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，其可以對諧波電流進行動態(tài)補償，該種裝置在配電網(wǎng)中的應(yīng)用具有明顯的針對性，主要是對一些諧波較大的負載進行集中補償，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。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。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、無功補償技術(shù)和諧波抑制技術(shù)帶來了新的革命。

二、有源電力濾波器的基本原理

（一）機理：通過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，負載為諧波源，它產(chǎn)生諧波并消耗無功。有源電力濾波器系統(tǒng)大體上由兩大部分組成，即指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路。其中指令運算電路的核心部分就是諧波和無功電流檢測電路，其主要作用就是檢測出需要補償對象電流中的諧波和無功等電流分量;補償電流發(fā)生電路由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和主電路三部分組成。其作用是根據(jù)指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號，產(chǎn)生實際的補償電流，主電路

多為橋式PWM變流器。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單概括如下：

二、補償電流的產(chǎn)生

補償電流的產(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

這是一種最簡單的線性控制方法。它以指令電流與實際補償電流之間的差值作為調(diào)制信號，與高頻三角載波比較，從而得到逆變器開關(guān)器件所需要的控制信號。優(yōu)點是動態(tài)響應(yīng)好，開關(guān)頻率固定，電路簡單。缺點是開關(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際電流輸出值之差輸入到具體滯環(huán)特性的比較器，通過比較器的輸出來控制開關(guān)的開合， 從達到逆變器輸出值實時跟蹤指令電流值。 它具有開關(guān)損耗小，動態(tài)響應(yīng)快等特點。 缺點是系統(tǒng)的開關(guān)頻率、 響應(yīng)速度及電流的跟蹤精度會受滯環(huán)帶寬影響。

（三）無差拍控制

這是一種全數(shù)字化的控制技術(shù)， 利用前一時刻的指令電流和實際補償電流值，根據(jù)空間矢量理論計算出逆變器下一時刻應(yīng)滿足的開關(guān)模式。優(yōu)點是動態(tài)響應(yīng)快，易于計算機執(zhí)行。缺點是計算量大，且對系統(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，可以通過多重化技術(shù)、 適應(yīng)滯環(huán)等改進措施來克服固有的缺陷，提高使用效率。無差拍控制法隨著數(shù)字信號處理器（DSP）運算速度的不斷提高，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題為：諧波理論的進一步研究;進一步降低補償裝置的容量（減小制造成本和損耗）;控制系統(tǒng)的簡化和數(shù)字化（提高裝置的可靠性）;電力系統(tǒng)諧波的精密檢測與控制技術(shù)。

指令電流的檢測和補償電流的產(chǎn)生是有源電力濾波器的兩個關(guān)鍵技術(shù)：電流的檢測是能檢測出基波有功電流、基波無功電流、基波負序電流、諧波電流以及任意次諧波電流等。諧波電流的檢測有以下幾種方法：

（1）模擬濾波器：

（2）基于Fryze傳統(tǒng)功率定義的諧波電流檢測法;

（3）基于快速傅立葉變換（FFT）的諧波電流檢測方法;

（4）基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測法;

（5）基于FBD法的諧波電流檢測法;

（6）自適應(yīng)諧波電流檢測法;

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

APF控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)電流檢測電路得到的指令電流信號，合理地控制逆變器開關(guān)器件的動作，使實際輸出補償電流能夠?qū)崟r跟隨指令電流。顯然，當(dāng)APF主電路結(jié)構(gòu)和電流檢測方法均已確定后，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)主要包括兩個方面：

（1）APF出補償電流的控制;

（2）APF直流母線電壓的控制。

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

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)，為了增強實用性，這里使用三角波比較法來對電流進行跟蹤控制，與其他控制方式不同的是，其不是將指令信號和三角波直接作出比較，而是將信號偏差（補償電流信號和指令信號之間的偏差）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、開關(guān)損耗及電流誤差大等問題，可以在原有指令電壓中添加一個量，該量與電源電壓瞬時值成正比，輸出電壓的準(zhǔn)確性就會大大提升，這樣輸出電流的準(zhǔn)確性也會大大提升，幾乎是完全跟著指令電流的變化而變化的，這種方法將瞬時無功功率理論作為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了諧波電流及無功電流的實時監(jiān)測和實時補償。

（二）電壓控制關(guān)鍵技術(shù)

有源電力濾波器工作過程中直流側(cè)電電容電壓會因損耗降低或能量交換而波動，從而影響其補償效果，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與實際電壓Udc的誤差ΔU作為控制器的輸入信號，經(jīng)PI控制器調(diào)節(jié)后得到調(diào)節(jié)信號Δip;將調(diào)節(jié)信號Δip與三相負載瞬時有功電流的直流分量ip相疊加，經(jīng)坐標(biāo)變換得到的補償電流指令值ic中將包含一定的基波有功電流。通過調(diào)節(jié)Δip即可調(diào)節(jié)交流側(cè)電源對直流側(cè)電容的充放電，從而達到調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓的目的。

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

電壓波動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，此時直流側(cè)電壓就會升高，另一種是從配電網(wǎng)中釋放有功功率，此時直流側(cè)電壓就會降低;其二是逆變電路的開關(guān)會發(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)生無功功率交換，直流側(cè)電壓也會出現(xiàn)相應(yīng)的波動。直流電壓的穩(wěn)定控制主要通過對主電路進行控制來實現(xiàn)，這種控制主要依靠兩個電路，一個是指令電流運算電路，另一個是補償電流發(fā)生電路，系統(tǒng)會給出一個直流電壓的參考值，系統(tǒng)還會輸出一個反饋值，參考值與反饋值的差值會在PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)下形成調(diào)節(jié)信號，該信號會被輸送到補償電流發(fā)生器中作為基本運算數(shù)據(jù)，形成補償電流，該電流被注入到電網(wǎng)中，這樣，APF中就會有基波有功電流，直流側(cè)與交流側(cè)就實現(xiàn)了能量交換。

四、結(jié)束語

有源電力濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功功率的新型電力電子裝置，能對大小和頻率都變化的諧波及無功功率進行補償。本文簡述了APF的工作原理，介紹了控制電壓的關(guān)鍵技術(shù)，旨在進一步增強APF的實用性。

參考文獻

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