电力有源滤波器技术的探讨

随着大功率开关器件的日益广泛应用，电力系统谐波抑制及无功补偿问题变得日益迫切，电力有源滤波技术是解决上述问题的有效手段。本文简要介绍电力有源滤波技术的原理、分类和控制策略，并对电子有源滤波技术的国内外发展状况和应用中应考虑的一些问题作一些简要介绍。

1　引言

电力电子技术是未来科学技术发展的重要支柱，有人预言：电力电子技术连同运动控制将和计算机技术一起成为21世纪最重要的两大技术。然而，电力电子技术带来方便、高效的巨大利益的同时，它的非线性、冲击性和不平衡用电特性，也给公用电网的供电质量造成严重污染，对公用电网注入大量的谐波和无功功率。另一方面，随着以计算机为代表的大量敏感设备的普及应用，人们对公用电网的供电质量要求越来越高，对电网中的谐波含量及用电设备的功率因数提出了更严格的要求。

传统的谐波抑制和无功补偿方法是无源滤波技术，即使用由电力电容器等无源器件构成无源滤波器，该无源滤波器与需补偿的非线性负载并联，为谐波提供一个低阻通路的同时也提供负载所需要的无功功率。虽然无源滤波器具有简单、方便的优点，但它也存在如下缺点： ①只能抑制固定的几次谐波，并对某次谐波在一定条件下会产生谐振而使谐波放大；②只能补偿固定的无功功率，对变化的无功负载不能进行精确补偿；③其滤波特性受系统参数影响较大，并且其滤波特性有时很难与调压要求相协调；④重量与体积较大等等。

针对无源滤波技术的上述缺点，1976年，L·Gyugi提出用PWM逆变器构成“电力有源滤波器”(active power filter,简称APF)。80年代以后，由于电力电子器件及其控制技术的发展，APF技术的发展逐步走向成熟，在国外已得到广泛应用。与无源滤波器相比，APF具有高度可控制和快速响应特性，并且能跟踪补偿各次谐波、自动产生所需变化的无功功率，其特性不受系统影响，无谐波放大危险，相对体积重量较小等突出优点，因而已成为电力谐波抑制和无功补偿的重要手段。APF的推广应用也必将给我国电力工业带来巨大的经济效益和社会效益。

本文首先简要介绍电力有源滤波技术的基本原理和分类：然后着 重介绍APF中已提出的几种主要控制策略；最后，对APF技术的国内外发展状况及应用时应考虑的一些问题作简单介绍，以便引起大家对APF推广应用的兴趣。

2　电力有源滤波器的基本原理

图1所示为最基本的电力有源滤波器系统构成的原理图。图中，Us表示交流电源，负载为非线性负载，它产生谐波并消耗无功功率。

电力有源滤波器系统主要由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路(由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分构成)。

指令电流运算电路的功能主要是从负载电流i L 中分离出谐波电流分量i Lh和基波无功电流i Lg，然后将其反极性作用后发生补偿电流的指令信号i c=(i Lh＋i Lq)。电流跟踪控制电路的功能是根据主电路产生的补偿电流 i c o应跟踪i c的原则，计算出主电路各开关器件的触发脉冲，此脉冲经驱动电路后作用于主电路，产生补偿电流i c o， 由于i c≈i c o, 所以

i S=i L＋i c=i L＋i c o=i L－（i Lh＋i Lq）=i Lp

即电源电流i S中只含有基波的有功分量i Lp，从而达到消除谐波与进行无功补偿的目的。根据同样的原理，电力有源滤波器还能对不对称三相电路的负序电流分量进行补偿。

电力有源滤波器的主电路一般由PWM逆变器构成。根据逆变器直流侧储能元件的不同，可分为电压型APF(储能元件为电容)和电流型APF(储能元件为电感)。电压型APF在工作时需对直流侧电容电压控制，使直流侧电压维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电压波。而电流型APF在工作时需对直流侧电感电流进行控制，使直流侧电流维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电流波。电压型APF的优点是损耗较少，效率高，是目前国内外绝大多数APF采用的主电路结构。电流型APF由于电流侧电感上始终有电流流过，该电流在电感内阻上将产生较大损耗，所以目前较少采用。但是电流型APF由于开关器件不会发生直通短路现象，随着超导储能磁体研究的进展，也将促进多功能电流型APF投入实用。

