有源電力濾波器關(guān)鍵技術(shù)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(tǒng)的濾波裝置不同的是，其可以對(duì)諧波電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，該種裝置在配電網(wǎng)中的應(yīng)用具有明顯的針對(duì)性，主要是對(duì)一些諧波較大的負(fù)載進(jìn)行集中補(bǔ)償，是消除配電網(wǎng)中諧波的“利器”，結(jié)合有源電力濾波器的基本原理，詳細(xì)論述有源電力濾波器的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：有源電力濾波器;關(guān)鍵技術(shù);研究

一、引言

隨著電力電子技術(shù)特別是高性能大功率電力電子器件的發(fā)展和應(yīng)用，電網(wǎng)的諧波污染狀況及危害程度呈急劇上升趨勢(shì)。消除電力系統(tǒng)中諧波和提高電能質(zhì)量成為科技工作者的研究熱點(diǎn)。有源電力濾波技術(shù)給電力系統(tǒng)穩(wěn)定性控制、電能質(zhì)量的提高、無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)和諧波抑制技術(shù)帶來(lái)了新的革命。

二、有源電力濾波器的基本原理

（一）機(jī)理：通過(guò)一定的控制算法使有源電力濾波器發(fā)出與諧波源所產(chǎn)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(zhì)就是一個(gè)諧波源。

（二）基本原理：最基本的有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成圖如下：

圖中us表示交流電源，負(fù)載為諧波源，它產(chǎn)生諧波并消耗無(wú)功。有源電力濾波器系統(tǒng)大體上由兩大部分組成，即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。其中指令運(yùn)算電路的核心部分就是諧波和無(wú)功電流檢測(cè)電路，其主要作用就是檢測(cè)出需要補(bǔ)償對(duì)象電流中的諧波和無(wú)功等電流分量;補(bǔ)償電流發(fā)生電路由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路三部分組成。其作用是根據(jù)指令電流運(yùn)算電路得出的補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流，主電路

多為橋式PWM變流器。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單概括如下：

二、補(bǔ)償電流的產(chǎn)生

補(bǔ)償電流的產(chǎn)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(jiǎn)單的線性控制方法。它以指令電流與實(shí)際補(bǔ)償電流之間的差值作為調(diào)制信號(hào)，與高頻三角載波比較，從而得到逆變器開(kāi)關(guān)器件所需要的控制信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，開(kāi)關(guān)頻率固定，電路簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)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(huán)比較控制

它是將指令電流值與逆變器實(shí)際電流輸出值之差輸入到具體滯環(huán)特性的比較器，通過(guò)比較器的輸出來(lái)控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)合， 從達(dá)到逆變器輸出值實(shí)時(shí)跟蹤指令電流值。 它具有開(kāi)關(guān)損耗小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)。 缺點(diǎn)是系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率、 響應(yīng)速度及電流的跟蹤精度會(huì)受滯環(huán)帶寬影響。

（三）無(wú)差拍控制

這是一種全數(shù)字化的控制技術(shù)， 利用前一時(shí)刻的指令電流和實(shí)際補(bǔ)償電流值，根據(jù)空間矢量理論計(jì)算出逆變器下一時(shí)刻應(yīng)滿足的開(kāi)關(guān)模式。優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于計(jì)算機(jī)執(zhí)行。缺點(diǎn)是計(jì)算量大，且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)依賴性大。

以上控制方法中，三角載波線性控制法和滯環(huán)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(guò)多重化技術(shù)、 適應(yīng)滯環(huán)等改進(jìn)措施來(lái)克服固有的缺陷，提高使用效率。無(wú)差拍控制法隨著數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）運(yùn)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(yīng)用。

三、有源電力濾波器的關(guān)鍵技術(shù)

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

指令電流的檢測(cè)和補(bǔ)償電流的產(chǎn)生是有源電力濾波器的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：電流的檢測(cè)是能檢測(cè)出基波有功電流、基波無(wú)功電流、基波負(fù)序電流、諧波電流以及任意次諧波電流等。諧波電流的檢測(cè)有以下幾種方法：

（1）模擬濾波器：

（2）基于Fryze傳統(tǒng)功率定義的諧波電流檢測(cè)法;

（3）基于快速傅立葉變換（FFT）的諧波電流檢測(cè)方法;

（4）基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流檢測(cè)法;

（5）基于FBD法的諧波電流檢測(cè)法;

（6）自適應(yīng)諧波電流檢測(cè)法;

（7）基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)諧波電流檢測(cè)方法。

APF控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)電流檢測(cè)電路得到的指令電流信號(hào)，合理地控制逆變器開(kāi)關(guān)器件的動(dòng)作，使實(shí)際輸出補(bǔ)償電流能夠?qū)崟r(shí)跟隨指令電流。顯然，當(dāng)APF主電路結(jié)構(gòu)和電流檢測(cè)方法均已確定后，控制系統(tǒng)成為APF性能和效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。APF控制系統(tǒng)主要包括兩個(gè)方面：

（1）APF出補(bǔ)償電流的控制;

（2）APF直流母線電壓的控制。

補(bǔ)償電流的產(chǎn)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(huán)電流控制;

（2）三角波調(diào)制控制;

（3）空間矢量調(diào)制控制;

（4）無(wú)差拍控制;

（5）滑模變結(jié)構(gòu)控制;

（6）單周控制;

（一）電流控制關(guān)鍵技術(shù)

