有源电力滤波技术的国内外现状分析及其改进措施

有源电力滤波技术的现状分析及其改进方法
摘要：随着非线性负荷广泛使用，电能质量在不断下降。

而有源电力滤波技术是解决该问题的有效手段。

本文首先介绍有源电力滤波器（APF：Active power filter）的组成和分类，然后论述有源电力滤波器的两个关键性技术，最后对它的发展前景进行分析。

关键词：有源滤波技术、电流谐波、电流控制方法
正文：随着电力电子技术不断发展，电网中增加了大量的非线性负载，特别是大容量变流设备的使用，导致大量谐波注入电网，使得电网电压和电流波形发生畸变，电能质量日益下降，电网谐波已成为电网一大公害。

随着电力电子技术及控制技术的不断发展，大功率可关断器件（GTR、GTO、IGBT等）不断使用，以及对非正弦情况下无功功率理论研究深入，使得APF开始在民用设备上使用，且单机装置的容量逐步提高，其应用领域从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展。

APF的组成及分类
１．组成
最基本的并联型APF系统主要由两大部分组成——指令电流检测电路与补偿电流发生电路（由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分构成）。

２．分类
从不同角度出发，APF具有不同的分类标准。

１）根据应用场合不同，APF可以分为有源直流滤波器和有源交流滤波器两大类。

前
者主要用来消除高压直流系统中换流器直流侧的电流、电压谐波；后者则应用于交流电力系统。

２）根据逆变器直流侧储能元件不同，ＡＰＦ又分为电流型和电压型。

电压型ＡＰＦ效率高，投资少，可任意并联扩容，易于单机小型化，经济性优，适用于电网谐波补偿，因此目前实用装置九成以上是电压型。

３）根据ＡＰＦ与电网连接方式不同，ＡＰＦ可以分为并联型、串联型、混合型和串－并联型。

目前并联ＡＰＦ在技术上已经成熟，它是当前应用最广泛的ＡＰＦ拓扑结构。

串联型ＡＰＦ与并联型ＡＰＦ相比前者损耗大，且各种保护电路也复杂。

因此，很少研究单独使用的串联型ＡＰＦ，而大多数将它作为混合型ＡＰＦ的一部分予以研究。

而串－并联型ＡＰＦ组合了串联ＡＰＦ和并联ＡＰＦ的优点，能解决电气发生的大多电能质量问题，所以又称之为万能ＡＰＦ或统一电能质量调节器（ＵＰＱＣ）。

但是该类ＡＰＦ尚处在试验阶段，主要问题是控制复杂，造价高。

APF的关键技术
指令电流的检测方法和补偿电流的产生是有APF的两个关键技术。

１．检测方法
1）瞬时空间矢量法
它是目前ＡＰＦ中应用最广的一种指令电流检测方法。

该理论现已包括ｐ—ｑ法，ｉｐ—ｉｑ法以及ｄ—ｐ法等。

其中ｐ—ｑ法最早应用，仅适用于对称且无畸变的电网；而ｉｐ—ｉｑ法既对电网电压畸变有效，同时适用不对称三相电网；基于同步旋转变换的ｄ—ｐ法不仅简化了对称无畸变下的指令电流运算，而且也适用于不对称、有畸变的电网。

2）自适应检测法
该方法从负载电流中消去基波有功分量，从而得到所需补偿的电流值。

该方法的优点是对电网电压畸变、频移及电网参数变化有较好的自适应调节能力，缺点是其动态响应较慢。

3）基于神经网络控制法
该方法是随着神经网络理论在系统中的应用而发展起来的一种新型智能控制检测手段。

人工神经网络自学功能性强，把进化算法和反向传播用于神经网络的训练，不仅避免了对于给定补偿电流的复杂计算，而且有较广的适应性。

可用于补偿单相、三相三线或三相四线制非线性负载系统。

从以上检测方法看，瞬时空间矢量法简单易行，性能良好，并已经趋于完善和成熟，目前占主导地位。

自适应检测法和基于神经网络控制法是否能应用于工程实际，还需进一步研究验证。

２．补偿电流的产生
补偿电流的产生采用基于PWM的电压源逆变器（VSI），其电流控制方法有以下几种。

１）三角载波线性控制
这是一种最简单的线性控制方法。

它以指令电流与实际补偿电流之间的差值作为调制信号，与高频三角载波比较，从而得到逆变器开关器件所需要的控制信号。

优点是动态响应好，开关频率固定，电路简单。

缺点是开关损耗大，且输出波形中含有载波频率及其谐波频率的高频畸变分量。

２）滞环比较控制
它是将指令电流值与逆变器实际电流输出值之差输入到具体滞环特性的比较器，通过比较器的输出来控制开关的开合，从达到逆变器输出值实时跟踪指令电流值。

它具有开关损耗小，动态响应快等特点。

缺点是系统的开关频率、响应速度及电流的跟踪精度会受滞环带宽影响。

３）无差拍控制
这是一种全数字化的控制技术，利用前一时刻的指令电流和实际补偿电流值，根据空间矢量理论计算出逆变器下一时刻应满足的开关模式。

优点是动态响应快，易于计算机执行。

缺点是计算量大，且对系统参数依赖性大。

以上控制方法中，三角载波线性控制法和滞环比较控制法是目前有源电力滤波器普遍采用的方法，可以通过多重化技术、适应滞环等改进措施来克服固有的缺陷，提高使用效率。

无差拍控制法随着数字信号处理器（ＤＳＰ）运算速度的不断提高，也将在有源电力滤波器中得到广泛的应用。

APF的发展动向
APF作为改善电能质量的一项关键技术，在发达国家已经得到高度重视和日益广泛的应用。

然而，有源电力滤波器技术目前还不够十分完善，在实际应用中还有许多问题需进一步研究解决:提高装置容量，解决控制系统延时，设备低损耗，高补偿效果及性能，提高性价比等。

基于解决这些问题的要求，ＡＰＦ技术近期的研究主要集中在以下二个方面。

１）控制系统的简化和数字化
为了达到更好的补偿效果，APF的控制电路必须实时准确地检测电网的谐波电流所产生补偿电流。

目前控制电路多为模拟电路，其线路繁琐、结构复杂，因此很多学者一直在寻找比较简单的方法来实现它。

随着高速数据处理芯片ＤＳＰ接口功能的日趋完善及先进控制方法的不断成熟，用数字化方法来实现这部分工作的研究正在进行。

２）降低装置容量，提高补偿效率
APF最基本的是并联型，其容量取决于与装置连接的交流回路电压有效值与补偿电流有效值的乘积。

APF的价格要远远高于无源滤波器，为降低补偿装置的投资，主要办法就是降低有源电力滤波器的容量。

目前的方法是将APF和无源滤波器混合使用，用无源滤波器滤除谐波源中主要的谐波电流，用APF来提高总体的补偿效果，这就是混合型有源电力滤波器。