从上述原理可以看出，电力有源滤波器是运用瞬时滤波形成技术，对包含谐波和无功分量的非正弦波进行“矫正”，这与基于稳态频谱的“滤波”概念已有很大的不同，而类似于自适应滤波技术中的“干扰抵消器”。因此，电力有源滤波器有很快的响应速度，对变化的谐波和无功功率都能实施动态补偿，并且其补偿特性受电网阻抗参数影响较小。

3　电力有源滤波器的分类

(1) 按电路拓朴结构分类，电力有源滤波器可分为并联型、串联型、串－并联型和混合型。

图1所示为并联型APF的基本结构。它主要适用于电流源型非线性负载的谐波电流抵消、无功补偿以及平衡三相系统中的不平衡电流等。目前并联型APF在技术上已较成熟，它也是当前应用最为广泛的一种APF拓朴结构。

图2所示为串联型APF的基本结构。它通过一个匹配变压器将APF串联于电源和负载之间，以消除电压谐波，平衡或调整负载的端电压。与并联型APF相比，串联型APF损耗较大，且各种保护电路也较复杂，因此，很少研究单独使用的串联型APF，而大多数将它作为混合型APF的一部分予以研究。

图3所示为混合型APF的基本结构。它是在串联型APF的基础上使用一些大容量的无源L-C滤波网络来承担消除低次谐波，进行无功补偿的任务。而串联型APF只承担消除高次谐振及阻尼无源LC网络与线路阻抗产生的谐波谐振的任务。从而使串联型APF的电流、电压额定值大大减少(功率容量可减少到负载容量的5％以下)，降低了APF的成本和体积。从经济角度而言，这种结构形式在目前是一种值得推荐的方案。但随着电力电子器件性能的不断提高，成本不断下降，混合型APF可能被下面一种性能价格比更高的APF代替。

图4所示为串－并联型APF的基本结构。它组合了串联APF和并联APF的优点，能解决电气系统发生的大多数电能质量问题，所以又称之为万能APF或统一电能质量调节器(UPQC)，该类APF的主要问题是控制复杂、造价较高。

(2) 按电源类型分类，APF可分为单相APF、三相三线制APF、三相四线制APF及有源线路调节器(APLC)等。

三相四线制APF主要是为了补偿电源中线上的电流谐波、无功功率及三相之间的不平衡问题。当功率额定值较小时，其主电路可直接采用三相逆变器，而将直流侧电容中点联接到电源中点上。当负载功率较大时可用四桥臂的逆变器，将第四桥臂单独用于补偿中线；为了实现三相独立调节，还可使用更复杂的三个单相桥式逆变器进行分别补偿。 有源线路调节器是向电网中的某个(或几个)优选节点注入消谐波补偿电流，以达到在一定范围内电网的电能质量综合治理。目前更高层次的电力有源滤波技术在国外尚处于研究阶段。

4　电力有源滤波器的控制

如上所述，电力有源滤波器的控制主要是指令电流的运算和补偿电流的产生。

(1) 指令电流的运算

指令电流i C的运算方法主要有以下几种：

① 基于频域运算的方法：这是最早应用于指令电流运算的一类方法。其基本思想是用频域滤波的方法(使用带通滤波器)，首先分离负载电流中的基波分量和谐波分量，然后再使用电路理论中的计算方法将基波电流分解为基波有功分量和基波无功分量。由于需要采用锐截止的高阶带通滤波器，所以附加相移较大。另外，其滤波器特性对电网频率波动和电路元件参数也较敏感。所以该方法已较少采用，而转向以快速付里叶变换为基础的全数字频域滤波方法，并且能自动跟踪电网频率的波动而自适应提取基波分量。但该方法仍存在较大时延、实时性较差、补偿效果不好等问题。

