基于有源电力滤波器的谐波抑制方法

王帮奇

应用研究

基于有源电力滤波器的谐波抑制方法

王帮奇

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 433000）

为提高船舶电网的电能质量，降低电网谐波含量，必须采取有效的措施来解决谐波问题。本文介绍了有源电力滤波器的优点和谐波源的分类。基于谐波源的分类，将有源电力滤波器分为基于并联型有源电力滤波器和基于串联型有源电力滤波器，分析了两种有源电力滤波器的谐波抑制的构成和控制原理及主电路参数设计，重点讨论了有源电力滤波技术的输入测谐波抑制方法。

谐波 谐波抑制 有源滤波器

0 引言

对于三相对称的船舶电网来说，非线性负载具有不对称和波动性的特点，将产生大量的谐波电流，不仅使得电网阻抗产生谐波压降，叠加在电网基波上后会引起电网电压畸变，而且破坏了电网的对称性，对电网自身正常运行产生极大的威胁。因此有必要研究非线性负载对电网产生的不利影响及抑制谐波的必要措施。为提高船舶电网的电能质量，降低电网谐波含量，必须采取有效的措施来解决谐波问题。通常解决方案可以分为主动型谐波抑制方法和被动型谐波抑制方法。

从接入电网的谐波源设备本身出发，限制其产生谐波的含量甚至不让其产生谐波的谐波抑制方案被称为主动型谐波抑制方案。常用的主动型谐波抑制方法主要包括：采用多脉冲整流器和准多脉冲整流器、合理配置谐波源、采用多电平技术、采用脉宽调制技术等。其中在交流电力推进系统中最广泛使用的是采用多脉冲整流器的谐波抑制方案。

通过外加滤波设备来达到谐波抑制的目的的谐波抑制方案被称为被动型谐波抑制方案。常见的被动型谐波抑制方案为采用电力滤波装置和采用灵敏度较高的谐波保护装置等。但是采用保护装置的谐波抑制方案，只能在谐波超标时断开用电设备与电网的连接，只能被动地采取保护措施，不能确保设备的正常工作[1]。

1 有源电力滤波器

有源电力滤波器是一种向电网注入补偿谐波电流，用来抵消负荷所产生的谐波电流的滤波装置，具有高可控性和快速响应性，能够做到适时补偿，且不增加电网的电容元件，具有比无源滤波器更好的滤波效果，但是成本较高。与无源滤波器（以下简称PF）相比，有源滤波器（以下简称APF）具有以下一些优点：

a）滤波性能不受系统阻抗的影响。

b）不会与系统阻抗发生串联或并联谐振，系统结构的变化不会影响治理效果。

c）原理上比PF更为优越，用一台装置就能完成各次谐波的治理。

d）实现了动态治理，能够迅速响应谐波的频率和大小发生的变化。

e）由于装置本身能完成输出限制，因此即使谐波含量增大也不会过载。

f）具备多种补偿功能，可以对无功功率和负序进行补偿。

g）可以对多个谐波源进行集中治理。

2 谐波源

根据谐波源的性质，可将电力系统的谐波源分为两类，即电流源型谐波源和电压源型谐波源。由于理想电流源的内阻为无穷大，要想对电流源型谐波进行抑制，只能采用并联型滤波装置进行分流；反之，想要对理想电压源型谐波源进行谐波补偿只能采用串联型滤波装置。虽然实际系统中并不存在理想的谐波源，但是，滤波器的滤波效果与成本依然会因谐波源是偏于电压源还是偏于电流源的性质不同而有所不同。因此，要想能够合理选择串联型滤波器或并联型滤波器，我们应当首先研究清楚谐波源性质。而对于用户来说，选取哪种电力滤波器往往与谐波的来源有关。从系统侧来的谐波更多的是电压源性质，应采用串联型滤波器进行抑制；而用户自己产生的谐波，则基本上属于电流源性质，应进行并联滤波[2]。

