有源电力滤波综述

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1、摘要电力网络中逆变器和非线性负荷比重的日益增加，使得谐波成为电能质量下降的主要污染源。无源电力滤波器已经不能应对电网中谐波补偿要求的提高继而有源电力滤波器，成为公共电网中谐波补偿的研究重点和重要的技术手段 本文从横向介绍了有源电力滤波器的基本工作原理、目前常用的设计方案，有 源滤波器的分类，及在电力网路中的应用等。一、引言随着我国社会经济的快速发展，用电需求不断提升，电能在在工业生产与 日常生活中扮演的角色越来越重要。如何控制电能质量，改善用电环境，正成 为电力行业和电力用户所关注的焦点。“谐波治理”是改善电能质量的重要方面。 而由于传统无源滤波器的技术局限，以及有源滤波器技术的不断进步，有源

2、电 力滤波器在谐波治理中的作用日益显著。本文为一篇综述性文章，主要介绍了 有源电力滤波器的应用背景、工作原理、分类及应用等。二、有源电力滤波器的应用背景理想共用电网提供的电压应该是以固定频率和幅值的正弦波。而在实际电 网中，由于发电、传输及负载的非线性因素导致了谐波电流和谐波电压的出现 谐波对电网的正常运行造成危害，影响用电设备的正常工作，增大了共用电网 的电能损耗，是共用电网的主要污染源。我国共用电网谐波标准电能质量共用电网谐波及国际电工委员会控制 谐波的共同原则为：限制谐波源诸如电网的谐波电流及其在电网接入点的谐波 电压，把电网中的谐波电压控制在允许的范围内，从而保证电网的电能质量。抑制非

3、线性负载对电网的谐波污染，一般有两个思路：1、从产生谐波的电力装置入手，减少谐波。但是该方法对新增设备比较有效，对电力网络中已有 的设备改造难度较大；2、被动补偿谐波，通过滤波或补偿的方式减少谐波影响。目前谐波补偿的方案主要有两种：无源滤波器技术和有源滤波器技术。无 源电力滤波器(PF： Passive Filiter)由电容器、电抗器和电阻其适当组合而成 的谐振电路，有时也被称为 LC 滤波器。目前电力网络中应用最多的谐波抑制设 备就是无源电力滤波器。无源电力滤波器结构简单，可靠性高，容量大，成本 低，但是由于其滤波原理的局限性，当电网阻抗和谐波源变化时，其滤波效果 受到很大影响，并且它只对

4、固定某些次频率的谐波有较好的率效果，当代社会 经济飞速发展，电力负荷的情况不断变化，由于上述因素的制约，无源电力滤 波器逐渐的不能胜任抑制谐波的任务。正是无源电力滤波器局限性的日益凸显，人们把谐波抑制的研究重点转移到了第二种方案，有源电力滤波器(APF： Active Power Filiter)。三、有源电力滤波器的一般原理yj匚W电网闌电叫滤龜流电力电子装置。有源电力滤1压和电流，通过指令运算电路得有源电力滤波代电.负载电子理论，进行“精细”谐波抑制的的工作原理图如上图所示：APF检测负载的电 纟翻信号；跟踪控制电路根据补偿指令信号驱动主电路产生相应的补偿电流i。补偿电流i与负载电流i1中

5、的谐波电流ccl的大小相等，相位相反，从而使网侧电流 is 中只含有基波成分，达到消除谐波s的效果。现代有源电力滤波器系统一般由以下几个部分组成：指令电流运算电路、 电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路。1、指令电流运算电路的谐波检测方案指令运算电路的核心是谐波检测，给出补偿电流的指令值。6路电流信号|霍尔电流|信号调传感器亘流柑线电压I霍尔电压传感器IA相 信号|霍尔电压 传廳器2理电路A/DJA/D启动转换信号1数据AD7656.卜 过零检测 图i有源 图1展示按键和-显示电路匚电力滤波器谐波检测模块2 谐波检测模块的工作框图。号包括三相电流!ia、ib、i、以及有-APF发出 彳讣.iL.