② 瞬时空间矢量法：基于无功功率理论的瞬间矢量法是目前三相电力有源滤波器中应用最广的一种指令电流运算方法。最早是由日本学者H·Akagi于1984年提出，仅适用于对称三相电路，后经不断改进，现已包括p－q法、ip－iq法以及d－q法等。p－q法最早应用，仅适用于对称三相且无畸变的电网；ip－iq法不仅对电源电压畸变有效，而且也适用于不对称三相电网；基于同步旋转park变换的d－q法不仅简化了对称无畸变下的指令电流运算，而且也适用于不对称、有畸变的电网。

③ 基于现代控制理论的方法：最早应用的有基于P－I控制器的方法，因P－I控制器的特性不能适应负载及电网的变化，后来又提出了基于滑模控制及模糊控制等现代控制方法。它们都是直接根据逆变器直流侧的电压(电压型APF)或电流(电流型APF)，求出所需的电网电流的基波有功分量幅值，从而求出所需补偿电流的指令值i c 。这种方法适用于单相和三相APF，也适用于电网电压畸变的情况。

④ 自适应检测法：该方法基于自适应滤波中的自适应干扰抵消原理，从负载电流中消去基波有功分量，从而得到所需的补偿电流指令值。该方法的突出优点是对电网电压畸变、频率偏移及电网参数变化有较好的自适应调整能力， 但目前其动态响应速度还较慢。后来又提出了用神经网络实现的自适应检测法。

(2) 补偿电流的产生

对于采用PWM电压源逆变器的电力有源滤波器，其补偿电流的产生方法目前主要有以下三种：

① 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i c 与实际补偿电流 i c o 之间的差值作为调整信号，与高频三角载波相比较，从而得到逆变器开关器件所需的控制信号。其优点是动态响应好，开关频率固定，电路简单。其缺点是开关损耗较大，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。

② 滞环比较控制。该方法将指令电流与实际补偿电流的差值输入到具有滞环特性的比较器中，然后用比较器的输出来控制逆变器的开关器件。与三角载波控制方式相比，该方法开关损耗小，动态响应快。但是，该方法使开关频率变化较大，容易引起脉冲电流和开关噪声。后来，为限定开关频率的最大值而提出了变滞环带宽改进算法，这必将影响响应速度和补偿电流跟踪精度。

③ 无差拍控制。该方法是一种全数字化的控制技术。它利用前一时刻的指令电流值和实际补偿电流值，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。其优点是动态响应很快，易于计算机执行。但缺点是计算量大，且对系统参数依赖性较大。后来，又有一些简化其计算的改进方法出现，随着数字信号处理单机片(DSP)应用的不断普及，这是一种很有前途的控制方法。 上述控制策略，只是迄今为止笔者所见到的几种主要的方法。有关APF的控制策略正随着DSP技术和智能控制理论的发展不断涌现。随着控制策略的改进，APF的特性也将不断提高，而相应的价格也必将下降。

5　电力有源滤波器的应用

电力有源滤波器作为改善供电质量的一项关键技术，在国外已日趋成熟。仅在日本就有500多台APF投入运行，其容量已达到60MVA。在APF的应用中，一般应考虑以下几个方面的问题：

(1) 元件参数的选择

首先是开关器件的选择，对于容量小于2MVA的APF一般采用IGBT，而容量大于5MVA时可采用GTO及多重化技术；其次，为减小逆变器向电网注入的开关纹波又不降低APF的补偿特性，电压型逆变器的输出电感及无源纹波滤波器应仔细设计；最后，为保证逆变器直流侧电压的稳定，应适当选择直流侧电容值。

(2) 经济的考虑

APF的技术构想早在70年代就已提出，但直到90年代APF技术才进入实际应用，其中一个重要原因就在于APF的实际成本价格太高。因此在选择应用APF时必须考虑其成本价格。就当前技术水平而言，采用小额定值APF结合无源滤波器的混合型电力有源滤波器是一种切实可行的方案。当然随着开关器件和DSP芯片价格的下降，串_并联电力有源滤波器也是很有发展前途的。

电力有源滤波器的研究与应用， 国内远落后于国外，除少数几台APF已投入工业试运行外，其它大部分尚处于研制阶段。 但随着我国对电网谐波污染治理日益重视，“绿色电力电子”的呼声愈来愈高，电力有源滤波器必然会得到广泛地推广应用。■