有源電力濾波器關鍵技術研究

段科威　杜宗林　高舉明　李怡靜

摘 要：有源電力濾波器是濾波器的一種，與傳統的濾波裝置不同的是，其可以對諧波電流進行動態補償，該種裝置在配電網中的應用具有明顯的針對性，主要是對一些諧波較大的負載進行集中補償，是消除配電網中諧波的“利器”，結合有源電力濾波器的基本原理，詳細論述有源電力濾波器的關鍵技術。

關鍵詞：有源電力濾波器;關鍵技術;研究

一、引言

隨著電力電子技術特別是高性能大功率電力電子器件的發展和應用，電網的諧波污染狀況及危害程度呈急劇上升趨勢。消除電力系統中諧波和提高電能質量成為科技工作者的研究熱點。有源電力濾波技術給電力系統穩定性控制、電能質量的提高、無功補償技術和諧波抑制技術帶來了新的革命。

二、有源電力濾波器的基本原理

（一）機理：通過一定的控制算法使有源電力濾波器發出與諧波源所產生的諧波的幅值相等，相位恰好相反的量，抵消諧波源中的諧波成分，使其剩下基波成分，其本質就是一個諧波源。

（二）基本原理：最基本的有源電力濾波器系統構成圖如下：

圖中us表示交流電源，負載為諧波源，它產生諧波并消耗無功。有源電力濾波器系統大體上由兩大部分組成，即指令電流運算電路和補償電流發生電路。其中指令運算電路的核心部分就是諧波和無功電流檢測電路，其主要作用就是檢測出需要補償對象電流中的諧波和無功等電流分量;補償電流發生電路由電流跟蹤控制電路、驅動電路和主電路三部分組成。其作用是根據指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號，產生實際的補償電流，主電路

多為橋式PWM變流器。

系統結構簡單概括如下：

二、補償電流的產生

補償電流的產生采用基于PWM的電壓源逆變器（VSI），其電流控制方法有以下幾種。

（一）三角載波線性控制

這是一種最簡單的線性控制方法。它以指令電流與實際補償電流之間的差值作為調制信號，與高頻三角載波比較，從而得到逆變器開關器件所需要的控制信號。優點是動態響應好，開關頻率固定，電路簡單。缺點是開關損耗大，且輸出波形中含有載波頻率及其諧波頻率的高頻畸變分量。

（二）滯環比較控制

它是將指令電流值與逆變器實際電流輸出值之差輸入到具體滯環特性的比較器，通過比較器的輸出來控制開關的開合， 從達到逆變器輸出值實時跟蹤指令電流值。 它具有開關損耗小，動態響應快等特點。 缺點是系統的開關頻率、 響應速度及電流的跟蹤精度會受滯環帶寬影響。

（三）無差拍控制

這是一種全數字化的控制技術， 利用前一時刻的指令電流和實際補償電流值，根據空間矢量理論計算出逆變器下一時刻應滿足的開關模式。優點是動態響應快，易于計算機執行。缺點是計算量大，且對系統參數依賴性大。

以上控制方法中，三角載波線性控制法和滯環比較控制法是目前有源電力濾波器普遍采用的方法，可以通過多重化技術、 適應滯環等改進措施來克服固有的缺陷，提高使用效率。無差拍控制法隨著數字信號處理器（DSP）運算速度的不斷提高，也將在有源電力濾波器中得到廣泛的應用。

三、有源電力濾波器的關鍵技術

有源電力濾波器存在許多待解決的問題為：諧波理論的進一步研究;進一步降低補償裝置的容量（減小制造成本和損耗）;控制系統的簡化和數字化（提高裝置的可靠性）;電力系統諧波的精密檢測與控制技術。

指令電流的檢測和補償電流的產生是有源電力濾波器的兩個關鍵技術：電流的檢測是能檢測出基波有功電流、基波無功電流、基波負序電流、諧波電流以及任意次諧波電流等。諧波電流的檢測有以下幾種方法：

（1）模擬濾波器：

（2）基于Fryze傳統功率定義的諧波電流檢測法;

（3）基于快速傅立葉變換（FFT）的諧波電流檢測方法;

（4）基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測法;

（5）基于FBD法的諧波電流檢測法;

（6）自適應諧波電流檢測法;

（7）基于人工神經網絡的自適應諧波電流檢測方法。

APF控制系統的主要任務是根據電流檢測電路得到的指令電流信號，合理地控制逆變器開關器件的動作，使實際輸出補償電流能夠實時跟隨指令電流。顯然，當APF主電路結構和電流檢測方法均已確定后，控制系統成為APF性能和效率的關鍵環節。APF控制系統主要包括兩個方面：

（1）APF出補償電流的控制;

（2）APF直流母線電壓的控制。

補償電流的產生通常采用基于PWM的電壓源逆變器，其電流控制方法主要有以下幾種;

（1）滯環電流控制;

（2）三角波調制控制;

