一种基于复合控制的通用型有源电力滤波器

李卫东, 李达义, 杨国庆, 孙峰峰

(1. 深圳市今朝时代新能源技术有限公司， 广东 深圳 518057;2. 强电磁工程与新技术国家重点实验室， 华中科技大学， 湖北 武汉 430074)

一种基于复合控制的通用型有源电力滤波器

李卫东1, 李达义2, 杨国庆1, 孙峰峰1

(1. 深圳市今朝时代新能源技术有限公司， 广东 深圳 518057;2. 强电磁工程与新技术国家重点实验室， 华中科技大学， 湖北 武汉 430074)

为了同时适合电压型谐波源和电流型谐波源的滤波，同时具有传统有源滤波器的并联型结构，本文提出一种基于复合控制的通用型有源电力滤波器，其基本原理为：检测系统的谐波电流和谐波源两端的基波电压，将这两个信号进行放大和组合后作为参考信号，通过电力电子逆变器产生一个电压源，将该电压源与一个带有较小阻抗值的联接电抗相串联后并联在谐波源和电力系统两端。理论分析表明该有源电力滤波器对基波进行动态无功补偿，对谐波相当于串联一个谐波高阻抗和并联一个谐波低阻抗，兼具疏导和隔离谐波的作用，从而构成一种高性价比的有源电力滤波器。该滤波器结构简单，保护方便，滤波效果好，逆变器容量小，适合于两种类型的谐波源。实验结果证明了该原理的有效性。

有源滤波; 无功补偿; 复合控制

1 引言

近年来，电力系统中使用了很多电力电子变换装置和非线性负载，这些装置对电网电能质量造成了严重危害[1-7]。绿色电力电子装置和单位功率因数始终是电力用户关注的焦点问题。在各类谐波源中电力电子变换装置产生的谐波比例最高，电力电子类谐波源根据其工作原理和特性分为电压型谐波源和电流型谐波源(这种分类是直接从谐波源两端而不是从电力系统角度出发的，因为一般的无功补偿和滤波采用就地补偿和滤波的方式)[8,9]。为了抑制电力系统谐波，人们研究了多种滤波方式，有源滤波器是目前研究较多的一种滤波和动态无功补偿方式。目前研究较多的有源电力滤波器主要包括并联型有源电力滤波器、串联混合型有源电力滤波器以及将串联型和并联型拓扑结合起来的统一电能质量控制器[10-24]。根据文献[8,9]的结论，串联型滤波器串联在线路中，相同的电压谐波下线路谐波电流幅值更小，有利于电压型谐波源的滤波；而并联型滤波器并联在谐波源两端，对谐波电流呈现零阻抗，更有利于电流型谐波源的滤波。

在这些有源电力滤波器中，只有传统的并联型有源滤波器实现了产业化，主要原因在于传统的并联型有源滤波器属于并联型拓扑，有利于系统保护，可以同时补偿谐波和无功；但是其仅适合电流型谐波源的滤波。当传统的并联型有源电力滤波器用来对电压型谐波源进行滤波时，仿真和实验结果表明负载侧电流会出现不稳定，多出一些波头，有时还出现负载侧电流THD增大的现象，增大了滤波的难度，影响了滤波效果和负载的正常工作。

为了使传统的并联型有源电力滤波器同时适合电压型谐波源和电流型谐波源，本文提出了一种基于复合控制的通用型有源电力滤波器。其基本原理为：检测系统的谐波电流和谐波源两端的基波电压并进行放大和组合后作为参考信号，通过电力电子逆变器产生一个电压源，将该电压源和一个带有较小阻抗值的联接电抗相串联后并联在谐波源和电力系统两端。理论分析表明该有源电力滤波器兼有谐波“疏导”和“隔离”的作用，滤波效果非常好，同时适合于电压型和电流型谐波源。该滤波器结构简单，电力电子装置容量小，将是一种非常有前景的高性能解决方案。

2 通用型有源电力滤波器的原理

图1 通用型有源电力滤波器的单相原理电路Fig.1 Single phase principle diagram of general active power filter

下面根据叠加原理对基波和谐波分别讨论。

(1)

