有源电力滤波器在配网电能质量控制中的应用

有源电力滤波器在配网电能质量控制中

的应用

摘要：对于整个电网而言，当非线性电力用户负荷出现后会产生谐波电流，

电网电压发生畸形的几率较高，严重影响了同线路相关用户的电力质量。长时间

以来，在电力系统中谐波治理问题都是一项十分关键的任务。传统谐波治理处理

方式，主要是采用以LC无源元件为核心的谐振装置，将其进行并联，利用无源

支路完全吸收低阻特性的谐波。谐振条件对线路阻抗的影响较为深刻，很容易因

为失谐致使滤波效果差强人意。随着PWM技术、全控性电力半导体器件的日益成熟，各种新型电力谐波治理装置不断涌现，其中具有代表性的是有源滤波器（APF）。重复控制这种控制算法主要是以内模原理为基础，其可以精准跟踪周

期性的参考信号，具有实现难度小、结构简单的特点，因此积极运用于有源电力

滤波器中。

关键词：有源电力滤波器；配网；电能质量；应用

1有源电力滤波器

有源电力滤波器是一种谐波电流滤波装置，它将补偿后的谐波电流引入电网，用于抵消负载形成的谐波电流。它具有高机动性和快速响应，可以实现适度补偿，并且不会改善电网的电容性组件。它比无源滤波器具有更好的滤波效果，但成本

较高。与无源滤波器（下称功率因数）相比，有源滤波器（下称APF）具有以下

优点：

a）滤波特性不受系统软件特性阻抗的影响。

b）与系统特性阻抗不易产生串联或串联谐振，系统结构的变化不会影响修

复的实际效果。

c）原则上，它比功率因数更优秀，可以用一个设备完成对每个谐波的处理。

d）动态调节已经完成，可以快速响应谐波数量和大小的变化。

e）因为设备本身可以完成输出限制，所以即使谐波分量扩大，也不会加载。

f）它具有各种补偿功能，可以补偿无功负载和负序。

g）能够对多个谐波源进行统一调节。

2有源电力滤波器在配网电能质量控制中的应用

2.1单相并联型APF的设计

2.1.1基于变换器直流侧电压的谐波电流检测法

并联型APF的变换器直流侧都有一个大电容，用于储存电能，其大小影响补

偿效果。基于变换器直流侧电压的谐波电流检测法的思路是，将电容电压与设定

的参考电压相比较，得到含有扰动量的信号，将该信号馈送到一个PI控制器中，该控制器能调整输入信号得到无扰动的输出信号，该输出信号就是负载电流基波

分量的幅值。电压源的单位矢量是从系统（电源）得到的，负载电流基波分量的

幅值乘以电压源单位矢量得到负载电流基波的参考信号，将该参考信号与负载检

测电流相比较即可获得补偿电流。这种方法的优点在于通过适当调整PI控制器

参数直接生成负载电流基波分量的幅值。

2.1.2滞环控制法

滞环控制法（Hysteresisbandcontroltechnique）是滞环比较跟踪控制技术

的简称，也叫作bang-bang控制或纹波调节器控制，该方法把输出电气量（电压

或电流）维持在内部参考电气量为中心的滞环公差h内。

APF中滞环控制法工作原理是：先对实际补偿电流信号与参考电流信号进行

实时的比较，之后再根据产生的偏差进行判断；偏差值为正时，补偿电流减少；

偏差值为负时，补偿电流增加；进而产生PWM信号，控制开关器件的关断。这种

方式下，改变PWM的占空比，就可以改变输出的补偿电流的幅值大小。

2.2复合控制

要想确保重复控制展现出最佳效果，需与其他控制方式关联，然后应用到有

源电力滤波器中。其一，与无差拍控制相结合，对无差拍形成的控制偏差进行修正，进而顺利获取到下一拍的输出电压，采取滞环、双滞环控制方式，有效解决

重复控制动态性能不足的情况；其二，与带积分状态反馈结合，然后设计输出电

压控制方案，可确保动态特性、精确度；其三，与有源阻尼结合形成的控制方式，能够在确保系统稳定以及稳态精度的基础上，制定科学合理的设计方案；其四，

与PI控制并联，且巧妙地使用到有源电力滤波器中。如果指令电流突然出现变化，PI控制会第一时间做出响应，跟踪指令，并重复控制，以此来有效避免稳态

误差的出现，这样除了能够展现出重复控制稳态精度高的特点之外，还能够彰显

出PI控制动态速度迅速的特征。这一种复合控制方法值得广泛推广。

2.3基于串联型APF的谐波抑制方法

2.3.1串联APF的结构和原理

在三相对称系统中，为了便于研究，选择了一个综合的单相电气闭合电路来

分析串联有源滤波器。脉宽调制逆变器电源用作有源电力滤波器的主电路，并通

过变压器串联连接到电网。控制电路用于产生与检测到的谐波电压成反比的谐波

电压。输出端口电感器L、电容器C和电阻R构成LCD高次谐波滤波器，可以滤

除电力电子设备的电源开关脉冲。控制电路的有效性主要包括电压谐波的检测和

计算、补偿电压命令的生成、主电路控制信号的形成以及开关器件的推广。换言之，控制电路必须实时监测每个人的谐波电压，以在uc中产生补偿电压命令，

然后驱动主电路，使逆变器电源立即产生与乌什成正比的谐波电压并从而达到实

时跟踪和补偿谐波变化的效果。

2.3.2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反馈动作模式和电压反馈调节模式。虽

然反馈函数具有快速的动态响应时间和简单的控制措施，但它只能在一定范围内

满足电压补偿的要求。根据由电压反馈调节的输出电压的瞬时值操作，可以调节

参考电压的瞬时电压值与输出电压之间的差值，从而大大改善导出电压的响应时

间和动态特性。因此，本文选择了这种方法来执行电压操作。