（3）空間矢量調制控制;

（4）無差拍控制;

（5）滑模變結構控制;

（6）單周控制;

（一）電流控制關鍵技術

APF的主要功能是通過補償來消除諧波電流，其工作時的“身份”屬于受控電流源，其補償性能主要是由補償電流決定的，因此APF對電流的控制應該做到以下幾點：首先要能夠做到對電流的理想跟蹤，即在工作頻帶內不會出現幅值與相角誤差;其次是要具備較好的動態性能;第三是開關頻率應該恒定，有效保護功率開關器件;第四是能夠對直流母線電壓進行高效利用。

電流控制技術是APF應用于配電網中的關鍵技術，為了增強實用性，這里使用三角波比較法來對電流進行跟蹤控制，與其他控制方式不同的是，其不是將指令信號和三角波直接作出比較，而是將信號偏差（補償電流信號和指令信號之間的偏差）放大后與三角波作出比較，這里所使用的放大器一般都是比例放大器。三角波比較法可以固定系統中器件的開關頻率，使其和三角載波的頻率相等，為了改善其跟隨速度慢、開關損耗及電流誤差大等問題，可以在原有指令電壓中添加一個量，該量與電源電壓瞬時值成正比，輸出電壓的準確性就會大大提升，這樣輸出電流的準確性也會大大提升，幾乎是完全跟著指令電流的變化而變化的，這種方法將瞬時無功功率理論作為基礎，實現了諧波電流及無功電流的實時監測和實時補償。

（二）電壓控制關鍵技術

有源電力濾波器工作過程中直流側電電容電壓會因損耗降低或能量交換而波動，從而影響其補償效果，必須采取措施使直流側電容電壓維持恒定。PI控制方法結構簡單、穩定性好、技術成熟，直流側電容電壓的PI控制原理。直流側電容電壓的參考值Udc與實際電壓Udc的誤差ΔU作為控制器的輸入信號，經PI控制器調節后得到調節信號Δip;將調節信號Δip與三相負載瞬時有功電流的直流分量ip相疊加，經坐標變換得到的補償電流指令值ic中將包含一定的基波有功電流。通過調節Δip即可調節交流側電源對直流側電容的充放電，從而達到調節直流側電壓的目的。

當系統啟動時，直流母線電壓一開始為零，與給定值相差很大，經PI調節后得到調節信號Δip就會很大。而有源電力濾波器的交流電感很小，如果不采取措施，就會有很大的沖擊電流，有可能燒壞IGBT和直流母線電容，因此必須對系統進行軟啟動。在APF主電路進行諧波無功補償之前，將主電路交流側的接觸器斷開，使直流側電容首先通過主電路開關器件的反并聯二極管經限流電阻進行預充電;直到電流側電壓充電至三相線電壓峰值左右時再合上交流側接觸器，將限流電阻短路，直接對電容充電。另外，為了限制直流側電壓的超調量，穩定電容實際電壓值和參考值之間的偏差，對直流側電壓的PI控制進行誤差限幅。當直流側電壓的參考值與實際值的誤差ΔU小于限定值時，不干預PI控制器的正常工作，將實際電壓誤差作為其輸入;而當電壓誤差ΔU大于限定值時，將限定值作為PI控制器的輸入。

電壓波動原因主要有以下三種：其一是如果APF支路電流中出現諧波電流，且次數與交流電源諧波電流相同，APF就會出現以下兩種反應：一種是從配電網中吸收有功功率，此時直流側電壓就會升高，另一種是從配電網中釋放有功功率，此時直流側電壓就會降低;其二是逆變電路的開關會發生損耗，直流側電壓因此降低;其三是APF與配電網之間發生無功功率交換，直流側電壓也會出現相應的波動。直流電壓的穩定控制主要通過對主電路進行控制來實現，這種控制主要依靠兩個電路，一個是指令電流運算電路，另一個是補償電流發生電路，系統會給出一個直流電壓的參考值，系統還會輸出一個反饋值，參考值與反饋值的差值會在PI調節器的調節下形成調節信號，該信號會被輸送到補償電流發生器中作為基本運算數據，形成補償電流，該電流被注入到電網中，這樣，APF中就會有基波有功電流，直流側與交流側就實現了能量交換。

四、結束語

有源電力濾波器是一種用于動態抑制諧波、補償無功功率的新型電力電子裝置，能對大小和頻率都變化的諧波及無功功率進行補償。本文簡述了APF的工作原理，介紹了控制電壓的關鍵技術，旨在進一步增強APF的實用性。

參考文獻

[1] 尹慧，許彥.有源濾波器的研究現狀及前景展望[J].電力電容器與無功補償，2010，10（12）03：27-32.

[2] 肖國春，劉進軍，楊君，王兆安;高壓直流輸電用直流有源電力濾波器的研究[J];電工技術學報;2001年01期

基金項目：湖南省教育廳科學研究項目基金資助項目資助（項目編號：16C0005）