该感性无功与系数β呈线性关系，调节系数β还可以使其呈容性从而系统中不用加容性无功补偿装置，系统结构简单。

图2 基波等效电路Fig.2 Fundamental equivalent circuit

(2) 对于谐波，为了简单起见，设系统电压中不含谐波电压，则在谐波等效电路中系统的基波电压相当于短路。复合控制型有源电力滤波系统对于谐波的等效电路如图3所示，图3的电路可以进一步等效为图4所示的电路，因为从谐波源往左看两者是等效的。

图3 谐波等效电路1Fig.3 Harmonic equivalent circuit 1

图4 谐波等效电路2Fig.4 Harmonic equivalent circuit 2

从上面分析可知，基于复合控制的通用型有源电力滤波器对基波呈现为一个可调电抗器，而对谐波一方面呈现为一个电抗值较小的联接电抗，同时又等效为在电力系统和谐波源之间串入阻值为α的电阻，这样对谐波同时起到了“疏导”和“隔离”的作用，从而达到非常好的滤波和无功补偿的效果。整个滤波系统呈现以下特点：① 结构简单；② 控制方便，只须对基波无功功率和系统电流的谐波成分进行简单控制就可以实现谐波“疏导”和“隔离”的作用，同时可以很方便地动态调节无功功率，一般情况下谐波源两端电压Us中谐波含量不大，而且整个滤波系统存在反馈过程，因此复合控制型有源电力滤波器中参考信号Uref在系统进入稳态后的谐波含量并不高，有利于逆变器的PWM电压跟踪控制；③该有源电力滤波器对谐波同时起到了“疏导”和“隔离”的作用，所以其滤波效果非常好且同时适合于电压型和电流型谐波源；④逆变器容量较小，其容量和要补偿的无功功率容量基本相等；⑤保护方便，易于投入切除等。与现有的PWM高频整流器、并联型有源电力滤波器、串联混合型有源电力滤波器和统一电能质量控制器相比均有一定优势。

3 系统控制策略

基于复合控制的通用型有源电力滤波器三相系统结构图如图5所示，该系统的基波电压单相矢量图如图6所示。图5中电力系统三相电压分别为ua、ub和uc(图6中表示为Us)，接口逆变器三相电压分别为uai、ubi和uci(图6中表示为Ui)。为了补偿逆变器正常工作时的有功损耗，可以通过控制使Ui比交流电源Us滞后一个小角度δ，这时逆变器从交流电网吸收一点有功功率来维持直流母线电压Ud的稳定，同时又向电网输出需要的滞后或者超前的无功功率。根据电压矢量图6，逆变器从交流电网吸取的有功功率P为：

输出至交流电网的无功功率为：

图5 通用型有源电力滤波器的原理电路Fig.5 Detailed configuration of general active power filter

图6 基波电压矢量图Fig.6 Fundamental voltage vector diagram

图7 系统控制原理图Fig.7 System control principle diagram

4 实验验证

为了验证本文提出的基于复合控制的通用型有源电力滤波器的有效性，根据图5所示的三相系统原理图搭建了一套实验系统，参数分别如下：系统采用100kVA、10kV/400V的配电变压器供电；谐波负载采用晶闸管调相角带阻感负载的整流电路，晶闸管采用淄博江来电器有限公司的MZKS-ZL-200型的智能晶闸管，负载电感量为10.5mH，负载电阻为5.175Ω，当晶闸管调到不同的触发角时该负载会产生大量的谐波，功率因数也会大范围变化；开关管为英飞凌公司的FS200R12PT4；采用TI公司的TMS320F28335微控制器作为主控芯片；联接电抗的电感量为2.23mH，其Q值为3.5；系统实验线电压为87V。

为了证明新型并联型有源滤波器加入后系统电能质量的改善，本文特地对A相系统电压ua、A相系统电流ia、A相负载侧电流iaL和A相变逆变器支路电流iai(见图5)进行测量。晶闸管的触发角为30°时对该系统进行实验，波形如图8～图10所示。图8 为A相系统电流和A相负载侧电流波形。图9 为A相逆变器支路的电流波形，该波形中包含一定的基波无功电流和要被滤除的谐波电流。图10为A相系统电压和A相系统电流的波形，可以看出两者相位一致，功率因数基本为1(这时的β值可根据-UIsinθ=Im(U2(1-β)/ZL)计算出来)。实验结果证明了本文提出的基于复合控制通用型有源电力滤波器能同时进行谐波抑制与无功补偿，仿真中谐波电流放大系数α大范围变化时系统也都能稳定运行。

