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1、有源电力滤波器的控制策略综述王建元 张国富东北电力大学摘要:随着电力电子装置的广泛应用,大量的谐波和无功电流注入电网,引起电网 污染,造成电能质量问题日益严重。有源电力滤波器(activ e po wer filter,AP F是补偿 电力系统谐波及无功功率的重要装置,其控制的实时性和准确性是实现有效补偿的 一个关键。介绍了几种适合于有源电力滤波器的谐波电流检测方法和补偿电流控制 策略的基本原理,进行了对比分析,并指出了它们各自的优缺点。控制策略的不断发 展可使有源滤波器获得更好的性能和更广泛的应用。关键词:有源电力滤波器检测方法控制策略Overviews of C ontrol Strate
2、gy of Active Power FilterWang Jiany uan Zhang GuofuAbstract:With the w ide application o f po wer electr onic equipments in pow er system,mor e harmonic and reactive curr ent a re po ured into the pow er sy stem,which cause pow er po llut ion and make t he po wer quality pr oblem increasing ly serio
3、 us.A ctiv e pow er filter(A P Fis an impo rtant equipment to compensate har monic and reactiv e cur rent in pow er system and the key of the effective compensatio n lies in the rea-l time and accur ate co nt rol.T he fundamental pr inciples o f sev eral detect met ho ds of harmo nic curr ent and co
4、 ntr ol st rateg ies o f co mpensate cur rent wer e pr esented,on contrast analysis was car ried,and the respective mer it and demer it o f these contro l strat eg ies w ere pointed out.W ith the continuo us development o f the contro l str ategy,activ e po wer filt er w ill achieve hig her per for
5、mances and w ider application.Keywords:active pow er filter detect met ho d contr ol st rateg y1 引言随着电力电子技术的飞速发展，越来越多的电力电子装置被广泛应用到各个领 域，近年来配电网中整流器、变频调速装置、电弧炉等非线性负荷不断增加,这些负 荷的非线性、冲击性和不平衡的用电特性，使电网中暂态冲击、无功功率、高次谐 波及三相不平衡问题日趋严重,对公用电网的供电质量造成了严重影响,因此,消除电 网中的谐波污染已成为电能质量研究中的一个重要课题。有源电力滤波器（APF是一种消除电网谐波的有效装置，具
6、有高度可控和快速响 应的特性，它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。其 滤波特性不受系统阻抗的影响，同时还具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化的谐 波。作为一种新型电力电子装置,APF工作性能决定于主电路构成元件及其控制系 统，当APF主电路确定后，控制方法成为决定其输出性能和效率的关键。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。如图1所 示,A PF通过检测电路检测出电网中电流/电压的畸变部分，ifpWM3!实时谐波电盧陵电踣妳电电1 J1 1然后采用某种控制方式控制功率电路产生相应的图1 APF原理图补偿电流分量,并注入到电网中,以达到消谐的目的
7、。本文针对几种适合于 APF 的补偿电流检测6方法和控制策略,分别进行对比分析,并指出了它们各自的优缺点。2 补偿电流的检测方法2.1 提取基波分量法该方法是最早被采用的谐波电流检测方法,其原理是使用带通（或带阻滤波器将 基波电流从检测的电流中分离出来,从而得到高次谐波电流作为补偿对象。该方法 虽然简单,但是所采用的高阶滤波器会产生附加相移,造成输出信号畸变,影响补偿效 果。此外,这种方法还存在设计困难、误差大、对电网频率波动和电路元件参数较 敏感等缺点,因而目前已较少采用。有文献介绍利用小波变换技术提取基波分量实 现谐波电流的检测1,其具体效果如何还需要进行深入研究和探讨。2.2 基于 Fr
8、yze 时域分析的有功电流检测法其基本原理是将负载电流分解为两个正交分量:一个是与电网电压波形完全一 致的电流分量,称为有功电流分量;另一个分量为负载电流与有功电流的差值,包含基 波无功和谐波,称为广义无功电流分量。该方法的主要缺点是必须计算负载的有功 功率和电网电压的有效值,这需要对电网电压和负载电流的乘积以及电网电压信号 的平方进行积分运算,再加上其他运算电路所需的计算时间,用该方法计算出广义无 功电流瞬时值至少有一个周期以上的时间延迟,故不适用于频繁变化负载的补偿。 而且,这种方法仅仅区分有功电流和广义无功电流,却无法将基波无功和谐波电流相 分离,因此这种方法只能适用于全补偿的场合,对于
