有源电力滤波器关键技术研究

段科威　杜宗林　高举明　李怡静

摘 要：有源电力滤波器是滤波器的一种，与传统的滤波装置不同的是，其可以对谐波电流进行动态补偿，该种装置在配电网中的应用具有明显的针对性，主要是对一些谐波较大的负载进行集中补偿，是消除配电网中谐波的“利器”，结合有源电力滤波器的基本原理，详细论述有源电力滤波器的关键技术。

关键词：有源电力滤波器;关键技术;研究

一、引言

随着电力电子技术特别是高性能大功率电力电子器件的发展和应用，电网的谐波污染状况及危害程度呈急剧上升趋势。消除电力系统中谐波和提高电能质量成为科技工作者的研究热点。有源电力滤波技术给电力系统稳定性控制、电能质量的提高、无功补偿技术和谐波抑制技术带来了新的革命。

二、有源电力滤波器的基本原理

（一）机理：通过一定的控制算法使有源电力滤波器发出与谐波源所产生的谐波的幅值相等，相位恰好相反的量，抵消谐波源中的谐波成分，使其剩下基波成分，其本质就是一个谐波源。

（二）基本原理：最基本的有源电力滤波器系统构成图如下：

图中us表示交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统大体上由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中指令运算电路的核心部分就是谐波和无功电流检测电路，其主要作用就是检测出需要补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量;补偿电流发生电路由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分组成。其作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流，主电路

多为桥式PWM变流器。

系统结构简单概括如下：

二、补偿电流的产生

补偿电流的产生采用基于PWM的电压源逆变器（VSI），其电流控制方法有以下几种。

（一）三角载波线性控制

这是一种最简单的线性控制方法。它以指令电流与实际补偿电流之间的差值作为调制信号，与高频三角载波比较，从而得到逆变器开关器件所需要的控制信号。优点是动态响应好，开关频率固定，电路简单。缺点是开关损耗大，且输出波形中含有载波频率及其谐波频率的高频畸变分量。

（二）滞环比较控制

它是将指令电流值与逆变器实际电流输出值之差输入到具体滞环特性的比较器，通过比较器的输出来控制开关的开合， 从达到逆变器输出值实时跟踪指令电流值。 它具有开关损耗小，动态响应快等特点。 缺点是系统的开关频率、 响应速度及电流的跟踪精度会受滞环带宽影响。

（三）无差拍控制

这是一种全数字化的控制技术， 利用前一时刻的指令电流和实际补偿电流值，根据空间矢量理论计算出逆变器下一时刻应满足的开关模式。优点是动态响应快，易于计算机执行。缺点是计算量大，且对系统参数依赖性大。

以上控制方法中，三角载波线性控制法和滞环比较控制法是目前有源电力滤波器普遍采用的方法，可以通过多重化技术、 适应滞环等改进措施来克服固有的缺陷，提高使用效率。无差拍控制法随着数字信号处理器（DSP）运算速度的不断提高，也将在有源电力滤波器中得到广泛的应用。

三、有源电力滤波器的关键技术

有源电力滤波器存在许多待解决的问题为：谐波理论的进一步研究;进一步降低补偿装置的容量（减小制造成本和损耗）;控制系统的简化和数字化（提高装置的可靠性）;电力系统谐波的精密检测与控制技术。

指令电流的检测和补偿电流的产生是有源电力滤波器的两个关键技术：电流的检测是能检测出基波有功电流、基波无功电流、基波负序电流、谐波电流以及任意次谐波电流等。谐波电流的检测有以下几种方法：

（1）模拟滤波器：

（2）基于Fryze传统功率定义的谐波电流检测法;

（3）基于快速傅立叶变换（FFT）的谐波电流检测方法;

（4）基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测法;

（5）基于FBD法的谐波电流检测法;

（6）自适应谐波电流检测法;

（7）基于人工神经网络的自适应谐波电流检测方法。

APF控制系统的主要任务是根据电流检测电路得到的指令电流信号，合理地控制逆变器开关器件的动作，使实际输出补偿电流能够实时跟随指令电流。显然，当APF主电路结构和电流检测方法均已确定后，控制系统成为APF性能和效率的关键环节。APF控制系统主要包括两个方面：

（1）APF出补偿电流的控制;

（2）APF直流母线电压的控制。

补偿电流的产生通常采用基于PWM的电压源逆变器，其电流控制方法主要有以下几种;

（1）滞环电流控制;

（2）三角波调制控制;

（3）空间矢量调制控制;

（4）无差拍控制;