图8 A相系统电流和A相负载侧电流Fig.8 System and load current of phase A

图9 A相逆变器支路电流Fig.9 Inverter branch current of phase A

图10 A相系统电压和A相系统电流Fig.10 System voltage and current of phase A

对ia、iaL和iai进行傅里叶分析，结果如表1所示。其中负载侧电流的THD为26.28%，系统电流的THD为2.73%，可见系统具有较好的滤波效果。

表1 系统电流、负载侧电流和逆变器支路电流的傅里叶分析

5 结论

为了同时适合电压型谐波源和电流型谐波源的滤波要求，本文提出了一种基于复合控制的通用型有源电力滤波器。理论分析和实验结果表明，该有源电力滤波器兼有谐波“疏导”和“隔离”的作用，滤波效果非常好；同时该有源电力滤波器采用并联结构，所以保护方便；另外，该有源滤波器结构非常简单，控制方便，电力电子装置容量小(和要补偿的无功功率容量基本相等)。为了保证滤波效果，谐波电流放大系数α越大越好，但是该参数过大对系统的稳定性有一定的影响，其参数优化有待于今后进一步研究。

[ 1] 王兆安, 杨君, 刘进军, 等(Wang Zhao’an, Yang Jun, Liu Jinjun, et al.). 谐波抑制和无功功率补偿(Harmonic suppression and reactive power compensation)[M]. 北京： 机械工业出版社(Beijing: China Machine Press)，2005.

[ 2] 罗安(Luo An)．电网谐波治理和无功补偿技术及装备(Power grid harmonic mitigation and reactive power compensation technology and equipment)[M]. 北京： 中国电力出版社(Beijing: China Electric Power Press)，2006.

[ 3] 肖湘宁，韩民晓，徐永海，等(Xiao Xiangning, Han Minxiao, Xu Yonghai, et al.)．电能质量分析与控制 (Analysis and control of power quality)[M]. 北京：中国电力出版社(Beijing: China Electric Power Press)，2004.

[ 4] 程浩忠，艾芊，张志刚，等(Chen Haozhong, Ai Qian, Zhang Zhigang, et al.)．电能质量(Power quality)[M]. 北京：清华大学出版社(Beijing: Tsinghua University Press)，2006.

[ 5] 姜齐荣，赵东元，陈建业(Jiang Qirong, Zhao Dongyuan, Chen Jianye)．有源电力滤波器:结构·原理·控制 (Structure, principle and control of active power filter)[M]. 北京：科学出版社(Beijing: Science Press), 2005.

[ 6] 杜雄(Du Xiong). 电力谐波有源补偿新方法的研究(Study on new methods of active power harmonic suppression)[M]. 重庆: 重庆大学(Chongqing: Chongqing University), 2005.

[ 7] Hirofumi Akagi, Edson Hirokazu Watanabe, Mauricio Aredes. Instantaneous power theory and applications to power conditioning [M]. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2007.

[ 8] F Z Peng. Harmonic sources and filtering approaches [J]. IEEE Industry Applications Magazine, 2001, 7(4): 18-25.

[ 9] 李达义，陈乔夫，贾正春(Li Dayi, Chen Qiaofu, Jia Zhengchun). 电力系统谐波源的种类和滤波方法综述(Types of harmonic sources and their filtering approaches)[J]. 电力传动(Electric Drive), 2005, 35(12): 3-7.

[10] Longhui Wu, Fang Zhuo, Pengbo Zhang, et al. Study on the influence of supply-voltage fluctuation on shunt active power filter [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2007, 22 (3): 1743-1749.

[11] 张国荣，齐国虎，苏建徽，等(Zhang Guorong，Qi Guohu，Su Jianhui, et al．)．并联型有源电力滤波器输出电感选择的新方法(A new method of output inductance selection in shunt active power filter)[J]．中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2010，30(6)：22-27．

[12] Sixing Du, Jinjun Liu, Jiliang Lin. Hybrid cascaded H-bridge converter for harmonic current compensation [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28 (5): 2170-2179.

[13] An Luo, Shuangjian Peng, Chuanping Wu, et al. Power electronic hybrid system for load balancing compensation and frequency-selective harmonic suppression [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, 59 (2): 723-732.

