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有源电力滤波器综述
有源电力滤波器综述
摘要：
在现代电力系统中，大量电力电子设备产生的谐波严重影响到整个电力系统的安全、稳定运行。
其危害主要表现为:
导致变压器和发电机的过热;导致继电保护装置的误动作;加速电容器、电缆等设备老化;干扰通信系统等。
目前，有源电力滤波器（ActivePowerFilter,APF）已成为治理谐波污染的有效工具之一，其原理是在准确检测电压或电流中谐波成分的基础上，控制PWM变流器快速跟踪，产生与原有谐波大小相等、方向相反的补偿分量，以抵消掉谐波。
APF的控制方法对于快速准确地补偿谐波至关重要。
本文根据APF装置的不同特点和不同控制方法进行了分类研究，详细分析了各种方法的优缺点，并对APF控制方法的发展方向进行了展望。
关键词：
APF装置分类控制方法谐波抑制
1概述
随着电力电子装置的大量使用，电力系统的谐波和不对称问题日益严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生。
因此，需要对电网谐波才去有效的抑制措施。
传统方法使用无源滤波器，为了避免对电力线路的干扰，传统的解决方法是在换流站侧并联多组LC谐振型无源滤波器来抑制谐波。
由于所有滤波器在工频下都呈容性阻抗，因此滤波器装置除了抑制谐波以外，还可以兼作无功功率补偿之用。
但是，无缘滤波器存在许多缺点，主要有无源滤波器体积庞大，价格昂贵，运行费用比较高，交流系统的运行频率随系统的负荷条件变化，这要求无源滤波器具有较好的适应性，但较大的无源滤波器将使系统的动态性能和过渡过程中的跟踪精度恶化，还可能引起系统振荡。
无源滤波器的效果相对依赖于系统的阻抗值，因此当交流系统的阻抗非常小时，将难以获得满意的滤波效果。
目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器（ActivePowerFilter，APF）。
APF是一种可以动态地抑制谐波和补偿无功的电子装置，对大小和频率都变化的谐波和无功进行补偿，其应用可以克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点。
APF系统的原理图如图1所示。
是电压
中的a相电压，负载为谐波源，产生谐波并消耗无功，
为APF直流侧电容的电压，
、
分别为负载侧、网侧的a相待测电流，
为有源滤波器a相的补偿电流。
APF检测补偿对象的电压和电流，计算出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波电流抵消，最终得到期望的电源电流。
图1并联型有源电力滤波器原理图
2APF分类
2.1根据功率等级和响应速度分类
为了实现相应的补偿功能，补偿系统的功率等级和响应速度决定了APF的控制策略。
功率等级与响应速度之间有着密切的相互联系。
通常，响应速度越快系统花费的成本越高。
2.1.1低功率等级应用
功率低于100kVA的系统属于低功率等级应用，使用范围主要包括民用住宅、商业大楼、医院、小规模到中等规模的工业负载和驱动系统。
这些系统通常采用技术比较复杂的动态有源滤波器，尤其是多脉冲PWM电压源逆变器或电流源逆变器系统，其响应时间比较短，系统的补偿功率也比较小。
1）单相有源电力滤波器主要运用于低功率等级场合，如:
计算机负荷较多的商业大楼、教学大楼、小规模工业等。
对于这些应用环境，由于大量使用单相负荷，使得中性线谐波电流含量较大，随着负荷的变化应该提供灵活的补偿方式。
因而可以直接在分散的谐波电流源处使用小容量有源电力滤波器进行补偿，而不需要在电源输人端使用大容量有源电力滤波器。
而且，由于单相有源电力滤波器处理容量低，因而工作频率较高，补偿性能较好。
