逆变器为例进行分析，其结构如图 2.2 所示。由式（2.18）可以看出其 APF 在三相坐标系下的数学模型是一个复杂的多输入多输出非线性系统，每一相的输出电流除跟本相桥臂的开关函数有关，也和其他两相桥臂的开关函数有关，故三相三线制并联型有源电力滤波器是一个高度耦合的系统，不利于控制系统的设计。
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第三章 有源电力滤波器改进空间矢量控制 ............ 35
3.1 APF 的改进 SVPWM 控制 ....... 35
3.2 无差拍电流预测 ............. 39
3.3 本章小结 ..... 45
第四章 仿真与试验研究 .... 46
4.1 APF 系统仿真 ........ 46
4.2 试验研究 ..... 53
4.2.1 APF 电气设计 ....... 53
4.2.2 硬件设计 .... 54
4.2.3 软件设计 .... 57
4.2.4 结果分析 .... 60
4.3 本章小结 ..... 62
第五章 总结与展望 ............ 63
5.1 本文工作总结 ....... 63
5.2 未来工作展望 ....... 64
第四章 仿真与试验研究
前面章节已经对有源电力滤波器的空间矢量控制技术和电流预测算法进行了研究，本章将对三相三线 LCL 有源电力滤波器进行仿真与试验研究。
4.1 APF 系统仿真
LCL 型有源电力滤波器的主要参数包括逆变侧滤波电感 L1、网侧滤波电感 L2、滤波电容 C、阻尼电阻 Rd以及直流侧电容 Cd。主电路参数设计不合理将会降低APF 系统的跟踪滤波性能，本节重点对 LCL 参数进行设计。 （1）滤波电感 L1和 L2的设计 LCL 滤波器的电感 L1和 L2的值决定了补偿电流的跟踪精度与速度，电感值较小时，跟踪速度快但补偿电流易超调；电感值较大时，电流纹波小但跟踪性能较差。因此实际设计中，在保证补偿精度的前提下，通常尽量选择较小的电感值。三相三线并联型 APF 采用传统 SVPWM 控制时的控制框图如图 4.1 所示。其具体工作过程为，通过检测电路检测出的负载电流中的谐波及无功分量，与经直流侧电压控制器获得的维持直流侧电压稳定所需的有功电流经运算后得到指令电流信号。通过重复预测器得到的下一拍指令电流信号与实际补偿电流做差得补偿电流误差量?i，?i 经电流-电压（I-V）控制器转换为指令电压信号后送入 SVPWM模块实现调制发波，控制 APF 产生相应的补偿电流，达到补偿的目的。 APF 控制系统中的谐波检测算法采用 ip-iq 法，I-V 转换控制器采用重复+PI复合控制器，直流侧电压控制器选用 PI 控制器，并选取基于外推法的重复预测算法实现对下一拍指令电流的预测，以消除采样延迟误差。
总结
本文对三相三线制有源电力滤波器进行了深入研究，重点研究了有源电力滤波器的空间矢量控制技术，并取得了一定的成果，总结如下：
（1）对电能质量问题进行了阐述，介绍了谐波的定义、产生原因与危害、谐波治理措施；有源电力滤波器作为目前谐波治理的主要装置，介绍了其发展现状及分类，并阐述了有源电力滤波器的关键技术：谐波检测技术和电流跟踪控制技术；针对有源电力滤波器的空间矢量控制技术，对其进行了概
