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浅谈有源滤波器控制技术目 录摘要：3一、无源和有源滤波技术3二、有源滤波器（APF）的工作特性4（一）并联APF：4（二）串联APF：4（三）混合有源/无源滤波器：4三、APF的控制4（一）APF补偿电流的检测4（二）补偿电流的产生方法5四、APF的应用及其发展趋势6参 考 文 献6摘要：本文介绍了有源滤波器的工作特性和基本类型，对电力有源滤波器的控制技术进行了分析与总结，提出了适合我国的有源滤波器电路结构。近年来，配电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路以及各种电力电子设备不断增加。这些负荷的非线性、冲击性和不平衡的用电特性，对供电质量造成严重污染。另一方面，现代工业、商业及居民用户的用电设备对电能质量更加敏感，对供电质量提出了更高的要求。仅依靠过去无源滤波技术治理谐波已不能满足要求，研究和开发适应这一要求的新技术已成为近年来电力系统研究领域中的新热点。对此，国外提出了“用户电力技术 ”(Custom Power)的新概念，即利用电力电子控制器来提高配电网供电可靠性及电能质量。由于谐波是影响电能质量的最主要因素，因此有源滤波利用电力电子控制器来抑制谐波也是Custom Power技术实施的主要手段之一，利用有源滤波这一新技术对配电网进行综合电能质量补偿必将会带来显著的经济效益。本文首先对无源滤波技术和有源滤波技术的优缺点进行比较，接着对有源滤波技术的原理、应用及其发展趋势做了详细介绍。关键词：有源滤波器,谐波,电流检测,PWM一、无源和有源滤波技术采用电力滤波装置就近吸收谐波源所产生的谐波电流，是抑制谐波污染的有效措施。通常采用由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的无源滤波装置进行滤波。由于无源滤波具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，因此无源滤波是目前广泛采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。由于无源滤波器是通过在系统中为谐波提供一并联低阻通路，以起到滤波作用，其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定的，因而存在以下缺点：1）滤波特性受系统参数的影响较大；2）只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用；3）滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调；4）谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可能造成滤波器过载；5）有效材料消耗多，体积大。由于无源滤波具有以上缺点，随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。早在70年代初期，日本学者就提出了有源滤波器（active power filter，缩写为APF）的概念，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。1976年美国西屋电气公司的L.Gyugi提出利用大功率晶体管组成的PWM逆变器构成的APF消除电网谐波。由于受到当时功率半导体器件水平的限制，APF的研制一直处在试验研究阶段。进入80年代以后，随着电力电子技术的飞速发展，大功率可关断器件（GTR，GTO，IGBT等）的不断进步，以及对非正弦条件下无功功率补偿理论的深入研究，特别是瞬时无功理论的提出，为APF的实用化提供了必要的条件，使之在工业上得到了广泛的应用。与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，其具体特点如下：1、不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理；2、滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；3、具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。