有源電力濾波器的動態無功補償方法研究

摘要：為克服大量分布式電源、電動汽車并網時對電網帶來的沖擊，同時考慮到分布式電源及負載的雙重隨機動態變化特性，文章對現有無功補償裝置進行了分析，提出采用有源電力濾波器（Active Power Filter，APF）對配電網進行動態無功補償，并在MATLAB-Simulink中搭建仿真模型。經驗證，APF動態無功補償能力較好。

關鍵詞：無功補償；有源電力濾波器；MATLAB仿真

中圖分類號：TM642

文獻標志碼：A

0 引言

隨著電網規模的增大，廣泛使用的電力電子設備產生了大量的諧波和無功問題，因而影響了電網的電能質量，縮短了發電設備、輸電設備與用電設備的壽命。若用電設備的無功功率由發電廠提供，將會產生大量的無功電流，增加電網的總諧波畸變率和輸電線纜的無功損耗，降低電能的利用率。故選擇合適的無功補償裝置，可以優化供電系統，降低系統的無功損耗，提高輸電線路的末端電壓，提高電能的有效利用率^［1］。

1 無功補償器概述

在電力系統中，無功功率補償裝置的作用主要有：（1）改善電網的電能質量；（2）提高設備的出力；（3）提高電網的功率因數；（4）降低輸電線路與變壓器的功率損耗。現今無功補償設備種類繁多，分類如圖1所示^［2］，主要包括補償電容器組、同步調相機（Synchronous Compensator，SC）、飽和電抗器（Silicon Rectifier，SR）、靜止無功補償器（Static Var Compensator，SVC）、靜止無功發生器（Static Var Generator，SVG）、APF、統一潮流控制器（Unified Power Flow Controller，UPFC）等^［3］。由于核心器件的不同，無功功率補償裝置在補償時間、無功功率提供等方面有所不同，應根據實際情況進行無功方案配置。

隨著光伏發電、風力發電的規模發展以及終端設備、大量電動汽車并入電網，配電網端設備對電能應用的不斷增加，特別是新能源發電的電壓波動，影響電網的電能質量，故需要對電網進行無功功率優化，改善配電網的電壓越限的問題。考慮到分布式電源隨機性和負載隨機性的雙重動態變化，可采用有源電力濾波器APF進行動態無功補償。這樣既可以補償電網的無功功率，還可以處理電網中的諧波和不平衡分量，改善電能質量^［4］。

2 有源電力濾波器的介紹

有源電力濾波器可以適應電網中的負荷變化，根據當前檢測出的功率因數，計算出所需的無功功率，實時產生一個與原有無功功率相位相反的無功電流，進行動態無功補償。因此，有源電力濾波器可以降低負序電流危害，提高電力設備的壽命。由于相位相反，相互抵消，電網中的總無功功率降低。根據電路結構及應用場合不同，有源電力濾波器有多種分類^［5］。

2.1 按照逆變器的相數分類

按照逆變器的相數，有源電力濾波器可以分為單相有源電力濾波器和三相有源電力濾波器。通常低于 100 kW的低功率場合選用單相有源電力濾波器；高于 100 kW的高功率場合大多選用三相有源電力濾波器。三相有源電力濾波器根據中性點接線方式又分為三相三線制有源電力濾波器和三相四線制有源電力濾波器。本文采用三相三線制有源電力濾波器作為主要研究對象進行研究。

2.2 根據直流側儲能元件分類

根據直流側儲能元件，有源電力濾波器可以分為基于電容結構、基于電感結構。有源濾波電路在直流端口處能夠通過電容或電感型結構完成能量的存儲中轉。基于電容結構的有源電力濾波器工作機理與電壓源類似，損耗更低、效率更高，且可以通過級聯的方式增加設備整體容量；基于電感結構的有源電力濾波器工作機理與電流源類似，可以補償高次諧波，因為其結構特點，可以避免因主電路橋臂直通造成的短路故障，保護性更好。