2）对于三相系统的应用场合，根据三相负载是否平衡而采用不同的有源电力滤波器电路结构。
当功率等级相对较低时，如:
100kVA，可以使用三套单相系统进行补偿，也可以使用一套三相系统进行补偿。
当三相负荷平衡时，有源电力滤波器不需要平衡三相负荷的电流或电压，只需对谐波电流进行补偿，可以采用三相逆变器电路结构。
当三相负载电流不平衡或三相电源电压不对称时，尤其在三相四线制系统或不需要三相桥逆变器的系统中，可以采用三套单相逆变器电路结构进行补偿。
2.1.2中等功率等级应用
功率从100kVA到lOMVA的三相系统属于中等功率等级应用，其范围包括中等电压等级和高电压等级配电网络、高电压大容量驱动系统。
对于这些系统，其三相不平衡的影响基本可以忽略，因而主要的补偿目标是减小或消除谐波电流。
在高电压配电网中，由于电压等级较高以及相关的高压绝缘问题，出于系统运行经济性的考虑，通常不使用APF补偿无功功率，而是采用其他的方法，如:
静止无功补偿器、可调谐滤波器、同步调相机等无功补偿装置。
2.1.3高功率等级应用
由于高频工作的功率器件所能处理的功率等级较低，因而制造高功率等级的APF成本较高。
通常，大容量的功率器件只能达到几千伏的耐压，通过功率器件的串并联可以提高耐压等级，但需要增加额外的均压电路、保护电路等，实现较困难，成本高。
然而，与低功率等级应用情况不同的是，对于功率等级超过lOMVA的高功率等级应用场合，如:
超高压直流输电线路、超大容量直流驱动系统等，其谐波污染不是主要问题，主要的补偿目标是补偿无功功率。
低压侧产生的谐波由小容量或中等容量的APF消除，无功功率补偿可以使用静止无功补偿器、并联同步调相机组、采用基于串联多电平逆变器单元的静止无功补偿装置等。
系统的响应时间在10秒范围内，只要采用优化的开关控制策略，接触器、断路器都可以正常工作。
日本的“子弹列车”（Sinkansen）是APF在高功率等级应用的实例之一，其将几组APF并联使用，滤波器组的控制策略和滤波器组之间的协调机制非常复杂。
2.2根据主电路的电路结构和连接方式对APF进行分类
APF主电路的电路结构不同，采用的控制策略和适用的功率等级也不同，因而主电路的电路结构决定了APF的应用场合。
2.2.1并联型APF
在工业应用中，大量使用并联型APF，其以并联的连接方式接人系统，如图2所示，抑制负载注人系统的谐波电流，也可以使用并联型APF补偿无功功率、平衡负载的三相电流。
其优点为:
电流负荷只包括补偿电流分量，以及用于补偿系统损耗的基波有功电流分量。
在补偿电流数值较高的应用场合，可以将几组APF，并联使用，适用范围较广。
图2并联型APF的连接图
并联型APF可以大致分为四种类型，即:
桥式逆变器结构、开关式电容器结构、晶格式滤波器结构和电压调节器结构。
2.2.2串联型APF
串联型APF通过所产生的PWM电压波与电源电压相加减，从而使负载的电压波形为正弦波，电路结构如图3所示，其逆变器采用无电流控制回路的电压源逆变器。
与并联型APF相比，串联型APF的负荷电流较大，尤其在祸合变压器的低压侧，从而使得损耗和变压器体积增大，在工业应用中使用较少。
串联型APF主要运用于提高供电系统的电能质量，如:
消除谐波电压、平衡负载的三相电压，从而为负载提供正弦的电压波形，使得对电压波形畸变较敏感电子设备能够正常工作。
图3串联型APF的连接图
2.2.3混合型APF
2.2.3.1并联型APF和串联型APF的结合
为了充分发挥并联型APF和串联型APF各自的优势，可以将二者结合构成混合型APF系统，如图4所示。
但由于其成本高、控制策略较复杂，不仅要考虑并联型APF的开关控制模式，还要考虑串联型APF的开关控制模式。
因而，该结构的APF使用较少，主要运用于柔性交流输电系统（FlexibleACTransmissionSystem，FACTS）。
图4串联型APF和并联型APF的结合