尽管APF有着无源滤波器所不具备的巨大技术优势，但目前要想在电力系统中完全取代无源滤波器还不太现实。这是因为与无源滤波器相比较，APF的成本较高，这一点是限制APF推广使用的关键。随着电力电子工业的发展，器件的性价比将不断提高，APF必然会得到广泛应用。二、有源滤波器（APF）的工作特性有源滤波器主电路有两种基本形式：电压型和电流型，它们的主要区别在于前者的直流侧采用电容而后者采用电感作为储能元件。其中电压型主电路运行效率较高，在实际应用中较多。两种主电路的工作原理和控制方法基本相同。（一）并联APF：最常见的APF为并联APF系统结构。APF通过检测负载电流，产生与负载谐波电流大小相等、相位相反的谐波电流注入电网，从而抵消负载谐波电流，使电源侧电流接近正弦波。因此，并联型APF可以看成是一个谐波电流发生器，相当于一个受控电流源与负荷并联。由于滤波器是和负载并联的，所以流过它们的电流只是谐波电流和基波无功电流部分。（二）串联APF：串联APF通过一个耦合变压器连接到电网中，通过检测电源电压，产生与电源谐波电压大小相等、相位相反的谐波电压，从而使负载端电压接近正弦波。串联型APF相当于受控电压源，以电压源的方式补偿电网中存在的暂态或稳态电压畸变。由于此时作为储能元件电感始终承受了很高的电流，本身消耗很大，所以在一般应用于中小功率的系统。（三）混合有源/无源滤波器：由于受变流器使用的开关器件功率和频率的限制，近年来，在有源功率调节应用提出了很多不同的混合滤波器，这样可以综合两者的优势，又弥补了双方的不足，在实际中得到了越来越广泛的应用。其中的常用三种混合结构是：1）、串联有源滤波器和并联无源滤波器的结合；2）、并联有源滤波器和并联无源滤波器的结合；3）、并联有源滤波器串联一个无源滤波器的结合。这些混合滤波器不仅可以用于谐波补偿，而且可以用于电压调节、失调补偿等。近年来，混合型有源滤波器的应用研究成为热点之一。三、APF的控制APF的控制主要由谐波信号的检测和补偿分量的产生两大部分组成。APF通过检测电路检测出电网中电流电压的畸变部分，然后控制变流电路产生相应的补偿电流分量，并注入到电网中，以达到消除谐波的目的。有源滤波器的控制系统的主要任务是获取电力系统所需补偿的畸变电流，通过一定的方式产生适当的开关脉冲模型控制主电路的导通和截止，使主电路输出所期望的电流或电压。当主电路确定之后，其工作性能将取决于控制系统的效果，因此控制系统的设计是有源滤波器设计的核心任务。通过检测负载谐波电流，把希望输出的谐波电流波形作为控制单元指令信号，把实际负载电流波形作为反馈信号，从而形成闭环电流控制系统。通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各开关器件的通断，产生所需的谐波电流。由于实际的输出跟踪指令信号变化，这样可以得到较好的电流跟踪控制，使系统端电流的谐波成分得到有效的抑制。（一）APF补偿电流的检测APF补偿电流的检测不同于电力系统中的谐波测量。它不须分解出各次谐波分量，而只须检测出除基波和有功电流之外的总的高次谐波和无功畸变电流。难点在于准确、实时地检测出电网中瞬态变化的畸变电流，为有源电力滤波器控制系统进行精确补偿提供电流参考，这是决定APF性能的关键。APF中所使用的几种谐波电流检测方法，除了各自存在的难以克服的缺陷外，共同存在的问题是，由于是开环检测系统，故对元件参数和系统的工作状况变化依赖性都比较大，且都易受电网电压畸变的影响。对单相电路的谐波和无功电流的检测还存在实时性较差的缺点。精确、实时地检测出电网中瞬时变化的畸变电流,是提高有源电力滤波器补偿精度的一个关键问题,以下是目前采用的几种检测方法。1、基于Fryze功率定义的检测方法其原理是将负荷电流分解为与电压波形一致的分量,将其余分量作为广义无功电流(包括谐波电流)。它的缺点是：因为Fryze功率定义是建立在平均功率基础上的,所以要求得瞬时有功电流需要进行一个周期的积分,再加其它运算电路,要有几个周期延时。因此,用这种方法求得的“瞬时有功电流”实际是几个周期前的电流值。2、用模拟带带通滤波器捡测的方法用模拟带通滤波器(或陷波器)检测有害电流。由于滤波器中心频率固定,当电网频率波动时,滤波效果会大大下降。此外滤波器的中心频率对元件参数十分敏感,这样要使滤波器得到理想的幅频特性和相频特性是很困难的,并且这种方法也不能同时分离出无功电流和谐波电流。