有源滤波技术综述

闫泊 刘亚涛

摘要：有源滤波器是近几年兴起的电力电子装置，它能够有效的抑制谐波，提高供电质量。该文首先阐明了有源滤波器的工作原理和连接方式，详细分析了有源滤波器常用的控制策略，最后结合近几年的研究现状总结了有源滤波技术的发展趋势。

关键词：有源滤波 谐波 控制策略 综述

0 引言

随着电力电子装置应用的增多，越来越多的非线性负载被接入电力系统中，电能质量因此也受到了严重污染。同时，现代精密工业和商业用户的用电设备对电能质量的要求也更加严格。因此，需要一种更为有效的方法滤除电力谐波，提高电能质量。其中有源滤波器APF是系统中用来抑制谐波的主要措施，它能有效检测出负荷电流中的谐波分量，并控制电力电子器件产生与之大小相等方向相反的谐波电流，二者相互抵消达到滤波的目的。APF的应用大大提高了配电网供电可靠性及电能质量。

1 有源滤波的工作原理

采用电力滤波装置是有效滤除谐波的重要措施。滤波方式通常可分为无源滤波和有源滤波。由于无源滤波器的滤波特性受系统参数影响大、滤波范围小、性能单一、占地面积大等，难以满足某些特定场合对电能质量的要求。因此有源滤波技术也就成为了目前最具发展潜力的一种滤波技术，因为电力有源滤波器能够满足某些特定场合对电能质量的要求。APF的工作原理如图1所示。此外，有源滤波器还可作为无功补偿装置使用，调节控制策略，使APF装置发出一定量的无功功率，从而向系统中注入无功功率，有效提高功率因数。

图1 APF原理图

有源滤波器具有响应速度快、控制灵活占地面积小、施工维护方便等优点，具体特点如下：①能够实现动态补偿。可实时跟踪系统中的谐波含量，并對其进行补偿，响应速度快。②APF受电网阻抗的影响不大，有效避免和系统发生并联谐振，同时还能抑制串并联谐振。③APF的综合利用效率高。同一台装置既可用于补偿无功功率，也可用于抑制谐波电流。④不依赖于储能元件。作为无功补偿时不需要储能元件，抑制谐波时所需要的储能元件不大。

2 有源滤波的连接方式

有源滤波的连接方式有三种，分别是并联型APF、串联型APF、串-并联型APF。并联型APF的交流侧通过电抗器与负载并联，相当于一个谐波电流源。检测的信号经指令运算电路计算得出补偿电流的指令值，控制APF向系统中注入与负载总谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，从而实现滤波。并联APF主要适用于感性电流源型负载的谐波补偿，是目前被应用的最多的一种连接方式。串联型APF通过3个单相变压器串联在电源与负载间，相当于一个受控电压源。其主要用于改善电压质量，消除电压波形的畸变。目前单独使用的串联型APF的研究较少，国内外的研究多集中在其与LC无源滤波器所构成的串联混合型APF 上。串-并联型APF是一种新型APF，被称为统一潮流控制器（UPFC）。作为性能优异的FACTS装置，UPFC不仅可以控制线路的潮流和特性，还能够快速、独立地调节有功功率和无功功率。

3 APF的控制策略

APF控制策略的核心部分主要有：指令电流运算和电流跟踪控制两部分。指令电流运算需要实时跟踪负载电流中总谐波电流的瞬时值，依此计算出所需要的补偿电流指令值。电流跟踪控制的作用是根据补偿电流指令信号和实际电流之间的差值，得出控制补偿电流发生电路中的各电力电子器件通断的PWM信号。控制的结果应保证实际输出的补偿电流能实时跟踪指令电流的变化。指令电流运算的方法主要有以下几种。

①提取基波分量法。该方法的检测原理是利用模拟高阶滤波器从负载电流中提取基波分量，总电流与基波电流之差即为瞬时谐波电流。但这种滤波器设计困难，且滤波效果受系统频率和电路元件参数影响较大，目前很少采用。②基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法。该方法是目前APF中应用最广的一种检测方法，包括p-q法、ip-iq法以及d-q法。它是利用系统中基波电流分量产生的瞬时功率和d、q轴电流均为直流量，而系统中谐波电流分量产生的瞬时功率和d、q轴电流为交流量，通过带通滤波器提取出电流中的谐波电流分量。③基于FFT的数字化分析法。这种方法建立在Fourier分析的基础上，因此要求被补偿的波形是周期变化的，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出所需的误差信号，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，缺点是具有较长的时间延迟，实时性较差。④自适应检测法。该方法基于自适应噪声对消原理，把电压作为原始输入，经自适应滤波处理后，得到一个与负载电流基波有功分量相等的信号。负载电流与自适应滤波器输出值的差值，即为需要补偿的谐波分量和无功分量。该方法的滤波效果良好，几乎不受系统参数变化的影响，当电压波形出现畸变或偏差时仍然具有良好的自适应性。目前该方法仅处于理论研究阶段，具有很好的发展前景。

电流跟踪控制根据补偿电流指令信号和实际补偿电流之间的差值，得出控制补偿电流发生电路中主电路各开关器件通断的PWM信号，使得补偿电流能够有效跟踪指令电流的变化。常见的电流跟踪控制方法主要有：①三角载波比较方式。这是通过闭环来进行控制的一种方法，并不是把指令电流和三角波直接进行比较产生PWM波形，而是通过将指令电流和实际电流进行比较，求出偏差电流后经过放大再和三角波比较产生PWM波形。这种方法的硬件电路实现较为复杂，电流响应速度慢，跟踪误差大，功率开关器件的开关频率固定。输出电流所包含的的谐波较少，常用于对谐波和噪声要求严格的场合。②滞环比较控制方式。这是通过闭环进行控制的跟踪型PWM方式。将指令电流和实际输出电流的偏差值作为滞环比较器的输入，通过其输出控制电力电子器件的通断，从而使换流器的输出值实时跟踪补偿电流指令值。滞环比较方式的硬件电路实现简单，电流响应速度快，是一种实时控制方式。和三角载波相比，输出电压波形中不含有额定天频率的谐波分量，但输出电流中的高次谐波含量较多。若滞环宽度固定，则电流跟踪的绝对误差是固定的，电流小时相对误差较大，电流大时，器件的开关频率变高。为了减小跟踪误差，目前有文献提出一种新的滞环比较方式——根据电流大小改变滞环宽度的变环宽控制。③定周期瞬时值比较方式。该方法不用滞环比较器，而是设置一个固定的时钟，以固定的采样周期对指令信号和被控制变量进行采样，并根据二者之间偏差的极性来控制变流电路开关器件的通断，使被控制量跟踪指令信号。这种方法硬件电路实现简单，采用定时控制方式，电流响应稍慢，器件开关的频率是变化的，但最高开关频率受到限制。

4 有源滤波技术的发展趋势

有源滤波技术作为滤除谐波、提高电能质量的重要手段，在世界范围内已经得到了广泛应用。结合近几年的研究和应用，可以总结出APF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。②考虑经济成本和效率，APF和无源滤波混合使用的滤波系统将会广泛应用于中小系统中。③随着半导体器件制造水平的提高和大容量换流器的应用，功能多元化的APF将会得到大力发展。UPFC由于能够灵活调节系统参数，综合改善电能质量，将会有很大的发展前景。

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作者简介：闫泊（1987-），女，陕西西安人，硕士，助教，西安铁路职业技术学院，研究方向：电力系统的运行与控制。