6、-9-S. I： - i bPjj信号经霍尔电流的补偿电流i、a其中6路电流信铁电节i：，这6路电流器变换后，在高精度取样电阻上形成于原信号成比列的电压信号。aHh* L-isinojtCt)K(OtTip厂LT4pq -aibck1图2基于瞬时无功功率ip iq算法的谐波检测电流八 理图检测出谐波后，指令电路会计算出相应的指令电流。谐波检测的方法可分为直接发和间接法两种。直接法指通过滤波的方式从采样信号中过滤掉不需要补偿的基波分量，将剩余信号作为谐波参考信号，如 陷波器（带通滤波器）检测法，但是这种方法误差较大很少应用。间接法的原 理是将采样信号进行解耦，然后重新将所需的分量进行组合后作为参

7、考信号。 目前较常见的谐波检测方法包括：（1）基于傅立叶变换的检测方法。利用傅立 叶变换对电网电流进行计算，得到电网电流中的谐波分量。这是一种纯频域的 分析方法，其优点是可以任意选择拟消除的谐波次数，缺点是计算量大，具有 较长的时间延迟，实时性较差；（2）瞬时无功功率法。以瞬时实功率 P 和瞬时 虚功率Q的定义为基础，后来又发展为以瞬时有功电流i和瞬时无功电流i为 pq 基础的理论体系。优点是实时性好，缺点是由于检测时采用了数字低通滤波器 因此检测出的结果会有一定的延时。瞬时无功功率是目前有源电力滤波器中采 用最多的一种谐波检测方法。（3）基于自适应的检测方法。基于自适应干扰抵 消原理，具检测

8、精度高和电网电压畸变及电网参数变化不敏感的优点，但其动 态响应较慢。其改进方法包括用神经网络实现的自适应检测法。检测精度和实时性是判断谐波检测方法的重要指标，各种检测方法都有其 优点和缺点。随着各种谐波检测方法的不断改进，以及新的检测方法，如基于 小波变换等现代数字信号处理的方法的推出，谐波检测技术在不断进步中。而 基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法及其改进是目前相对较成熟，应用最广 泛的方法。2、电流跟踪控制电路介绍准确地检测出电网中的谐波电流后，如何控制APF主电路，使APF输出 电流跟踪谐波电流变化，是电流跟踪控制电路的主要任务。由于谐波电流具有 时变和高变化率的特点，这就要求APF电流

9、控制器具有较快的动态响应性能和 较高的控制精度，同时，电流控制器的稳定性也是必须考虑的因素。目前，APF电流控制方法主要有三角载波线性控制、滞环比较控制、无差 拍控制、滑模控制、单周控制等。三角载波电流控制(Triangular Carrier Current Control)方法。这是最为 简单的一种线性控制方法。以指令电流与实际补偿电流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。此方 法的有点是动态响应好，实现电路简单，缺点是逆变器始终处于高频工作状态， 产生高频噪音和造成较大的开关损耗。( 2)滞环电流控制方法( Hystersis Curren

10、t Control)这是目前使用十分广泛的一种闭环控制方法。根据给定的补偿信号与侧得 的逆变器输出电流的误差来控制逆变器开关的动作，使实际电流始终保持在滞 环带内，围绕参考信号上下波动。此方法的特点是，硬件电路简单、开关损耗 小、动态响应快，但系统的开关频率、响应速度及电流的跟踪精度会受滞环带 宽的影响。(3) 无差拍控制方法(Dead-Beat Control)。无差拍控制方法是一种全数 字化的控制技术。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。其特点是动态响应快，易于 执行，但计算量大，且对系统参数依赖性较大。(4) 单周控制法(On