3、基于频域分析的FFT检测法此方法需进行两次FFT变换,约需80ms,瞬时性误差较大,且电压畸变将带来较大的非同步采样误差,特别是对高次谐波的检测精度影响较大。4、基于瞬时无功功率理论的畸变电流瞬时检测方法瞬时无功功率理论的基本思路是:将abc三相系统电压、电流转换成AB0坐标系上的矢量,将电压、电流矢量的点积定义为瞬时有功功率;将电压、电流矢量的叉积定义为瞬时无功功率,然后再将这些功率逆变为三相补偿电流。瞬时无功功率理论突破了传统功率理论在“平均值”基础上的功率定义,使谐波及无功电流的实时检测成为可能。该方法对于三相平衡系统的瞬变电流检测具有较好的实时性,有利于系统的快速控制,可以获得较好的补偿效果。（二）补偿电流的产生方法待添加的隐藏文字内容3电力有源滤波器的主电路一般由PWM逆变器(PulseWidthModulation)组成。PWM控制技术原理是控制功率器件的开通和关断，把直流电压或电流变成一定形状的电压或电流脉冲序列，使电力有源滤波器中的静止变流器产生所需的谐波补偿电压或电流。目前常用的方法有：1、三角波调制。这种方法利用一个三角波和高次谐波比较，从而得到有同时刻逆变器的开关状态。其优点是响应速度较快，但开头频率不固定且较高，噪声较大，造成较大的开关损耗，高频失真较高。2、滞环控制。这种方法是给定一个允许容差带，只要高次谐波的大小超过这个容差带，逆变器开关运用。该方法开关损耗小，动态响应快。针对这种方法开关频率变化较大，容易引起脉电流和开头噪声等缺陷，提出了变滞环带宽改进算法和基于优化电压矢量的定频滞环控制等技术。3、无差拍控制。这种方法是一种预测控制，利用某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该时刻应满足的开关模式。其优点是动态响应快，易于计算机执行。随着数字信号处理单片机(DSP)的不断普及，这是一种很有前途的控制方法。以上的APF控制方法都是基于跟踪非线性负荷谐波进行控制的思想，其测量系统和控制系统都较复杂。近年来，我国学者提出了基于优化特定消谐PWM技术的广义有源滤波器，通过改变逆变器输出波形的频谱分布，使其接近于正弦波，从而达到消谐的目的。从原理上看，广义有源滤波器是一种新型非跟踪型有源滤波器，其控制系统比较简单，是一种构思较新颖的有源滤波器。四、APF的应用及其发展趋势有源滤波器作为改善供电质量的一项关键技术，在日本、美国、德国等工业发达国家已得到了高度重视和日益广泛的应用。目前，世界上APF的主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电气公司、德国西门子公司等。自1981年以来，仅在日本，已有500多台APF投入运行，容量范围由50 kVA到60 MVA。从近年来的研究和应用中可以看出APF具有如下的发展趋势：1、通过采用PWM调制和可提高开关器件等效开关频率的多重化技术，实现对高次谐波的有效补偿。当APF的容量小于2 MVA时，通常采用IGBT及PWM技术进行谐波补偿。当容量大于5 MVA时，通常采用GTO及多重化技术进行谐波补偿。2、当前大功率滤波装置从经济上考虑，可以采用APF与LC无源滤波器并联使用的混合型有源滤波系统，以减小APF的容量，达到降低成本、提高效率的目的。其中LC滤波器用来消除高次谐波，APF用来补偿低次谐波分量。3、从长远角度看，随着大量换流器用于变频调速系统，其价格必然下降；同时，随着半导体器件制造水平的迅速发展，尤其是IGBT的广泛应用，混合型有源滤波系统低成本的优势将逐渐消失，而串并联APF由于其功能强大、性价比高，将是一种很有发展前途的有源滤波装置。4、可通过单节点单装置的装设，达到多节点谐波电压综合治理的APLC的出现，表明电力系统谐波治理正朝着动态、智能、经济效益好的方向发展。与国外广泛应用APF相比，我国的有源滤波技术还处在研究试验阶段，工业应用上只有少数几台样机投入运行，这与我国目前谐波污染日益严重的状况很不适应。随着我国电能质量治理工作的深入开展，利用APF进行谐波治理将会具有巨大的市场应用潜力，有源滤波技术必将得到广泛的应用。参 考 文 献1 电网谐波治理和无功补偿技术及装备作者：罗安编著 出版：中国电力2 有源滤波器设计 作者：李远文等 出版：人民邮电出版社3 电力电子滤波装置技术参数 作者：曲学基等编著 出版：电子工业出版社4 滤波器技术应用 作者：董明晓，梅雪松著 出版：科学出版社