淺談有源電力濾波器

江蘇自動化研究所 孫日明 陸 陽

目前，電力設備數量大、種類多，其中各類交變流電力設備的應用，降低了供電網絡的電能質量，此時若直接用該電網給精密的電子設備供電，則可能影響設備的正常工作甚至損壞設備，由此可見，如何抑制供電網絡中的諧波電流是個值得研究的問題。

1 有源電力濾波器

上世紀60年代，有源電力濾波器理論（APF）由J.F.Marsh與B.M.Bird共同提出，其是一種新型諧波處理方式，采用向供電網絡輸入和諧波電流幅值相等、相位相反的補償電流的方式來抑制諧波電流，從而提升供電網絡的電能質量；上個世紀70年代初，日本研究人員H.Sasaki和T.Machida詳細系統地概括了APF的工作原理；此后，美國研究人員L.Gyugyi等人提出了一種逆變電路可以滿足APF對主電路的需求，但受到彼時技術發展水平限制，APF仍然處在理論研究階段，沒有實際設備面世。直到上個世紀80年代，由于電力電子技術的發展，尤其是各種全新的電力電子器件投入市場，加之諧波檢測方法的進步，都加速了APF的發展。

2 有源電力濾波器分類

本文將從三個不同的角度對APF進行分類。

2.1 按照接入供電網絡電網的方式

依據有源電力濾波器接入供電網絡的不同方式，可以將其分類為：串聯型、并聯型和串-并聯型有源電力濾波器。

串聯型有源電力濾波器通常用于處理諧波電壓污染，其必須串聯耦合變壓器間接接入供電網絡。當APF工作時，耦合變壓器流過的電流等于總負載電流，因此對變壓器容量的要求很高，并且該類APF在投切和保護方面的措施也很復雜，導致成本難以降低。

并聯型有源電力濾波器通常用于處理諧波電流污染，相較于串聯型，該類有源電力濾波器直接接入供電網絡而不必通過耦合變壓器，對原電路不存在干擾，并且該類APF的投切與設備保護措施也容易實現。該類有源電力濾波器對電力電子器件的容量需求仍較高，但可以通過有源電力濾波器并聯的方式來實現擴充容量。

串-并聯型有源電力濾波器保留了并聯型APF、串聯型APF的優勢，不但具備處理諧波電壓污染的能力，也可以有效處理諧波電流污染，能夠應對供電網絡中大多數的電能質量問題，因此該類有源電力濾波器也被稱為萬能濾波器。但該類APF的控制器結構復雜且造價較高，導致其推廣受到了阻礙。

串聯型、并聯型APF既可以獨立使用，也可以組合無源電力濾波器來共同處理諧波污染，將二者的組合稱為混合型APF。在混合型APF中，無源電力濾波器承擔了大部分諧波的抑制任務，能夠有效減小APF的容量要求，達到電力濾波器容量擴充的作用。

2.2 按照逆變電路的直流端儲能元件

依據APF逆變電路直流側儲能元件的不同，將APF分為電壓源型和電流源型。電壓源型APF主電路儲能元件為電容，電流源型APF主電路直流側儲能元件是電感。

電流源型APF具備處理諧波電流污染的能力，等效于受控電流源，其可以實現穩定工作且不易受到干擾；同時，當諧波電流發生波動時，電流源型APF也能快速的做出反應。因為電流源型有源電力濾波器逆變電路的直流側儲能元件為大容量電感，所以其能耗高，且其逆變電路的驅動技術成熟度不高，都阻礙了電流源型APF的應用。

電壓源型APF具備處理諧波電壓污染的能力，等效于受控電壓源，其能夠以較小的電能損耗實現對諧波電壓的抑制；同時，可以通過多電平技術來實現APF的容量擴充。因為僅可通過改變電壓來實現對電流的控制，所以電壓型APF的應對諧波波動的性能弱于電流源型APF。當前，投入市場應用的有源電力濾波器基本都是電壓源型的。

綜上所述，電壓源型APF的推廣價值更高。

2.3 按照補償電流的相數

按照APF補償電流（或補償電壓）相數的不同，將其劃分成單相APF和三相APF，三相APF又可劃分成三相三線制APF和三相四線制APF。

APF相數可依據實際應用環境來確定。一般情況下，寫字樓、小型工廠等是使用單相有源電力濾波器；大型加工廠、電氣化鐵路等大功率應用環境，一般使用三相三線制有源電力濾波器；三相四線制有源電力濾波器一般運用于居民小區等應用環境。

3 有源電力濾波器電流控制策略研究現狀

有源電力濾波器抑制諧波性能的好壞取決于電流跟蹤策略的優劣，因此眾多學者將電流跟蹤控制策略作為APF的主要研究方向。提升指令電流跟蹤控制策略的性能，有助于增強APF的實時性和控制力，進而提高APF抑制諧波的效果。目前，典型的有源電力濾波器電流跟蹤控制策略有滯環控制法、PI控制、諧振控制、重復控制等。