2.2.3.2串联型APF和并联型无源滤波器的结合
为了简化上述混合型APF的控制策略，可以采用串联型APF和并联型无源滤波器的结合方式。
该结构中，串联型APF对高频谐波分量呈现高阻抗，因而由并联型无源滤波器为负载的谐波电流提供通路。
通过该组合方式提高了串联型APF的性能，同时还扩展了其补偿功能，不仅可以抑制谐波电流，而且还可以消除谐波电压。
2.2.3.3并联型APF和并联型无源滤波器的结合
该结构混合型APF是APF和无源滤波器结合的重要方式，在设计滤波器时，并联型APF只需抑制部分的低次谐波电流，而大量的负载谐波电流由并联型无源滤波器消除，从而可以提高补偿系统的容量等级，降低系统成本。
但对于该组合方式，功率器件数量太多，而且无源滤波器始终连接在系统上，因而只适合于单相静态谐波负载。
2.3根据补偿变量对APF进行分类
在电力系统中，安装APF是为了减小电力污染、改善电能质量等。
对于不同的补偿对象，可以采用不同的系统参数进行描述，因而，可以根据补偿变量对APF进行分类。
2.3.1无功功率补偿
一方面，许多学者认为不适宜采用APF对无功功率进行补偿，但是，在功率因数校正应用场合，通常都需要同时抑制电流谐波。
另一方面，有许多成本较低、响应速度慢的无功功率补偿装置可运用于功率因数校正场合，因而，无需使用APF。
如果要采用APF补偿无功功率，也只能运用于低功率等级场合，因为，补偿无功功率时，APF产生的补偿电流与负载电流幅值相当。
如果不使用其他功率因数校正装置，如:
晶闸管控制电抗器、晶闸管投切电容器等，而仅仅使用APF补偿无功功率，将增加系统成本，对复杂设备形成浪费。
2.3.2谐波抑制
在电力系统中，谐波抑制是非常重要的问题。
通常可以分为两个方面:
电压谐波抑制和电流谐波抑制。
2.3.2.1电压谐波抑制
供电电源的阻抗通常很小，所以，学者们很少研究电压谐波抑制问题。
而且，对于终端电力用户而言，电压不会随着负荷的增减而变化太大，电压相位和总谐波畸变率一般都符合相关的限制标准。
但是，对电压畸变比较敏感的负载，如:
电力系统继电保护装置、超导磁性存储设备等，其对电压波形正弦性的要求较高，电压谐波抑制问题就显得非常重要。
而且，对于在谐波频率点会发生谐振的非线性负载而言，电压谐波抑制和电流谐波抑制通常同时存在，负载接人点电压谐波含量的降低，有助于电流谐波含量的降低。
2.3.2.2电流谐波抑制
在低功率等级和中等功率等级应用中，电流谐波抑制非常重要，电流谐波抑制的程度与谐波源接人点电压波形畸变的程度有很大关系。
同时，系统电流幅值的大小和电流波形畸变的程度也是电力系统设计的依据，由于非线性负载的电流有效值与各次谐波电流有效值的平方和有关，因而为了减小系统的损耗，应尽量减小系统总电流的有效值，即:
降低系统的电流谐波含量。
2.3.3平衡三相系统
在低电压等级和中等电压等级的配电网中，三相系统的电流和电压经常幅值不相等、空间相位差不等于1200，即:
三相系统不平衡。
2.3.3.1平衡三相系统的电压
系统三相电流不平衡的程度和三相系统电源阻抗的大小，对三相系统不平衡的状况有很大的影响，这些因素使得系统三相电压的幅值和空间相位差不相等。
可以根据正弦的电压参考信号波形，在每一相中加人相应的瞬时电压而平衡三相系统的电压，其主要适合运用于低容量等级的系统，因为中等容量等级和高容量等级系统，电源阻抗对系统性能影响较小。
2.3.3.2平衡三相系统的电流
类似于平衡三相系统电压的情况，平衡三相系统的电流通常也只适合于低容量等级的系统。
这是因为在民用低压供电网中，三相系统不平衡的程度决定了注人电网的电流大小。
为了平衡三相系统的电流，必须提供相应数量等级的补偿电流，但是，该类用户通常都是采用三套单相H桥结构的逆变器构成补偿系统的主电路，因而补偿系统的容量较低。
3有源电力滤波器的传统控制方法
3.1滞环电流控制方法