9、需要将基波无功电流和谐波电流 分别补偿的情况,该方法无法应用。2.3频域分析的快速傅立叶变换（FFT检测法该方法是建立在Fo ur ier分析的基础上的，因此要求被补偿的波形是周期变 换的,否则会带来较大误差。通过FFT将检测到的一个周期的谐波信号进行分解，得 各次谐波的幅值和相位系数,将拟抵消的谐波分量通过带通滤波器或傅里叶变换器 得到所需的误差信号，再将该误差信号进行FFT反变换，即可得补偿信号。其优点是 可以选择拟消除的谐波次数,通过附加的计算,该方法还可以通过电网电压基波分量 与负载电流基波分量的相位关系，计算出负载电流的基波有功和基波无功电流;而且 受环境因素影响也较小。但是该方法需
10、要进行FFT变换及其反变换，计算量非常大， 因而有较大的时间延迟。当电网电压波形畸变严重或者频率波动时，将会引起较大 的非同步采样误差，对谐波电流的检测精度影响很大。2.4 基于采样保持原理的谐波电流检测法文献中，J.W.Dix on等人提出了一种应用采样/保持电路来实现谐波、无功电 流和不平衡负载的检测计算的方法。此方案将负载电流经一带通滤波器得到相电流 基波瞬时值，其经过整流输入采样保持电路，采样保持电路与相电压峰值同步，采样保 持电路获得的直流信号正比于电流有功分量幅值。用同样的方法得到另外两相的直 流信号，根据负载的有功功率，对这三相直流信号进行平均，平均后的直流信号与3个 对称的正弦
11、参考波形相乘，可以获得各相对称基波有功电流，然后它们与实际负载电 流相减就得到了所需的补偿电流值。此方法得到的检测电路既可用于谐波抑制、补 偿功率因数，又能平衡系统三相功率。它没有复杂的坐标变换和乘除法数学运算，可 以避免负载电流瞬变引起的电源电压波动和瞬变现象。但对电路元器件精度要求较 高，调整较为困难，且电压波形发生畸变时，无法实现有效补偿。2.5 瞬时空间矢量法基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法是目前APF中应用最广的一种检测 方法，最早是由日本学者H.Akagi于1984年提出的,经过不断改进，现在包括p-q法 、i p-i q法以及d-q法6。其中,p-q法适用于电网电压对称且无畸
12、变情况下谐 波电流的检测;i p-i q法不仅在电网电压畸变时适用，在电网电压不对称时也同样有 效;而基于同步旋转坐标变换的 d-q 法可在电网电压不对称、畸变情况下精确地检 测出谐波电流,其优点是当电网电压对称且无畸变时,各电流分量（基波正序无功分 量、不对称分量及高次谐波分量的检测电路比较简单。2.6 自适应干扰抵消原理的自适应闭环检测法该方法利用信号处理的自适应干扰对消原理,将电压作为参考输入,负载电流作 为原始输入,从负载电流中消去与电压波形相同的有功分量,而得到所有谐波与无功 电流之和。按此原理构成的检测系统是一个闭环连续调节系统,故其运行特性与元 件参数几乎无关,对器件特性的依赖性
13、也不大。当电网电压发生波形畸变以及频率7波动时,检测系统仍能正常工作,具有良好的自适应能力,但动态响应速度较慢。 由于人工神经元网络具有自学习和电流自适应的能力,因此人们将智能控制理论应 用到无功和谐波电流检测上。文献7将人工神经网络理论与信号处理中的自适应 噪声对消技术相结合,提出了一种基于单个神经元的自适应谐波电流检测方法。但 这些方法大多停留在仿真研究,还没有应用到实际系统中。2.7 基于神经网络的检测法该方法是随着神经控制理论在系统中的应用发展起来而形成的一种新型智能控 制手段。人工神经网络以自学功能性强,进化算法和方向传播用于神经网络的训练, 不但避免了对于给定补偿电流的复杂计算,且
14、有广泛的适应性。可用于补偿单相、 三相3线或三相4线制非线性负载的APF系统。具有以下优点：1可以通过模拟电路实现,所以该方法简单而方便;2该方法对负载具有自适应的特点;3 该方法克服了采用电子滤波的时延现象 ;4 该方法可以同时检测谐波、无功、基波负序和零序电流3 补偿电流的控制策略3.1 三角载波线性控制三角载波线性控制（triang le wave-linear control是最简单的一种控制方法，通过 将检测环节得到电流实际值与参考值之间的偏差与高频三角载波相比较,所得到的 矩形脉冲作为逆变器各开关元件的控制信号，从而在逆变器输出端获得所需的波 形。该方法的优点是动态响应好，开关频率
15、固定，实现电路简单，缺点是输出波形中含 有与三角载波相同频率的高频畸变分量，开关损耗较大，在大功率应用中受到限制。3.2 滞环电流控制滞环电流控制8（hysteresis current co ntro l, H CC是目前应用最广泛的一种非 线性闭环电流控制方法，它利用滞环比较器形成一个以给定电流为中心的死区或滞 环,通过反馈电流与给定电流的滞环比较误差来控制逆变器的开关动作。滞环电流控制中电流反馈的存在加快了动态响应速度,增强了抑制环内扰动的 能力,控制精度较高,还可通过防止逆变器过流而保护功率开关器件。传统滞环控制 也有开关频率变化范围大、负载换路时被控制量常常不能得到有效控制等缺点。3
16、.3 无差拍控制无差拍控制（dead-beat co ntro l是一种在滞环电流控制技术基础上发展起来的 全数字化控制技术。该方法利用前一时刻的补偿电流参考值和实际值,计算出下一 时刻的电流参考值及各种开关状态下逆变器电流输出值,选择使电流误差最小的开 关模式作为下一时刻的开关状态,从而达到电流误差等于零的目标。该方法的优点 是能够快速响应电流的突然变化,特别适合快速暂态控制。缺点是计算量大,造成延 迟,而且对系统参数依赖性较大,影响整个系统的稳定性。近年来不断有新的改进方 法出现。3.4 特定消谐法特定消谐（selective harmo nic elimination, SH EPWM因其优越的输出频谱特性 而受到广泛重视。1973 年美国密苏里大学的 H asm ukh S Parel 和 Richard G H of
