有源濾波技術綜述

閆泊 劉亞濤

摘要：有源濾波器是近幾年興起的電力電子裝置，它能夠有效的抑制諧波，提高供電質量。該文首先闡明了有源濾波器的工作原理和連接方式，詳細分析了有源濾波器常用的控制策略，最后結合近幾年的研究現狀總結了有源濾波技術的發展趨勢。

關鍵詞：有源濾波 諧波 控制策略 綜述

0 引言

隨著電力電子裝置應用的增多，越來越多的非線性負載被接入電力系統中，電能質量因此也受到了嚴重污染。同時，現代精密工業和商業用戶的用電設備對電能質量的要求也更加嚴格。因此，需要一種更為有效的方法濾除電力諧波，提高電能質量。其中有源濾波器APF是系統中用來抑制諧波的主要措施，它能有效檢測出負荷電流中的諧波分量，并控制電力電子器件產生與之大小相等方向相反的諧波電流，二者相互抵消達到濾波的目的。APF的應用大大提高了配電網供電可靠性及電能質量。

1 有源濾波的工作原理

采用電力濾波裝置是有效濾除諧波的重要措施。濾波方式通常可分為無源濾波和有源濾波。由于無源濾波器的濾波特性受系統參數影響大、濾波范圍小、性能單一、占地面積大等，難以滿足某些特定場合對電能質量的要求。因此有源濾波技術也就成為了目前最具發展潛力的一種濾波技術，因為電力有源濾波器能夠滿足某些特定場合對電能質量的要求。APF的工作原理如圖1所示。此外，有源濾波器還可作為無功補償裝置使用，調節控制策略，使APF裝置發出一定量的無功功率，從而向系統中注入無功功率，有效提高功率因數。

圖1 APF原理圖

有源濾波器具有響應速度快、控制靈活占地面積小、施工維護方便等優點，具體特點如下：①能夠實現動態補償。可實時跟蹤系統中的諧波含量，并對其進行補償，響應速度快。②APF受電網阻抗的影響不大，有效避免和系統發生并聯諧振，同時還能抑制串并聯諧振。③APF的綜合利用效率高。同一臺裝置既可用于補償無功功率，也可用于抑制諧波電流。④不依賴于儲能元件。作為無功補償時不需要儲能元件，抑制諧波時所需要的儲能元件不大。

2 有源濾波的連接方式

有源濾波的連接方式有三種，分別是并聯型APF、串聯型APF、串-并聯型APF。并聯型APF的交流側通過電抗器與負載并聯，相當于一個諧波電流源。檢測的信號經指令運算電路計算得出補償電流的指令值，控制APF向系統中注入與負載總諧波電流大小相等、方向相反的補償電流，從而實現濾波。并聯APF主要適用于感性電流源型負載的諧波補償，是目前被應用的最多的一種連接方式。串聯型APF通過3個單相變壓器串聯在電源與負載間，相當于一個受控電壓源。其主要用于改善電壓質量，消除電壓波形的畸變。目前單獨使用的串聯型APF的研究較少，國內外的研究多集中在其與LC無源濾波器所構成的串聯混合型APF 上。串-并聯型APF是一種新型APF，被稱為統一潮流控制器（UPFC）。作為性能優異的FACTS裝置，UPFC不僅可以控制線路的潮流和特性，還能夠快速、獨立地調節有功功率和無功功率。

3 APF的控制策略

APF控制策略的核心部分主要有：指令電流運算和電流跟蹤控制兩部分。指令電流運算需要實時跟蹤負載電流中總諧波電流的瞬時值，依此計算出所需要的補償電流指令值。電流跟蹤控制的作用是根據補償電流指令信號和實際電流之間的差值，得出控制補償電流發生電路中的各電力電子器件通斷的PWM信號。控制的結果應保證實際輸出的補償電流能實時跟蹤指令電流的變化。指令電流運算的方法主要有以下幾種。