3 基于并联型APF的谐波抑制方案

3.1 并联APF的构成和原理

并联型APF由指令运算电路、驱动电路、电流跟踪控制电路和主电路四部分构成，如图3中所示。

指令运算电路的作用是通过实时监测出系统中的谐波分量，进而得到补偿电流；电流跟踪控制电路将系统实际补偿电流与指令电流相比较后得到开关器件的通断信号，从而控制驱动电路的输出电压，保证有源滤波器补偿的高效性和实时性。并联型APF的拓扑结构如图4所示。

图3 并联型APF结构原理图

图4 并联型APF电路拓扑结构图

在本文中，推进系统中有非线性负载，造成电网电流含有大量的谐波分量，电流的谐波会传到400V电网侧。APF达到的目标是使日用负载的电压波形和电流波形接近于正弦波，因此需要补偿推进系统的谐波电流。APF检测出的谐波分量反极性后生成补偿电流的指令信号，进而由主电路产生补偿电流，与非线性负载的谐波电流相抵消，最终得到较为理想的电网电压和电流，从而得到期望的日用负载电压。

3.2 并联型APF的控制原理

三相并联型APF的原理图如图3‑3所示。本系统中，并联型有源电力滤波器主电路采用SVPWM电压源型变换器，逆变器开关器件采用IGBT模块，开关频率为10 kHz。

根据图5的电压电流方向，根据基尔霍夫电流定理和电压定理，对于APF的交流侧电路，可以列出：

图5 并联型有源电力滤波器系统原理图

将式（3）变形为

由式（4）可知，输出电流在轴和轴的分量间存在耦合，不利于系统控制。为了可以起到良好的补偿作用，本文中对并联APF的控制系统应用了输出电流解耦和电网电压前馈的双闭环控制策略，电流环的控制结构如图6所示。

结合式（4）和式（5）可得

经过解耦，逆变器交流侧轴和轴为两个独立的系统，使控制结构大大简化。

图6 电流环控制结构图

3.3 并联型APF主电路参数设计

APF主电路参数设计包括电力电子器件的选取、直流侧电压选取和交流侧电感选取。在本文设计的APF中，直流侧的电压为应大于APF与供电系统连接点的相电压峰值的三倍。在实际系统应用中，采用开关速度较快的电力电子器件，这样能够使并联APF的补偿电流能够快速跟踪指令电流。同时，电力电子器件的电压和电流等级需要根据并联APF的容量选择。

由并联APF的工作原理可知，在交流侧和直流侧的电压稳定的前提下，跟踪电流的波形主要取决于器件的开关频率和交流侧进线电抗器的大小。对开关频率来说，开关频率偏低会使跟踪电流的纹波成分加大，但频率过高会使开关损耗增大。因此，应该根据实际情况选择合适的开关频率。本文中选用开关频率为10kHz，开关器件选用IGBT。而选取交流侧进线电抗器时应当考虑APF对指令电流的跟踪能力以及跟踪指令电流纹波的要求，电抗器的电感值过大时不能快速跟踪指令电流，电感值过小则会使滤波器的输出电流相对于指令电流有很大的超调。所以交流侧电感的选择与开关频率的选择有关系，在APF补偿对象一定的情况下，电感应该满足下列要求：

4 基于串联型APF的谐波抑制方法

4.1 串联APF的结构和原理

在三相对称系统中，为分析方便，采用系统的单相等效电路对串联型APF进行分析。图7是串联APF的单相电路结构图，以PWM逆变器作为有源电力滤波器的主电路，并通过变压器串进电网中，利用控制电路，产生与检测到的谐波电压成反比的谐波电压u，输出端电感、电容和电阻组成高次谐波滤波器，可以滤除功率器件的开关脉动。控制电路的功能主要有电压谐波的检测和计算、补偿电压指令的生成、主电路控制信号的产生以及开关器件的驱动。也就是说，控制电路需要实时检测出u中的谐波电压u，形成补偿电压指令u，从而驱动主电路，使逆变器实时产生与u成比例的谐波电压，进而达到实时跟踪补偿变化的谐波的目的[4]。