滞环电流控制（HysteresisCurrentControlHCC）是目前在APF控制中应用最广泛的一种非线性闭环电流控制方法，它利用滞环比较器形成一个以给定电流为中心的死区，通过反馈电流与指令电流的滞环比较误差来控制PWM变流器的开关动作。
滞环电流控制结构简单、响应速度较快，但其固定的滞环宽度导致开关频率的波动较大。
另外，对于无中线的三相逆变器，三相间的控制不独立，造成了相间的干扰。
对滞环控制的改进主要集中在定频化、矢量化方面。
3.2三角波脉宽调制方法
三角波脉宽调制方法（TriangularCarrierControl,TCC）是一种由瞬时值比较法衍生出的线性控制方法，它将实际的APF输出电流与指令电流的差值经过比例放大，然后再经高频三角载波进行调制输出PWM开关控制信号，得到需要补偿的电流。
与滞环控制相比，三角载波控制的开关频率固定，但其动态响应相对较慢。
同时，三角载波的频率对滤波器的补偿效果影响较大。
当频率较低时，控制精度低，跟随误差较大，开关损耗较小；频率较高时，控制精度高，跟随误差小，但开关损耗较大。
3.3空间矢量脉宽调制方法
空间矢量脉宽调制方法（SpaceVectorPulseWidthModulation,SVPWM）将三相整流器件作为一个整体来考虑，通过控制与参考矢量最接近的三个开关矢量组合的作用时间，使一个控制周期内开关矢量输出的平均效果与参考矢量相等。
该方法物理概念清晰，适合用数字化方案实现。
采用基于DSP的SVPWM方法控制APF，可以通过优化开关矢量降低开关频率和减小交流侧电流的谐波畸变率，同时SVPWM方法相对于其他控制方法具有较高的直流侧电压利用率。
但常规空间矢量调制方法需要复杂的坐标变换和反正切函数计算等，导致了计算量很大。
3.4单周控制方法
单周控制（One-CycleControl,OCC）是一种非线性控制方法，其基本思想是:
在每个周期内控制开关的占空比，使开关变量的平均值与控制参考信号相等或成一定比例，从而消除稳态和瞬态误差。
单周控制可以仅作为一种调制技术实现对PWM变流器的控制，也可以作为一种控制策略实现对整个有源电力滤波器的控制。
当对滤波器进行控制时，其关键在于建立单周控制的数学模型，确立控制关系，通过改变PWM开关的有效占空比来满足所有负载等效为电阻性负载的控制方程。
单周控制用于APF控制时具有响应迅速、开关频率恒定、鲁棒性强等优点，但单周控制易受电路工作条件变化的影响，即使在器件参数误差很小的情况下，噪声干扰也会导致控制电路的条件发生变化，导致系统的稳态输出精度不高。
3.5预测控制方法
预测控制（PredictiveControl,PC）是一种基于模型的优化闭环控制算法，它既利用当前和过去的偏差值，也利用预测模型来预估未来的偏差值，并据此滚动确定当前的最优输入策略。
受软硬件条件的限制，现有的谐波检测方法均存在时延问题，检测出的结果一般存在超过1/6周期的时延，这给APF控制带来较大的困难。
对谐波电流进行预测控制是提高APF跟踪、补偿效果的一种有效方法。
预测控制吸取了优化控制的思想，利用滚动的有限时段优化取代固定的全局优化，具有很好的鲁棒性，但目前所提出的预测控制方法普遍采用二次型性能指标的优化策略来求解预测控制问题，控制系统的设计较复杂。
3.6无差拍控制方法
无差拍控制（Dead-BeatControl,DBC）方法是一种全数字化的控制技术，它根据系统的状态方程和当前的状态信息推算出下一采样周期的开关控制量，最终达到使输出量跟踪输入量的目的。
无差拍控制方法主要用于整流器、电机驱动等参考波为正弦的情况，因为其具有数学推导严密、跟踪无过冲、动态性能好等优点，近年来也有文献将其用于APF的控制上。
无差拍控制方法能快速跟踪电流的变化，适合快速暂态控制，但其是一种基于对象精确模型的控制方法，其控制效果很大程度上依赖与控制器参数和系统参数的配合，而电路参数的波动等会造成控制器的不匹配，产生较大的跟踪误差。