2.3 根據并入電網方式分類

根據并入電網方式，有源電力濾波器可分為串聯型有源電力濾波器、并聯型有源電力濾波器、混合型有源電力濾波器。目前常采用混合型有源電力濾波器。無源濾波器具有拓撲結構簡單、電路成本低、控制容易且無容量限制等優點。將無源濾波器與有源電力濾波器組合成混合型有源電力濾波器，不僅保留了有源電力濾波器補償性能好的優點，還提高了濾波器的容量，降低了濾波器的成本。通常將LC 無源濾波器與有源電力濾波器串聯或并聯后使用，稱為串聯型有源電力濾波器或并聯型有源電力濾波器。

2.4 根據逆變器的電平數分類

根據逆變器的電平數分類，有源電力濾波器分為兩電平、三電平、多電平的有源電力濾波器。兩電平有源電力濾波器采用的開關管較少，拓撲結構簡單，每個開關周期中只輸出正電平和負電平。三電平有源電力濾波器開關管數量較多，拓撲結構也較為復雜，可以輸出正電平、零、負電平3種類型。電平階數越高，那么相應的輸出波形越趨近于正弦波。吻合程度越高，說明輸出的質量就越好，其中的諧波成分也就更少。在相同的工作環境下，三電平拓撲結構下功率開關管承受的電壓為兩電平拓撲結構下電壓的一半；三電平拓撲結構下開關管所需的頻率低于兩電平結構，產生的損耗也隨之減小。因此，在功率開關管的選型上，三電平有更大的成本優勢。實際應用中，需綜合考慮成本以及可靠性，絕對不能隨意增加電平數目^［6-7］。

3 APF的國內外研究現狀

國內外眾多學者基于有源電力濾波器進行動態無功優化已有一定的相關研究。Li等^［8］提出采用雙滑模控制器調節直流母線電壓，提高有源電力濾波器的可控性。Tareen等^［9］提出一種新型的三相并聯型有源電力濾波器，采用四開關雙橋臂VSI拓撲結構，優化了無功補償效果。孟浩等^［10］解決了有源電力濾波器傳統控制方法的諧波電流跟蹤效果差的問題，提出采用準比例諧振控制器。Bai等^［11］采用電網電壓估計法控制有源電力濾波器，從而控制直流側電壓，提高供電的可靠性。劉洋^［12］提出了采用分布式預測控制方法，耦合多個有源電力濾波器，優化諧波分配，不僅提高治理諧波的效率，同時還提高了系統容量。馮怡菲等^［13］提出采用CVPI和PR結合的控制策略，提高無功補償的精度。Vahedi等^［14］優化有源電力濾波器的拓撲結構，將五電平封裝單元與APF結合，改進功率因數校正，優化無功補償效果。為解決新能源發電系統中的諧波問題，侯世璽等^［15］提出結合滑膜控制和分數階理論對有源電力濾波器進行控制。為解決電網不平衡問題，Alathamneh等^［16］ 提出采用 PR 控制電網不平衡情況下的有源電力濾波器。Fang等^［17］在單相半橋型有源電力濾波器的基礎上，加入諧振單元，優化無功補償的效果。為解決有源電力濾波器帶寬變窄問題，周娟等^［18］提出優化控制器的魯棒性。

4 APF動態無功補償方案

APF可看作是輸出交流分量的逆變器，相較于串聯型而言，并聯型APF具有成本低、效率高、損耗小、保護電路簡單等特點，輸出補償電流能夠抵消系統中的紋波分量，起到諧波處理的效果。

三相供電系統并聯APF無功補償方案如圖2所示，非線性負載通過不控橋式整流器平衡地連接到供電干線上。APF采用IGBT全控型電力電子開關反并聯續流二極管構成的三相電壓源逆變構成。有源電力濾波器APF并聯接到交流電網上，以補償非線性負載產生的諧波和無功功率。

具體工作流程如下：由霍爾電壓傳感器、電流傳感器檢出需要補償的系統中的電壓和電流，再將檢測出來的數據傳輸到控制器中，可采用DSP作為主控制器，在控制器中完成對所需補償電流的計算過程，并通過控制APF實現對電路的無功功率補償^［17-18］ 。