图7 串联型有源电力滤波器的结构图

4.2 串联型APF的数学模型

串联APF的数学模型与采用的主电路结构、直流侧储能单元以及脉冲驱动有关。本文以单相电压型串联APF为例分析，其等效电路如图8所示。

图8 单相串联逆变器模块

由图8，可以写出系统的状态方程为：

逆变器的输出电压与直流侧电压的关系如式（9）所示：

将直流侧电压的函数式与状态电压方程联立可得如下公式

因此单相串联逆变器的状态方程为

在分析的过程可以将逆变器等效为一个增益为的线性环节。因此可以用表示逆变器的输出与调制波的关系。可得到用传递函数表示的系统状态空间的模型框图，如图9所示。

4.3 输出电压反馈的控制系统

串联APF的主电路控制模式主要包括前馈控制模式和和电压反馈控制模式。虽然前馈控制具有较快的动态响应速度，简单的控制方法，但它只在一定范围内满足电压补偿的要求。基于电压反馈控制的输出电压瞬时值控制可以调节参考电压和输出电压的瞬时值之差，进而大大提高了输出电压的响应速度与动态性能，因此，本文中采用此方法进行电压控制。如图10所示，为电压输出瞬时值控制方法的系统框图。

图10 电压瞬时值反馈控制方式系统框图

4.4 输出电路参数计算

由于电感的增加会对控制器不利于负载适应的能力，另外，由于电感量的会减小负载处的短路容量，因此也希望电感量尽量小。且在电感量减小的情况下，APF必须要增加电容的容量以达到较好的滤波效果，会导致APF中的高频电流成分明显增加，在某一频率的电流成分可以描述为

从式（11）中可以看出，谐波电流成分随着电容的增加而线性增加，所以，开关器件的电流容量决定了滤波电容的大小，在保证开关器件正常工作的前提下，选择较大的滤波电容有利于电压纹波的减小。

5 结论

对于三相对称的船舶电网来说，非线性负载具有不对称和波动性的特点，将产生大量的谐波电流，不仅使得电网阻抗产生谐波压降，叠加在电网基波上后会引起电网电压畸变，而且破坏了电网的对称性，对电网自身正常运行产生极大的威胁，因此有必要研究抑制谐波的必要措施。为提高船舶电网的电能质量，降低电网谐波含量，必须采取有效的措施来解决谐波问题。

本文对非线性负载的输入电流谐波及输出电压谐波的基本特性及其抑制技术进行了理论分析，并重点讨论了有源电力滤波技术的输入侧谐波抑制方法。

[1] 马洪飞, 徐殿国. 消除PWM逆变器驱动交流电动机长线电缆影响的无源滤波技术[J]. 电工技术杂志, 2001(6): 1-3.

[2] Von Jouanne A, Rendusara D A, Enjeti P N, et al. Filtering techniques to minimize the effect of long motor leads on PWM inverter-fed AC motor drive systems[J]. IEEE Trans Ind Appl, 1996, 32(4): 919-926.

[3] 高强, 徐殿国. PWM逆变器输出端共模与差模电压dv/dt滤波器设计[J]. 电工技术学报, 2007, 22(1): 79-84.

[4] 郑丹, 张飞然, 沈志达, 等. 改进的变频器输出正弦波滤波器[J]. 计算机工程与设计, 2010, 31(19): 4312-4315.

Harmonic suppression method based on active power filter 14

Wang Bangqi

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TN713

A

1003-4862（2023）02-0047-05

2022-03-01

王帮奇（1989-），男，工程师。研究方向：船舶电气及自动化。E-mail: 675163923@qq.com