有源濾波技術(shù)綜述

閆泊 劉亞濤

摘要：有源濾波器是近幾年興起的電力電子裝置，它能夠有效的抑制諧波，提高供電質(zhì)量。該文首先闡明了有源濾波器的工作原理和連接方式，詳細(xì)分析了有源濾波器常用的控制策略，最后結(jié)合近幾年的研究現(xiàn)狀總結(jié)了有源濾波技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：有源濾波 諧波 控制策略 綜述

0 引言

隨著電力電子裝置應(yīng)用的增多，越來越多的非線性負(fù)載被接入電力系統(tǒng)中，電能質(zhì)量因此也受到了嚴(yán)重污染。同時(shí)，現(xiàn)代精密工業(yè)和商業(yè)用戶的用電設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量的要求也更加嚴(yán)格。因此，需要一種更為有效的方法濾除電力諧波，提高電能質(zhì)量。其中有源濾波器APF是系統(tǒng)中用來抑制諧波的主要措施，它能有效檢測出負(fù)荷電流中的諧波分量，并控制電力電子器件產(chǎn)生與之大小相等方向相反的諧波電流，二者相互抵消達(dá)到濾波的目的。APF的應(yīng)用大大提高了配電網(wǎng)供電可靠性及電能質(zhì)量。

1 有源濾波的工作原理

采用電力濾波裝置是有效濾除諧波的重要措施。濾波方式通常可分為無源濾波和有源濾波。由于無源濾波器的濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)影響大、濾波范圍小、性能單一、占地面積大等，難以滿足某些特定場合對(duì)電能質(zhì)量的要求。因此有源濾波技術(shù)也就成為了目前最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N濾波技術(shù)，因?yàn)殡娏τ性礊V波器能夠滿足某些特定場合對(duì)電能質(zhì)量的要求。APF的工作原理如圖1所示。此外，有源濾波器還可作為無功補(bǔ)償裝置使用，調(diào)節(jié)控制策略，使APF裝置發(fā)出一定量的無功功率，從而向系統(tǒng)中注入無功功率，有效提高功率因數(shù)。

圖1 APF原理圖

有源濾波器具有響應(yīng)速度快、控制靈活占地面積小、施工維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，具體特點(diǎn)如下：①能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?？蓪?shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)中的諧波含量，并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，響應(yīng)速度快。②APF受電網(wǎng)阻抗的影響不大，有效避免和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，同時(shí)還能抑制串并聯(lián)諧振。③APF的綜合利用效率高。同一臺(tái)裝置既可用于補(bǔ)償無功功率，也可用于抑制諧波電流。④不依賴于儲(chǔ)能元件。作為無功補(bǔ)償時(shí)不需要儲(chǔ)能元件，抑制諧波時(shí)所需要的儲(chǔ)能元件不大。

2 有源濾波的連接方式

有源濾波的連接方式有三種，分別是并聯(lián)型APF、串聯(lián)型APF、串-并聯(lián)型APF。并聯(lián)型APF的交流側(cè)通過電抗器與負(fù)載并聯(lián)，相當(dāng)于一個(gè)諧波電流源。檢測的信號(hào)經(jīng)指令運(yùn)算電路計(jì)算得出補(bǔ)償電流的指令值，控制APF向系統(tǒng)中注入與負(fù)載總諧波電流大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，從而實(shí)現(xiàn)濾波。并聯(lián)APF主要適用于感性電流源型負(fù)載的諧波補(bǔ)償，是目前被應(yīng)用的最多的一種連接方式。串聯(lián)型APF通過3個(gè)單相變壓器串聯(lián)在電源與負(fù)載間，相當(dāng)于一個(gè)受控電壓源。其主要用于改善電壓質(zhì)量，消除電壓波形的畸變。目前單獨(dú)使用的串聯(lián)型APF的研究較少，國內(nèi)外的研究多集中在其與LC無源濾波器所構(gòu)成的串聯(lián)混合型APF 上。串-并聯(lián)型APF是一種新型APF，被稱為統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）。作為性能優(yōu)異的FACTS裝置，UPFC不僅可以控制線路的潮流和特性，還能夠快速、獨(dú)立地調(diào)節(jié)有功功率和無功功率。