①提取基波分量法。該方法的檢測原理是利用模擬高階濾波器從負載電流中提取基波分量，總電流與基波電流之差即為瞬時諧波電流。但這種濾波器設計困難，且濾波效果受系統頻率和電路元件參數影響較大，目前很少采用。②基于瞬時無功功率理論的瞬時空間矢量法。該方法是目前APF中應用最廣的一種檢測方法，包括p-q法、ip-iq法以及d-q法。它是利用系統中基波電流分量產生的瞬時功率和d、q軸電流均為直流量，而系統中諧波電流分量產生的瞬時功率和d、q軸電流為交流量，通過帶通濾波器提取出電流中的諧波電流分量。③基于FFT的數字化分析法。這種方法建立在Fourier分析的基礎上，因此要求被補償的波形是周期變化的，否則會帶來較大誤差。通過FFT將檢測到的一個周期的諧波信號進行分解，得各次諧波的幅值和相位系數，將擬抵消的諧波分量通過帶通濾波器或傅里葉變換器得出所需的誤差信號，再將該誤差信號進行FFT反變換，即可得補償信號。其優點是可以選擇擬消除的諧波次數，缺點是具有較長的時間延遲，實時性較差。④自適應檢測法。該方法基于自適應噪聲對消原理，把電壓作為原始輸入，經自適應濾波處理后，得到一個與負載電流基波有功分量相等的信號。負載電流與自適應濾波器輸出值的差值，即為需要補償的諧波分量和無功分量。該方法的濾波效果良好，幾乎不受系統參數變化的影響，當電壓波形出現畸變或偏差時仍然具有良好的自適應性。目前該方法僅處于理論研究階段，具有很好的發展前景。

電流跟蹤控制根據補償電流指令信號和實際補償電流之間的差值，得出控制補償電流發生電路中主電路各開關器件通斷的PWM信號，使得補償電流能夠有效跟蹤指令電流的變化。常見的電流跟蹤控制方法主要有：①三角載波比較方式。這是通過閉環來進行控制的一種方法，并不是把指令電流和三角波直接進行比較產生PWM波形，而是通過將指令電流和實際電流進行比較，求出偏差電流后經過放大再和三角波比較產生PWM波形。這種方法的硬件電路實現較為復雜，電流響應速度慢，跟蹤誤差大，功率開關器件的開關頻率固定。輸出電流所包含的的諧波較少，常用于對諧波和噪聲要求嚴格的場合。②滯環比較控制方式。這是通過閉環進行控制的跟蹤型PWM方式。將指令電流和實際輸出電流的偏差值作為滯環比較器的輸入，通過其輸出控制電力電子器件的通斷，從而使換流器的輸出值實時跟蹤補償電流指令值。滯環比較方式的硬件電路實現簡單，電流響應速度快，是一種實時控制方式。和三角載波相比，輸出電壓波形中不含有額定天頻率的諧波分量，但輸出電流中的高次諧波含量較多。若滯環寬度固定，則電流跟蹤的絕對誤差是固定的，電流小時相對誤差較大，電流大時，器件的開關頻率變高。為了減小跟蹤誤差，目前有文獻提出一種新的滯環比較方式——根據電流大小改變滯環寬度的變環寬控制。③定周期瞬時值比較方式。該方法不用滯環比較器，而是設置一個固定的時鐘，以固定的采樣周期對指令信號和被控制變量進行采樣，并根據二者之間偏差的極性來控制變流電路開關器件的通斷，使被控制量跟蹤指令信號。這種方法硬件電路實現簡單，采用定時控制方式，電流響應稍慢，器件開關的頻率是變化的，但最高開關頻率受到限制。

4 有源濾波技術的發展趨勢

有源濾波技術作為濾除諧波、提高電能質量的重要手段，在世界范圍內已經得到了廣泛應用。結合近幾年的研究和應用，可以總結出APF的發展趨勢。

①通過采用PWM調制和可提高開關器件等效開關頻率的多重化技術，實現對高次諧波的有效補償。②考慮經濟成本和效率，APF和無源濾波混合使用的濾波系統將會廣泛應用于中小系統中。③隨著半導體器件制造水平的提高和大容量換流器的應用，功能多元化的APF將會得到大力發展。UPFC由于能夠靈活調節系統參數，綜合改善電能質量，將會有很大的發展前景。

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作者簡介：閆泊（1987-），女，陜西西安人，碩士，助教，西安鐵路職業技術學院，研究方向：電力系統的運行與控制。