智能型有源滤波器的研究与设计＊

陈子珍，薛莉英，李效农

（1.宁波职业技术学院，浙江宁波315800；2.上海久创电气自动化设备有限公司，上海201190）

1 引言

随着现代工业技术的发展，各种功率开关器件和其它非线性负载被广泛应用，大量的高次谐波被注入电网，使电网电压和电流发生畸变，电力质量变坏，引起用电设备产生附加的谐波损耗，严重时甚至损毁设备，给安全生产带来巨大隐患，所以补偿电网谐波以改善电能质量已经成为电力系统领域的紧迫课题。传统的解决方法是采用电力电容器等无源器件构成无源滤波器，用以吸收电力系统中的谐波与无功电力成分。但是无源滤波器补偿精度低，仅能适用静态电力系统，对变化的非线性负载不能进行实时的精确补偿，当供电电路运行条件发生变化时，其滤波性能就大打折扣。而有源电力滤波器弥补了这方面的缺陷，能动态跟踪电力系统与负载变化情况，动态抑制与补偿电力系统的谐波与无功电力。

2 有源滤波器的结构性能

有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行实时补偿，其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿的缺点。

图1 并联有源滤波器系统构成

如图1所示为一种基本的有源滤波器系统构成原理图。其中AC是系统交流电源，谐波源是负载，它产生谐波并消耗无功，APF即是有源滤波器。

有源滤波器基本原理是：有源滤波器（APF）从电网中实时检测电压电流信号，计算得到相应谐波信号，根据此谐波信号得到相应的指令控制信号驱动逆变电路，产生实际的补偿电流以“吸收”电网中的谐波信号，从而达到滤除电网谐波信号的目的。补偿效果不会因系统长时间运行而下降，并且自动根据负载谐波的变化而产生不一样的补偿信号，做到对任意谐波信号都能进行补偿。

有源滤波器功能分为两部分，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。指令电流运算电路通常包括信号采样、信号计算、控制信号输出三个部分。补偿电流发生电路通常包括驱动电路、逆变电路。信号采样、信号计算、控制信号输出三个部分可以用一块DSP芯片实现，而逆变电路用一块IPM模块来实现。

3 单独使用并联型有源滤波器的研究与仿真

单独使用的并联型有源滤波器基本原理结构如图2所示，其基本原理是检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得到补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。单独使用的并联型有源滤波器单相等效电路如图3所示。

其中负载等效为一个谐波电流源IL，分为基波分量If和谐波分量Ih，即

图2 单独使用的并联型有源滤波器

图3 并联型有源滤波器等效电路

控制有源滤波器为一电流源，使其与负载中谐波电流一致（以图3中所示方向为准），则

故可得：

使得电源电流中只含基波分量，不含谐波。

单独使用的并联型有源滤波器仿真结果如图4（a）、（b）、（c）所示。

4 谐波电流检测方法

无功谐波电流即畸变电流的检测方法，取决于非正弦条件下有功功率（电流）和无功功率（电流）的定义及理论分析。目前对非正弦条件下无功及谐波电流的检测方法主要有以下几种：①用模拟带通滤波器检测的方法；②基于Fryze时域分析的有功电流分离法；③基于FFT的数字化分析法；④基于小波变换检测谐波的方法；⑤基于Akagi瞬时无功功率理论的检测法。

目前在有源滤波器中使用的最广泛的便是基于瞬时无功功率理论的检测算法和基于FFT的检测算法。

图4 电流波形图

5 本系统滤波器硬件结构

整个电力滤波系统框图如图5所示。

图5 系统框图

本系统使用的有源滤波器与混合型有源滤波器结构类似，但根据所补偿对象的特点，对其做了进一步改进，不是补偿所有次谐波，而是只补偿特定次谐波，即3、5、7、11次。这样一方面是根据负载的谐波特性作出的改变，另一方面也是对实际实现的简化。因为如果要补偿所有次谐波，那么IPM逆变的必然也是跟所有次谐波成比例的一个信号。但是由于所有次谐波叠加在一起，变化幅度极大，且非常迅速。而如果IPM逆变信号希望能够很好地追随谐波的变化，则其开关的频率必须相当高。目前由于电力电子器件的限制，在较高的电压水平上想要实现这种非常高的频率是比较困难的。但是如果只是逆变出正弦信号则简单得多，特别是如后面的滤波电路设计合理，即使开关频率低一点也可以得到光滑的正弦波形。本系统基本结构如图6所示（图中只画出单相）。

图6 本系统使用的有源滤波器基本结构

6 程序软件结构

整个系统软件以中断为基础，可分为AD采样模块、FFT计算模块、PWM输出模块、通讯模块以及故障处理模块共五大模块。整个系统软件结构如图7所示。

图7 系统软件结构图

DSP首先对电网信号模拟量进行采样，在获得电网信号数据后进行相关的计算，根据计算得到各次谐波的信息，一方面控制PWM信号输出，另一方面将得到的谐波信息输入到液晶显示和上位机，供用户观察。同时DSP接收各种外部输入中断信号，如IPM故障信号、用户键盘中断信号等。整个程序以中断为基准，除了FFT计算，其余部分均是在中断响应中完成。因此整个程序并没有一个顺序执行的概念，在编写程序时必须保证每个中断能够被快速响应，这就要求每个中断都能及时执行完成，执行时间不能过长以免影响其他中断的响应。

图8 补偿前电力系统电压波形与频谱

图9 加3、5、7、11次谐波补偿的电压波形与频谱

7 试验结果与结论

在实际的挂网实验中，电源电压380V、50Hz，测试的波形如图8、9所示。

从波形图可以看出，补偿前的电压存在大量的谐波，经过补偿后，电压波形已经接近正弦，频谱波形中明显抑制了高次谐波，说明有源滤波控制系统有着良好的滤波效果。

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