3 APF的控制策略

APF控制策略的核心部分主要有：指令電流運(yùn)算和電流跟蹤控制兩部分。指令電流運(yùn)算需要實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)載電流中總諧波電流的瞬時(shí)值，依此計(jì)算出所需要的補(bǔ)償電流指令值。電流跟蹤控制的作用是根據(jù)補(bǔ)償電流指令信號(hào)和實(shí)際電流之間的差值，得出控制補(bǔ)償電流發(fā)生電路中的各電力電子器件通斷的PWM信號(hào)?？刂频慕Y(jié)果應(yīng)保證實(shí)際輸出的補(bǔ)償電流能實(shí)時(shí)跟蹤指令電流的變化。指令電流運(yùn)算的方法主要有以下幾種。

①提取基波分量法。該方法的檢測原理是利用模擬高階濾波器從負(fù)載電流中提取基波分量，總電流與基波電流之差即為瞬時(shí)諧波電流。但這種濾波器設(shè)計(jì)困難，且濾波效果受系統(tǒng)頻率和電路元件參數(shù)影響較大，目前很少采用。②基于瞬時(shí)無功功率理論的瞬時(shí)空間矢量法。該方法是目前APF中應(yīng)用最廣的一種檢測方法，包括p-q法、ip-iq法以及d-q法。它是利用系統(tǒng)中基波電流分量產(chǎn)生的瞬時(shí)功率和d、q軸電流均為直流量，而系統(tǒng)中諧波電流分量產(chǎn)生的瞬時(shí)功率和d、q軸電流為交流量，通過帶通濾波器提取出電流中的諧波電流分量。③基于FFT的數(shù)字化分析法。這種方法建立在Fourier分析的基礎(chǔ)上，因此要求被補(bǔ)償?shù)牟ㄐ问侵芷谧兓?，否則會(huì)帶來較大誤差。通過FFT將檢測到的一個(gè)周期的諧波信號(hào)進(jìn)行分解，得各次諧波的幅值和相位系數(shù)，將擬抵消的諧波分量通過帶通濾波器或傅里葉變換器得出所需的誤差信號(hào)，再將該誤差信號(hào)進(jìn)行FFT反變換，即可得補(bǔ)償信號(hào)。其優(yōu)點(diǎn)是可以選擇擬消除的諧波次數(shù)，缺點(diǎn)是具有較長的時(shí)間延遲，實(shí)時(shí)性較差。④自適應(yīng)檢測法。該方法基于自適應(yīng)噪聲對(duì)消原理，把電壓作為原始輸入，經(jīng)自適應(yīng)濾波處理后，得到一個(gè)與負(fù)載電流基波有功分量相等的信號(hào)。負(fù)載電流與自適應(yīng)濾波器輸出值的差值，即為需要補(bǔ)償?shù)闹C波分量和無功分量。該方法的濾波效果良好，幾乎不受系統(tǒng)參數(shù)變化的影響，當(dāng)電壓波形出現(xiàn)畸變或偏差時(shí)仍然具有良好的自適應(yīng)性。目前該方法僅處于理論研究階段，具有很好的發(fā)展前景。