（5）滑模变结构控制;

（6）单周控制;

（一）电流控制关键技术

APF的主要功能是通过补偿来消除谐波电流，其工作时的“身份”属于受控电流源，其补偿性能主要是由补偿电流决定的，因此APF对电流的控制应该做到以下几点：首先要能够做到对电流的理想跟踪，即在工作频带内不会出现幅值与相角误差;其次是要具备较好的动态性能;第三是开关频率应该恒定，有效保护功率开关器件;第四是能够对直流母线电压进行高效利用。

电流控制技术是APF应用于配电网中的关键技术，为了增强实用性，这里使用三角波比较法来对电流进行跟踪控制，与其他控制方式不同的是，其不是将指令信号和三角波直接作出比较，而是将信号偏差（补偿电流信号和指令信號之间的偏差）放大后与三角波作出比较，这里所使用的放大器一般都是比例放大器。三角波比较法可以固定系统中器件的开关频率，使其和三角载波的频率相等，为了改善其跟随速度慢、开关损耗及电流误差大等问题，可以在原有指令电压中添加一个量，该量与电源电压瞬时值成正比，输出电压的准确性就会大大提升，这样输出电流的准确性也会大大提升，几乎是完全跟着指令电流的变化而变化的，这种方法将瞬时无功功率理论作为基础，实现了谐波电流及无功电流的实时监测和实时补偿。

（二）电压控制关键技术

有源电力滤波器工作过程中直流侧电电容电压会因损耗降低或能量交换而波动，从而影响其补偿效果，必须采取措施使直流侧电容电压维持恒定。PI控制方法结构简单、稳定性好、技术成熟，直流側电容电压的PI控制原理。直流侧电容电压的参考值Udc与实际电压Udc的误差ΔU作为控制器的输入信号，经PI控制器调节后得到调节信号Δip;将调节信号Δip与三相负载瞬时有功电流的直流分量ip相叠加，经坐标变换得到的补偿电流指令值ic中将包含一定的基波有功电流。通过调节Δip即可调节交流侧电源对直流侧电容的充放电，从而达到调节直流侧电压的目的。

当系统启动时，直流母线电压一开始为零，与给定值相差很大，经PI调节后得到调节信号Δip就会很大。而有源电力滤波器的交流电感很小，如果不采取措施，就会有很大的冲击电流，有可能烧坏IGBT和直流母线电容，因此必须对系统进行软启动。在APF主电路进行谐波无功补偿之前，将主电路交流侧的接触器断开，使直流侧电容首先通过主电路开关器件的反并联二极管经限流电阻进行预充电;直到电流侧电压充电至三相线电压峰值左右时再合上交流侧接触器，将限流电阻短路，直接对电容充电。另外，为了限制直流侧电压的超调量，稳定电容实际电压值和参考值之间的偏差，对直流侧电压的PI控制进行误差限幅。当直流侧电压的参考值与实际值的误差ΔU小于限定值时，不干预PI控制器的正常工作，将实际电压误差作为其输入;而当电压误差ΔU大于限定值时，将限定值作为PI控制器的输入。

电压波动原因主要有以下三种：其一是如果APF支路电流中出现谐波电流，且次数与交流电源谐波电流相同，APF就会出现以下两种反应：一种是从配电网中吸收有功功率，此时直流侧电压就会升高，另一种是从配电网中释放有功功率，此时直流侧电压就会降低;其二是逆变电路的开关会发生损耗，直流侧电压因此降低;其三是APF与配电网之间发生无功功率交换，直流侧电压也会出现相应的波动。直流电压的稳定控制主要通过对主电路进行控制来实现，这种控制主要依靠两个电路，一个是指令电流运算电路，另一个是补偿电流发生电路，系统会给出一个直流电压的参考值，系统还会输出一个反馈值，参考值与反馈值的差值会在PI调节器的调节下形成调节信号，该信号会被输送到补偿电流发生器中作为基本运算数据，形成补偿电流，该电流被注入到电网中，这样，APF中就会有基波有功电流，直流侧与交流侧就实现了能量交换。

四、结束语

有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功功率的新型电力电子装置，能对大小和频率都变化的谐波及无功功率进行补偿。本文简述了APF的工作原理，介绍了控制电压的关键技术，旨在进一步增强APF的实用性。

参考文献

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[2] 肖国春，刘进军，杨君，王兆安;高压直流输电用直流有源电力滤波器的研究[J];电工技术学报;2001年01期

基金项目：湖南省教育厅科学研究项目基金资助项目资助（项目编号：16C0005）