直流側電壓因為有源電力濾波器在進行補償諧波電流時會使交流側能量發生變換而發生電壓波動，所以也需要進行電壓外環的穩壓控制，以達到更好的無功補償效果。

目前，通常采用的直流側電壓調節方法有：PI 控制、滑模控制以及自抗擾控制策略。PI 控制策略以設計簡易、動態響應速度快等優點被廣泛應用，但同時也容易產生超調現象，且抗擾動能力較差。滑膜控制策略通過使系統狀態點沿預設滑模面進行滑模面運動進行控制，魯棒性和準確度較強，但是會造成抖振現象，影響應用。自抗擾控制策略的設計原理源自于 PI 控制策略，構造跟蹤微分器協調響應速度與超調，構造擴張狀態觀測器解決外部位置擾動對控制對象的影響等方式對諧波電流進行跟蹤控制，能夠及時補償抵消控制過程中產生的擾動，但由于控制參量較多，整定難度較高，導致設計較為復雜 ^［19］。

5 有源電力濾波器的拓撲結構

相比于霍爾茲提出的三電平拓撲結構，二管箝位三電平逆變器（Neutral Point Clamped，NPC）具有輸出波形質量高、開關管損耗低、總諧波畸變率低、工作效率高等特點。三相三電平有源電力濾波器主要有三橋臂和四橋臂2種。雖然四橋臂結構可以顯著提升零序補償能力和直流母線的電壓利用率，但是成本更高、系統更復雜、控制更煩瑣^［20］。本文以并聯電壓型二極管箝位三電平有源電力濾波器作為研究對象。

如圖3所示，該拓撲結構為電壓型二極管箝位三電平逆變器，由12個開關管反并聯二極管模塊以及6個二極管構成。C₁、C₂容值相等，分壓均為12U_DC。本文以A相為例，具體說明電路的工作流程。

6 仿真

在MATLAB-Simulink軟件中，搭建三相供電系統并聯有源電力濾波器的動態無功補償仿真模型，如圖4所示。三相電源通過三相不控整流器給非線性負載供電來模擬主網供電。有源電力濾波器拓撲結構采用三電平逆變器，通過三相同步坐標系轉換后，采用SPWM驅動12個IGBT，實現對負載電流的調節。比較通過并聯型有源電力濾波器前后的三相負載電壓電流波形來分析無功補償效果，如圖5—6所示。

具體仿真參數如下：三相電源U=310 V，f=50 Hz，感性負載R=4 Ω，L=0.4 mH，C=0.136 mF；兩相相間負載R=4 Ω。

從APF補償前后三相電壓電流波形可以看出APF補償前由于帶非線性負載，電壓電流波形有一定的相位差；APF補償后電壓電流相位基本一致。仿真結果可以說明APF無功補償效果較好。

7 結語

有源電力濾波器在配電網中的應用，不僅可以節省能耗、改善電能質量，還能圍繞我國“雙碳達標”的目標，減少新能源發電對配電網的沖擊，保證電力系統的安全運行。隨著無功補償應用范圍越來越廣，也可采用靜態無功和動態無功混合補償方式，為電力用戶提供更穩定、高質量的供電服務。

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（編輯 王雪芬）

Research on dynamic reactive power compensation methods of active power filters

Yuan" Xin， Zhao" Chenchen， Zhu" Pengju

（National Energy Bengbu Power Generation Co.， Ltd.， Bengbu 233000， China）

Abstract：To overcome the impact of large-scale distributed power generation and electric vehicles connected to grid， considering the dual random dynamic change characteristic of distributed power generation and loads， based on analysis of the existing reactive power compensation devices， active power filter （APF） is proposed for dynamic reactive power compensation in distribution networks. A simulation model is built in MATLAB-Simulink to verify the dynamic reactive power compensation capability of APF.

Key words：reactive power compensation; active power filter; MATLAB-Simulink