并聯有源電力濾波器的設計

王健+于瀟

摘 要：為保證供電質量，防止諧波對電網及電力設備的危害，除對電力系統加強管理外，還必須采取必要的措施來抑制諧波。有源電力濾波器（Active Power Filter，APF）被公認為是治理諧波、改善電能質量最有效的手段之一，已成為電力電子技術應用中的一個研究熱點。但是目前有源電力濾波器的采樣頻率較低，而且多路采樣結果之間有延時，因此設計一套并聯型有源電力濾波器對于提高電能質量以及系統的安全使用有著十分重要的意義。

關鍵詞：并聯；有源電力濾波器；設計

1.引言

隨著科學技術的發展，大量的電力電子裝置廣泛的應用于工業的各個領域，給工業帶來了翻天覆地的變化，但大量電力電子裝置的廣泛應用，同時也給電力系統這個環境帶來了嚴重的“污染”，其根本原因就是電力電子裝置是非線性負荷，在系統中運行會產生諧波，造成十分嚴重的危害。治理諧波污染已成為當今電工科學技術界所必須解決的問題，開發和研制高性能的諧波抑制裝置迫在眉睫。改善電網質量，必須要控制電網中的無功與諧波，因此提高功率因數與抑制諧波就推動了各種諧波抑制與無功補償技術的大力發展。針對諧波抑制，目前國際上有兩個方面，一是從諧波源出發，對非線性負載使用合理的電路結構，使負載產生較少的諧波，甚至不產生諧波。二是增加外部電力電子設備來補償諧波，這種方案適用于所有的諧波源。有源濾波器就是一種能夠對電網中的諧波進行抑制與無功補償的設備[1]。文以并聯型APF來介紹濾波器的原理。

2.并聯型有源濾波器

并聯型APF與非線性負載在電網中是以并聯電路接入的，并聯型有源電力濾波器的主電路由變流器，電感以及直流側儲能元件所構成，并聯型有源濾波器相當于一個受控電流源，主要用于補償電流型的諧波和無功電流，能夠對諧波與無功功率同時進行補償也能夠單獨補償。并聯型APF安裝方便，損耗較小，成本相對較低，而且補償性能好，所以目前是應用最為廣泛的一類濾波器[2]。

2.1并聯有源電力濾波器結構原理

本系統是基于三相三線制的并聯型有源電力濾波器（簡稱APF），交流電網對各種負載供電，負載中存在非線性負載諧波源，產生諧波、消耗無功。APF由四部分組成：主電路、IGBT驅動電路、數字控制電路和諧波電流檢測電路。本系統原理是根據瞬時無功功率理論的ip-iq算法原理，首先由DSP、FPGA等數字控制器計算出三相電流中的諧波分量，再利用不同的方法產生驅動開關元件的PWM指令，這些信號經過相關電路變成驅動信號驅動相應的開關器件，進而產生與非線性負載電流相位相反，幅值為負載電流中的諧波分量幅值的補償電流，從而達到濾波目的。

2.2 滑窗FFT遞推算法

DFT及其快速算法FFT是數字信號處理領域的核心組成部分。FFT算法多種多樣，按數據組合方式不同一般分時域法和頻域法，按數據抽取方式的不同又可分為基2和基4等。各算法的優缺點視不同的制約因素而不同。FFT的實現方法也多種多樣，可以用軟件實現，也可以用硬件實現。在數字通信系統中，經常用到信號譜線技術，這種技術利用離散傅里葉變換將信號從時域變換到頻域，達到信號檢測、信道估值、同步和調解的目的。

3.電流控制策略

對電流的控制是有源濾波器中另一關鍵因素，存在于APF中的電流跟蹤控制部分，控制主電路中的變流器產生與諧波大小相等，方向相反的電流。

3.1 無差拍控制

無差拍控制電流是采樣控制系統中一種特有的控制方式，在每一個開關周期內計算變流器在下一個開關內的占空比，其原理是利用下一個采樣時刻指令電流的預測值和當前時刻采樣電壓和電流值，計算當前指令電壓或指令電流，以達到電流跟蹤誤差為零的目的，如圖2所示。

無差拍控制屬于開環控制，存在穩態誤差，對于環境及參數依賴較強而產生誤差。其良好的電流跟蹤效果需要有合適的電流預測方案來保證，而這種不進行預測的無差拍控制實為差一拍或差幾拍控制，由頻譜分析可知，補償之后電源電流的低次諧波含量較高。

3.2 重復控制

重復控制策略是基于內模原理的，在一個周期性的信號中，它能將每個周期中的誤差存儲下來，并且進行逐周期累加，是一種有效的波形校正技術，能夠消除周期性擾動的影響。

3.3 重復控制的無差拍控制電流

由于無差拍控制對參數依賴性較強，其濾波效果受預測方案影響較大，而重復控制最大的缺點即是動態響應速度過慢，因此可以將二者結合起來對電流進行控制。在電網中，非線性負載產生的諧波無功電流各不相同，但是由于諧波電流的出現具有重復性和周期性，平推算法的預測值與實際值之間的誤差也將以固定的波形重復出現[3]。采用重復控制結合無差拍控制電流的方法，利用重復控制對電網電流進行超前一拍的預測，由于無差拍控制對于電流預測值總是會產生延時，因此將二者結合在一起，可以改善無差拍控制電流的性能。將重復控制器置于無差拍控制之前，通過對上一開關周期誤差信息的收集，能夠在下一周期到來時，給予正確的幅度，相位補償值，然后迅速的消除該周期的誤差。重復控制減小諧波失真，改善系統誤差，無差拍控制提高系統的動態響應。將兩者結合在一起能夠對變化的電流有很好的適應能力，當電網中的參數變化，兩種控制方法能夠很好地對變化的電流進行跟蹤，從而準確得出控制主電路的開斷信號。

4、結語

隨著電力電子技術的快速發展，各種非線性功率器件的廣泛應用，大量諧波和無功功率注入電網，造成系統效率降低，功率因素變差，嚴重影響電網和用電設備的安全運行。有源電力濾波器（Active Power Filter，APF）通過向電網注入與原有諧波和無功電流大小相等方向相反的補償電流，可以補償電網的諧波和無功功率、提高電能質量、增強電網的可靠性和穩定性，其良好的濾波性能在國內外引起了廣泛關注。但是目前有源電力濾波器的采樣頻率較低，而且多路采樣結果之間有延時，因此設計一套并聯型有源電力濾波器對于提高電能質量以及系統的安全使用有著十分重要的意義。本文設計了一種并聯有源電力濾波器，詳細介紹了并聯有源電力濾波器的原理、算法以及電流控制策略。

參考文獻：

[1]李戰鷹，任震，楊澤明.有源濾波裝置及其應用研究綜述[J].電網技術，2004，28（22）：40-43.

[2]顧建軍，徐殿國，劉漢奎，公茂忠.有源濾波技術現狀及其發展[J].電機與控制學報，2003，7（2）：126-132.

[3]武健，何娜，徐殿國. 重復控制在并聯有源濾波器中的應用[J].中國電機工程學報，2008，28（18）： 66-72.