11、e-Cycle Control)。单周控制法是一种通用型非线性 大信号控制方法，特别适合于开关电路的控制。其基本思想是：控制开关占空 比，在每个周期内使逆变器开关变量的平均值与控制参考值相等或成一定比例， 从而消除稳态和瞬态误差。它具有反应快、控制精度高、控制电路简单等优点。 缺点是抗干扰性能较差。(5)滑模控制(Sliding Mode Control, SMC)。又称变结构控制(variablestructure),具有响应快速、动态品质好的优点，并有较强的鲁棒性。除了上述介绍的多种电流跟踪控制策略外，还有如空间矢量控制法( SpaceVector Control)、预测控制等许多现代控制

12、方法。应根据谐波负载情况，从控制 精度、动态响应时间及系统稳定性这些关键因素综合考虑。3、驱动电路介绍 有源电力滤波器的驱动电路部分主要有两个功能：提供驱动，和主回路的保护AC在有源电力aPF驱动电路原理图幸 设计中应用四片*GBT作为开关APF应用四并用四片EXB8 41组成的驱动电路，原理如上图。在实验中，根据补偿电流和指令电流关系，用DSP的高低电平，并由驱动电路控制可关断器 电路同时对过流故控制PWM引脚X由dsP采取控制信的通断。驱动里。4、主电路设计有源电力滤波器主电路的作用是在准确的检测到谐波电流的基础上，使有源 电力滤波器的输出起到很好的补偿和抑制作用，同时在直流侧电容旁串联一

13、个由继电器控制的电阻，可以改善由于电容充电引起的电流不稳定现象，使其对 电网的滤波效果得到改善。有源电力滤波器主电路主要采用PWM变流器的形式。根据PWM逆变器中直流侧储能元件的不同，主电路的形式主要有电流型主电路和电压型主电路两 种。直流侧储能元件为电感则为电流型，电流型主电路控制简单、性能可靠、 易于保护，但是其损耗大、体积大的缺点十 分明显，所以目前很少应用。电压型主电路 直流侧采用并联电容作为储能元件，储能密 度大、体积小、损耗小、效率高，同时因其 电压源的特性，方便实现多个小容量APF并联扩容的目的。由于电压型主电路的APF技电压型主电路示意图术相对成熟、完善，所以目前国内外绝大多数

14、APF采用这类主电路结构形式。设计APF时，在确定主电路形式后还需解决的主要问题有：对补偿电流的跟 随性能起决定作用的参数设计，开关器件的参数计算和定型，主电路的容量计 算，按所选器件的要求设计驱动电路，设计整个装置的各种保护电路等。四、有源电力滤波器的分类及在电力系统谐波补偿中的应用 根据不同的电路特征可以对目前应用的有源电力滤波器进行不同的分类， 这些分类有时又有交叉。（1）根据用户使用的电源类型，可分为交流有源电力滤波器和直流有源电 力滤波器（典型应用是在直流输电系统中）。（2）根据APF接入电网的方式可分为并联型APF、串联型APF、串-并联 型APF以及混合型APF,其中并联型APF

15、应用最广。并联型APF主要适用于电流型负载的谐波补偿；串联型APF主要消除 电压型谐波对电力系统的影响；串-并联型APF是将并联型和串联型有 源电力滤波器结合使用，集合了两者的优点，补偿效果好，但控制复 杂,成本高。串-并联型APF也称作统一电能质量调节器(Unified PowerQuality Conditioner)。(3) 根据主电路 PWM 逆变器中直流侧储能元件的不同,有源电力滤波器又可分为电压型APF (储能元件为电容)和电流型APF (储能元件为 电感)。其中电压型APF应用较为广泛。(4) 根据主电路所使用 PWM 变流器数量分类可分为单个主电路和多重化 主电路有源电力滤波器。多重化技术可以提高装置的容量,降低单个 器件的工作频率。(5) 根据接入系统的不同可分为单相及三相有源电力滤波器,三相有源电 力滤波器又可分为三相制和三相四线制两种。五、结束语有源电力滤波器是谐波治理,改善电能质量的重要技术手段,其应用领 域几乎涉及到国民经济的各个工业领域。因此该技术应用具有广阔的市场前景 随着我国在有源电力滤波器技术的研发与市场引导方面的不断投入,有源电力 滤