3.1 滯環控制法

滯環控制法把指令電流和APF輸出電流作差后，通過比較器得出有源電力濾波器的主電路開關控制量。滯環控制法可以及時對電流波動做出反應，同時其靜態性能好，具備較強的抗干擾性能。但其也存在明顯缺點，例如：逆變電路所采用的元件的開關速度快、損耗大，并且運用于多電平的時候，將會引起直流側兩端電壓不對稱。肖麗平、童朝南等人將滯環控制算法與變環寬函數相結合，使得環寬的確定更加合理，提高了APF的諧波抑制效果。付澤勛、江友華等人將空間電壓矢量和滯環控制策略相結合，減小了電力電子元件的開關速度。張竹、張代潤等人設計了一種無需增設附加電路的定頻滯環電流控制策略，保證了主電路電力電子器件開關速度的穩定。趙鋼、邵廣時將滯環電流控制策略運用到三電平APF中，設計了雙滯環矢量控制策略，能夠有效抑制諧波。

3.2 PI控制

PI控制策略具有結構簡單的優點，同時應對諧波波動的能力強，且易于工程實現；但其對諧波的抑制效果較差，難以滿足精度要求，且其對高次諧波的抑制能力十分有限，單純應用PI電流控制策略的有源電力濾波器無法滿足諧波補償的要求。李國華、汪玉鳳等人為了簡化整個控制器的結構，省去了諧波電流檢測環節，且無需采樣APF輸出電流，設計出一種PI網側電流控制策略，但其也存在精度低的缺點。周娟、耿乙文為了消除APF相電流的相互干擾，設計了一種結合PI控制和前饋解耦的復合控制策略。陳曦、唐斌等人設計了結合復數積分和PI控制的電流控制算法，實現了對指令電流的無差跟蹤。晏夏瑜、韋彬等人把PI控制和模糊控制相結合，使得參數可以自適應調節，從而提高了諧波的抑制性能。

3.3 諧振控制

從原理上講，采用諧振原理的控制器可實現對特定頻率的正弦波無穩態誤差跟蹤控制，且可針對特定次諧波電流進行抑制。但諧振控制策略必須對各次諧波單獨設計一個控制器，造成整個控制器結構復雜、實際應用成本高。祝慧、周苗等人充分發揮諧振控制能抑制特定頻率諧波的優勢，結合PI控制，其中PI負責處理大部分諧波，諧振控制則處理諧波含量較高的特定頻率諧波，獲得了良好的綜合抑制效果。馬駿、時珊珊為了增加諧振電流控制策略的帶寬，結合積分環節提出了一種新型諧振電流控制策略，同時其工作狀態穩定、不易受到干擾。汪玉鳳、王旭等人成功地把諧振電流控制策略運用到混合APF中，采用了一種比例諧振電流控制策略，簡化了控制器結構，獲得了良好的靜態補償精度和快速的動態響應。

3.4 重復控制

重復控制可以連續累加周期性的信號，如果輸入值為0，仍會繼續累加與上個周期相同的信號，可以將其當作任意波形發生器。重復控制可完成對指令信號的無差跟蹤，具備控制器結構簡單、實用性強的優點，但當諧波發生突變的時候，其應對速度較慢，至少經過一個基波周期方可做出反應。Demirdelen T,Kayaalp R等人改進了重復控制器的內模，實現了對某些次諧波的控制，具備完全抵消掉這些次諧波的能力。通常情況下，諧波電流的次數主要為6K±1次，Escobar G、Hernandez-Gomez M提出了可跟蹤控制次數為6K±1諧波的內模，但同時其存在魯棒性差的缺點。一般情況下，重復內模都是正反饋，所以當系統工作時會存在相位偏移的現象。就該現象，Boussaid A和Nemmour A L采用負反饋替換掉正反饋，提高了重復控制跟蹤控制奇數次諧波的精度，但這種重復內模無法實現對偶數次諧波的跟蹤控制。為加快重復控制系統的動態響應速度，張宸宇、梅軍等人將無差拍思想與重復控制相結合，從而獲得了良好的諧波抑制效果。

綜上，滯環控制策略響應速度快、電流跟蹤補償精度高、工作狀態穩定，但該方法開關頻率大、損耗高且容易發生電流脈動，導致其實用性不高。即便PI控制策略的研究已十分成熟，但其先天的缺陷導致其無法獨立承擔諧波抑制的任務。現階段，結合PI控制和其它控制策略的電流控制策略大量地被運用到有源電力濾波器中。采用諧振控制策略的有源電力濾波器能夠有效抑制諧波，但針對各次諧波都需要單獨設計一個諧振控制器，導致控制器結構較為復雜，且不易進行數字化。采用重復控制器的有源電力濾波器抑制諧波的靜態性能很好，但其應對諧波波動的響應速度慢。此外，越來越多的智能控制算法被應用到APF領域，比如蝙蝠算法、神經網絡、蟻群算法等。

結語：有源電力濾波器是一種能夠有效處理諧波污染問題的設備，且具有使用維護成本較低等優點，因此被廣泛應用到諧波污染的治理中。本文介紹了有源電力濾波器的分類，總結了有源電力濾波器電流控制策略的研究現狀，并比較了不同控制策略的優缺點，未來有源電力濾波器將向著大容量、低成本、多電平的方向發展。