APF的主要功能是通過(guò)補(bǔ)償來(lái)消除諧波電流，其工作時(shí)的“身份”屬于受控電流源，其補(bǔ)償性能主要是由補(bǔ)償電流決定的，因此APF對(duì)電流的控制應(yīng)該做到以下幾點(diǎn)：首先要能夠做到對(duì)電流的理想跟蹤，即在工作頻帶內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)幅值與相角誤差;其次是要具備較好的動(dòng)態(tài)性能;第三是開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)該恒定，有效保護(hù)功率開(kāi)關(guān)器件;第四是能夠?qū)χ绷髂妇€電壓進(jìn)行高效利用。

電流控制技術(shù)是APF應(yīng)用于配電網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)，為了增強(qiáng)實(shí)用性，這里使用三角波比較法來(lái)對(duì)電流進(jìn)行跟蹤控制，與其他控制方式不同的是，其不是將指令信號(hào)和三角波直接作出比較，而是將信號(hào)偏差（補(bǔ)償電流信號(hào)和指令信號(hào)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(tǒng)中器件的開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)損耗及電流誤差大等問(wèn)題，可以在原有指令電壓中添加一個(gè)量，該量與電源電壓瞬時(shí)值成正比，輸出電壓的準(zhǔn)確性就會(huì)大大提升，這樣輸出電流的準(zhǔn)確性也會(huì)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(shí)無(wú)功功率理論作為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了諧波電流及無(wú)功電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

（二）電壓控制關(guān)鍵技術(shù)

有源電力濾波器工作過(guò)程中直流側(cè)電電容電壓會(huì)因損耗降低或能量交換而波動(dòng)，從而影響其補(bǔ)償效果，必須采取措施使直流側(cè)電容電壓維持恒定。PI控制方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、技術(shù)成熟，直流側(cè)電容電壓的PI控制原理。直流側(cè)電容電壓的參考值Udc與實(shí)際電壓Udc的誤差ΔU作為控制器的輸入信號(hào)，經(jīng)PI控制器調(diào)節(jié)后得到調(diào)節(jié)信號(hào)Δip;將調(diào)節(jié)信號(hào)Δip與三相負(fù)載瞬時(shí)有功電流的直流分量ip相疊加，經(jīng)坐標(biāo)變換得到的補(bǔ)償電流指令值ic中將包含一定的基波有功電流。通過(guò)調(diào)節(jié)Δip即可調(diào)節(jié)交流側(cè)電源對(duì)直流側(cè)電容的充放電，從而達(dá)到調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓的目的。

當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，直流母線電壓一開(kāi)始為零，與給定值相差很大，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后得到調(diào)節(jié)信號(hào)Δip就會(huì)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(huì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟啟動(dòng)。在APF主電路進(jìn)行諧波無(wú)功補(bǔ)償之前，將主電路交流側(cè)的接觸器斷開(kāi)，使直流側(cè)電容首先通過(guò)主電路開(kāi)關(guān)器件的反并聯(lián)二極管經(jīng)限流電阻進(jìn)行預(yù)充電;直到電流側(cè)電壓充電至三相線電壓峰值左右時(shí)再合上交流側(cè)接觸器，將限流電阻短路，直接對(duì)電容充電。另外，為了限制直流側(cè)電壓的超調(diào)量，穩(wěn)定電容實(shí)際電壓值和參考值之間的偏差，對(duì)直流側(cè)電壓的PI控制進(jìn)行誤差限幅。當(dāng)直流側(cè)電壓的參考值與實(shí)際值的誤差ΔU小于限定值時(shí)，不干預(yù)PI控制器的正常工作，將實(shí)際電壓誤差作為其輸入;而當(dāng)電壓誤差ΔU大于限定值時(shí)，將限定值作為PI控制器的輸入。

電壓波動(dòng)原因主要有以下三種：其一是如果APF支路電流中出現(xiàn)諧波電流，且次數(shù)與交流電源諧波電流相同，APF就會(huì)出現(xiàn)以下兩種反應(yīng)：一種是從配電網(wǎng)中吸收有功功率，此時(shí)直流側(cè)電壓就會(huì)升高，另一種是從配電網(wǎng)中釋放有功功率，此時(shí)直流側(cè)電壓就會(huì)降低;其二是逆變電路的開(kāi)關(guān)會(huì)發(fā)生損耗，直流側(cè)電壓因此降低;其三是APF與配電網(wǎng)之間發(fā)生無(wú)功功率交換，直流側(cè)電壓也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的波動(dòng)。直流電壓的穩(wěn)定控制主要通過(guò)對(duì)主電路進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種控制主要依靠?jī)蓚€(gè)電路，一個(gè)是指令電流運(yùn)算電路，另一個(gè)是補(bǔ)償電流發(fā)生電路，系統(tǒng)會(huì)給出一個(gè)直流電壓的參考值，系統(tǒng)還會(huì)輸出一個(gè)反饋值，參考值與反饋值的差值會(huì)在PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)下形成調(diào)節(jié)信號(hào)，該信號(hào)會(huì)被輸送到補(bǔ)償電流發(fā)生器中作為基本運(yùn)算數(shù)據(jù)，形成補(bǔ)償電流，該電流被注入到電網(wǎng)中，這樣，APF中就會(huì)有基波有功電流，直流側(cè)與交流側(cè)就實(shí)現(xiàn)了能量交換。

四、結(jié)束語(yǔ)

有源電力濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功功率的新型電力電子裝置，能對(duì)大小和頻率都變化的諧波及無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償。本文簡(jiǎn)述了APF的工作原理，介紹了控制電壓的關(guān)鍵技術(shù)，旨在進(jìn)一步增強(qiáng)APF的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 肖國(guó)春，劉進(jìn)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(shù)學(xué)報(bào);2001年01期

基金項(xiàng)目：湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目基金資助項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號(hào)：16C0005）