電流跟蹤控制根據(jù)補(bǔ)償電流指令信號(hào)和實(shí)際補(bǔ)償電流之間的差值，得出控制補(bǔ)償電流發(fā)生電路中主電路各開關(guān)器件通斷的PWM信號(hào)，使得補(bǔ)償電流能夠有效跟蹤指令電流的變化。常見的電流跟蹤控制方法主要有：①三角載波比較方式。這是通過閉環(huán)來進(jìn)行控制的一種方法，并不是把指令電流和三角波直接進(jìn)行比較產(chǎn)生PWM波形，而是通過將指令電流和實(shí)際電流進(jìn)行比較，求出偏差電流后經(jīng)過放大再和三角波比較產(chǎn)生PWM波形。這種方法的硬件電路實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，電流響應(yīng)速度慢，跟蹤誤差大，功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率固定。輸出電流所包含的的諧波較少，常用于對(duì)諧波和噪聲要求嚴(yán)格的場合。②滯環(huán)比較控制方式。這是通過閉環(huán)進(jìn)行控制的跟蹤型PWM方式。將指令電流和實(shí)際輸出電流的偏差值作為滯環(huán)比較器的輸入，通過其輸出控制電力電子器件的通斷，從而使換流器的輸出值實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償電流指令值。滯環(huán)比較方式的硬件電路實(shí)現(xiàn)簡單，電流響應(yīng)速度快，是一種實(shí)時(shí)控制方式。和三角載波相比，輸出電壓波形中不含有額定天頻率的諧波分量，但輸出電流中的高次諧波含量較多。若滯環(huán)寬度固定，則電流跟蹤的絕對(duì)誤差是固定的，電流小時(shí)相對(duì)誤差較大，電流大時(shí)，器件的開關(guān)頻率變高。為了減小跟蹤誤差，目前有文獻(xiàn)提出一種新的滯環(huán)比較方式——根據(jù)電流大小改變滯環(huán)寬度的變環(huán)寬控制。③定周期瞬時(shí)值比較方式。該方法不用滯環(huán)比較器，而是設(shè)置一個(gè)固定的時(shí)鐘，以固定的采樣周期對(duì)指令信號(hào)和被控制變量進(jìn)行采樣，并根據(jù)二者之間偏差的極性來控制變流電路開關(guān)器件的通斷，使被控制量跟蹤指令信號(hào)。這種方法硬件電路實(shí)現(xiàn)簡單，采用定時(shí)控制方式，電流響應(yīng)稍慢，器件開關(guān)的頻率是變化的，但最高開關(guān)頻率受到限制。

4 有源濾波技術(shù)的發(fā)展趨勢

有源濾波技術(shù)作為濾除諧波、提高電能質(zhì)量的重要手段，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。結(jié)合近幾年的研究和應(yīng)用，可以總結(jié)出APF的發(fā)展趨勢。

①通過采用PWM調(diào)制和可提高開關(guān)器件等效開關(guān)頻率的多重化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高次諧波的有效補(bǔ)償。②考慮經(jīng)濟(jì)成本和效率，APF和無源濾波混合使用的濾波系統(tǒng)將會(huì)廣泛應(yīng)用于中小系統(tǒng)中。③隨著半導(dǎo)體器件制造水平的提高和大容量換流器的應(yīng)用，功能多元化的APF將會(huì)得到大力發(fā)展。UPFC由于能夠靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)，綜合改善電能質(zhì)量，將會(huì)有很大的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡銘，陳珩.有源濾波技術(shù)及其應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2000（10）：66-70.

[2]李戰(zhàn)鷹，任震等.有源濾波裝置及其應(yīng)用研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，28（22）：40-43.

[3]肖鐵，潘曉杰.基于有源濾波的動(dòng)態(tài)諧波抑制的研究[J].華東電力，2004，16（4）：14-21.

[4]劉春花.有源濾波對(duì)電能質(zhì)量的改善[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008（12）：11-12.

[5]程燕，劉滌塵.基于MATLAB 的有源濾波系統(tǒng)電流補(bǔ)償?shù)难芯縖J].電力建設(shè)，2002，23（6）：45-47，67.

[6]肖文英，張忠賢.電力有源濾波技術(shù)及發(fā)展[J].中國科技信息，2006（8）：88-89，113.

[7]同向前.電壓源換流器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

作者簡介：閆泊（1987-），女，陜西西安人，碩士，助教，西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向：電力系統(tǒng)的運(yùn)行與控制。