[14] L Zhou，K M Smedley．Unified constant-frequency integration control of active power filters [A]. Fifteenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference [C]. 2000. 1：406-412.

[15] Xiong Du, Luowei Zhou, Hao Lu, et al. DC link active power filter for three-phase diode rectifier [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, 59(3): 1430-1442.

[16] F Z Peng, H Akagi，A Nabae．A new approach to harmonic compensation in power system - A combined system of shunt passive and series active filters [J]．IEEE Transactions on Industry Applications，1990，26(6)：983-990.

[17] 何娜，徐殿国，武健(He Na, Xu Dianguo, Wu Jian)．一种新型混合有源滤波器及其复合控制策略设计(A novel design method and compound control strategy for shunt hybrid power filter)[J]. 电力系统自动化(Automation of Electric Power Systems), 2007, 31(10): 45-49.

[18] Dayi Li, Qiaofu Chen, Zhengchun Jia, et al. A novel active power filter with fundamental magnetic flux compensation [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2004, 19(2): 799-805.

[19] 帅智康，罗安，涂春鸣，等(Shuai Zhikang, Luo An, Tu Chunming, et al.)．并联混合型有源电力滤波器的最优安装点(Optimal placement of hybrid active power filter)[J]. 中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2008, 28 (27): 48-55.

[20] 赵成勇，李庚银，陈志业，等(Zhao Chengyong, Li Gengyin, Chen Zhiye, et al.)．混合型谐波电流补偿系统的原理及特性(Research on combined harmonic current compensation system)[J]. 华北电力大学学报(Journal of North China Electric Power University), 1998, 25 (3): 13-18.

(，cont.onp.30)(，cont.fromp.17)

[21] 陈国柱，吕征宇，钱照明(Chen Guozhu, Lv Zhengyu, Qiao Zhaoming)．有源电力滤波器的一般原理及应用(The general principle of active power filter and its application)[J]. 中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE), 2000, 20 (9): 17-21,

[22] H Fujita, H Akagi. A practical approach to harmonic compensation in power systems-Series connection of passive and active filters [J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1991, 27(6): 1020-1025.

[23] Longfu Luo, Yong Li, Jiazhu Xu, et al. A new converter transformer and a corresponding inductive filtering method for HVDC transmission system [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2008, 23(3): 1426-1431.

[24] 肖国春，刘进军，杨君，等(Xiao Guochun, Liu Jinjun, Yang Jun, et al.)．高压直流输电用直流有源电力滤波器的研究(The study on DC active power filter for HVDC system)[J]. 电工技术学报(Transactions of China Electrotechnical Society), 2001, 16 (1): 39-42.

Novel universal active power filter with hybrid control

LI Wei-dong1, LI Da-yi2, YANG Guo-qing1, SUN Feng-feng1

(1. Shenzhen Technology Innovation Green (TIG) New Energy Technology Co. Ltd., Shenzhen 518057, China; 2. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology， Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

In order to cater for the filtering of both the voltage-type and current-type harmonic sources, a general active power filter with hybrid control together with the advantage of parallel topology of conventional active power filter is proposed. In the proposed active power filter, the fundamental voltage across the harmonic source and the system harmonic current are detected, and the two signals are amplified and combined to be the reference signal. A voltage source inverter is applied to follow the reference in order to generate a voltage, which is connected with a little reactance. And then the combination of the inverter output and the little reactance is connected in parallel with the harmonic source. In terms of the principle analysis, the active power filter can compensate the reactive power to the fundamental, whereas it has the role of series high impedance and parallel low impedance to harmonic. Therefore the power filter plays the role of filtering and isolating. The filter has the advantages of simple structure, convenient protection, good filtering effect, small inverter capacity and is suitable for two types of harmonic sources. The validity of the theory is proved by the experimental results.

active filtering; reactive power compensation; hybrid control

2015-03-31

国家自然科学基金资助项目(51477060；51277081)

李卫东(1966-), 男, 四川籍， 工程师， 硕士， 研究方向为通信模块电源、 储能系统和电力电子技术； 李达义(1970-)， 男， 湖北籍， 副教授， 博士， 研究方向为电力系统电能质量(通信作者)。

TM477

A

1003-3076(2016)02-0013-05