4有源电力滤波器的现代控制方法
4.1人工神经网络控制
理论上，人工神经网络（Artificialneuralnetwork,ANN）可以实现任意的非线性映射，电压源型逆变器电流控制本身就是一个非线性控制过程，是从电流到器件开关模式的一种非线性映射，因此通过神经网络可以实现这一控制人工神经网络方法将负载电流、直流侧参考电容电压与系统电压输入神经网络就能得到参考电流，不需要复杂的坐标转换，也不需要滤波器，因此在一定程度上减少了计算时延，但离线训练和初始化带来的时延问题是无法避免的。
4.2滑模变结构控制方法
滑模变结构控制（SlidingModeControl}SMC）是一种根据系统状态偏离滑模面的程度来改变控制器的结构从而使系统按照滑模规定的模式进行运行的一种控制方法。
滑模变结构控制本质上是一种开关控制，它要求频繁、快速地切换系统的控制状态，而PWM整流器的工作模式便是“开-关”模式，因此利用滑模变结构方法控制有源电力滤波器是可行的。
滑模变结构控制有较快的响应速度和很强的鲁棒性，具有很好的研究前景，如何有效削弱抖振、减小其稳态误差则需要做深入的研究。
4.3无源性控制方法
无源性控制（Passivity-BasedControl,PBC）是在对系统耗散性和无源性研究的基础上发展起来的一种控制方法。
对于给定的能量供给率，如果存在一个依赖于系统状态的非负能量存储函数，使得耗散不等式（即系统能量损耗总是小于能量的供给率）成立，则称该系统是耗散的。
无源性问题正是供给率为输入输出信号之乘积形式的特例，它从能量守恒的角度出发，以输入输出的方式来描述控制系统。
由于无源性控制中构造的正定存储函数在一定条件下可以作为保证闭环系统稳定的Lyapunov函数，因此无源性控制可以作为研究非线性系统控制的有效工具。
无源性控制方法应用到APF时，需要建立系统的误差模型并定义其能量存储函数，通过注入非线性阻尼确保误差系统的渐近稳定，最终使电源电流渐近收敛至参考值。
无源性控制从能量守恒的角度出发来解决系统的稳定性问题，具有很好的鲁棒性。
但由于开关器件的存在，无源化控制方法在开关损耗和能量函数的确定上仍然需要深入的研究。
4.4非线性解祸控制
对于祸合多变量非线性系统，利用微分几何理论可以通过非线性坐标变换和非线性状态反馈实现非线性系统在局部范围甚至全局范围内的线性化。
APF的三相电流和直流侧电容电压间存在祸合关系，同时开关器件的存在使得系统呈现非线性，因此APF的控制系统是一种多变量藕合的非线性系统。
利用非线性祸合控制可以实现APF控制系统的精确线性化和解祸控制。
但其可处理的非线性系统类别比较局限，计算复杂，同时该方法不能保证系统的全局稳定性，还必须对其稳定性做进一步的研究。
5有源电力滤波器的发展
控制方法是有源电力滤波器技术研究的热点，同时也是有源电力滤波器工程实现的关键技术。
从现有的文献可看出，传统的控制方法控制规律较简单，响应速度较快，而现代控制方法鲁棒性较强，稳态特性较好，并且可以预见随着DSP技术的快速发展，适合复杂控制的现代控制方法会得到更加深入的研究和应用。
在研究现代控制方法应用于APF时需要考虑以下几点:
（1）APF对谐波电流的跟踪需要开关器件在有限的开关模式下以极高的频率轮换运行，但开关器件只能工作在一定的频率内，如何在允许的开关频率下使APF输出电压、电流最大限度的逼近参考指令值仍然有待深入研究;
（2）APF的快速动态响应有赖于谐波电流检测方法与控制方法的结合，由于检钡」谐波电流的过程存在时延，因此在研究控制方法时应该尽量减少这种时延;
（3）APF补偿对象复杂多变且具有不同的谐波特性，因此有必要对运用于不同谐波电流特性的控制方法进行深入研究。
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