电力有源滤波器

1、电力有源滤波器（APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，之所以称为有源，顾名思义该装置需要提供电源，其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点（传统的只能固定补偿），实现了动态跟踪补偿，而且可以只补谐波不补无功；三相电路瞬时无功功率理论是APF发展的主要基础理论；APF有并联型和串联型两种，前者用的多；该装置的主要缺点是复杂、成本高，限制了它的使用。电力有源滤波器-基本原理 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

2、)。指令电流运算电路的功能主要是从负载电流iL中分离出谐波电流分量iLh和基波无功电流iLg，然后将其反极性作用后发生补偿电流的指令信号ic=(iLhiLq)。电流跟踪控制电路的功能是根据主电路产生的补偿电流ico应跟踪ic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ico，由于icico,所以iS=iLic=iLico=iL（iLhiLq）=iLp即电源电流iS中只含有基波的有功分量iLp，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

3、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。

4、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。电力有源滤波器-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。(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

5、。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。电力有源滤波器-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iC的运算方法主要有以下几种：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

6、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。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

7、适用于对称三相电路，后经不断改进，现已包括pq法、ipiq法以及dq法等。pq法最早应用，仅适用于对称三相且无畸变的电网；ipiq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dq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。基于现代控制理论的方法：最早应用的有基于PI控制器的方法，因PI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ic。这种方法适用于

8、单相和三相APF，也适用于电网电压畸变的情况。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：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ic与实际补偿电流ico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

9、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。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。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

10、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。电力有源滤波器-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