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有源电力滤波器的现状分析及改进方法

作者：张炜 李艳

来源：《电子技术与软件工程》2015年第24期

摘 要随着非线性负载的广泛应用，电能质量也在不断下降。有源电力滤波器技术是解决这一问题的有效手段。本文介绍了有源滤波器（APF：Active power filter）的组成和分类，并对有源滤波器的关键技术进行了讨论。

【关键词】有源滤波技术 电流谐波 电流控制方法

随着电力电子技术的发展，大量的非线性负载被添加到网络中，特别是大容量变流设备的应用，使得电网电压和电流波形畸变、电网电压和电流波形畸变、电网谐波已成为主要的公共危害。

随着电力电子技术和控制技术的发展，GTR（GTO，IGBT，等等），以及在非正弦条件下的无功功率理论，使有源滤波器开始用于民用设备，且单元的容量是逐步提高，其应用领域是从用户自身的谐波补偿，向提高供电质量方向发展。 1 有源滤波器的组成及分类 1.1 组成

最基本的并联型有源电力滤波器系统由两部分组成：指令电流检测电路和补偿电流（电流跟踪控制电路，驱动电路和主电路三部分）。 1.2 分类

从不同角度看，有源滤波器具有不同的分类标准。

（1）根据应用情况，有源滤波器可以分为两类：有源直流滤波器和有源滤波器。前者主要用于消除在直流侧的电流和电压的谐波，后者在交流电源系统中使用。

（2）根据逆变器直流侧储能元件，电流型和电压型是有源电力滤波器两种分类。电压型有源滤波器具有效率高、投资低、可以任意的平行扩展等优点，适用于电力网谐波补偿。因此，大部分都是电压型。

（3）串联型并联型这几种不同的方式。目前，并联型APF在技术上是成熟的，它是最广泛使用的有源电力滤波器的拓扑结构。串联型有源电力滤波器和并联型有源电力滤波器比损耗大很多，保护电路也很复杂。因此，一些研究已经使用了串联有源滤波器，它只是混合有源滤波器的一部分。

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串联和并联型有源滤波器结合了串联型和并联型有源电力滤波器的优点，可以解决电能质量问题，因此被称为通用型或统一电能质量调节器（UPQC）。但是有源滤波器仍在试验阶段，主要问题是复杂的控制，成本高。 2 有源滤波器的关键技术

两个关键技术是指令电流检测方法的和补偿电流的产生。 2.1 检测方法 2.1.1 瞬时空间矢量法

这是一种最广泛使用的电流检测方法在有源电力滤波器。目前的理论主要包括p-q法，ip-iq法以及d-p法，其中p-q法最早应用，仅适用于对电网电压的对称性和非失真性，以及对电网电压畸变的有效性，并适用于非平衡的三相电网。基于同步旋转变换的d-p方法不仅简化了指令电流的计算，而且也适用于非对称和畸变的网格。 2.1.2 自适应检测法

在该方法中，基本波的有源元件被消除从负载电流，并得到所需的补偿的电流值。这种方法的优点是：对电压畸变、频率漂移和网络参数具有较好的自适应调节能力，缺点是动态响应慢。

2.1.3 神经网络控制方法

该方法是一种新的智能控制方法，在系统中应用神经网络理论发展。人工神经网络的自学习功能强、进化算法和神经网络训练后的反向传播，不仅避免了给定的补偿电流的复杂计算，而且还具有广泛的适应性。可用于补偿单相、三相三线或三相四线系统非线性负载系统。 在上面的检测方法，瞬时空间矢量方法简单，易于操作，性能良好，并已成为更完美和成熟，目前占主导地位。将自适应检测方法和神经网络控制方法应用于工程实际，需要进一步研究验证。

2.2 补偿电流的产生

补偿电流用电压源逆变器（VSI）基于PWM的产生，电流控制方法有以下。 2.2.1 三角载波线性控制

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这是最简单的线性控制方法之一。所用的指令电流与实际补偿电流之间的差作为调制信号，并与控制信号进行了比较。它的优点是良好的动态响应，恒定的开关频率，简单的电路。缺点是开关损耗大，输出波形的高频失真分量包含载波频率和谐波频率。 2.2.2 滞环比较控制

它是一个差分输入到一个特定的滞后比较器的输出电流值的命令电流值和实际逆变器。通过比较器的输出，控制开关接通和关断，逆变器的输出值是实时实现的。具有开关损耗低，动态响应快等。其缺点是开关频率的跟踪精度、响应速度和系统的电流受滞环的影响。 2.2.3 无差拍控制

这是一个全数字控制技术，采用了第一次的指令电流和实际的补偿电流值，根据空间矢量理论计算出的开关模式下一个时刻应满足。优点是动态响应快速且易于执行。缺点是计算量大，系统参数依赖度高。

在上述控制方法中，三角载波线性控制方法和滞环比较控制方法是常用的有源电力滤波器的方法。它可以克服固有的缺陷，并通过使用多个技术和适应的滞后提高使用效率。随着数字信号处理器的不断完善，控制方法将被广泛应用于有源电力滤波器中。 3 有源滤波器的发展动向

作为一个关键的技术来提高电能质量，有源电力滤波器已得到高度重视和广泛应用于发达国家。然而，有源电力滤波器技术尚不完善，仍有许多问题需要进一步研究和解决：提高设备的容量，解决了控制系统的延迟，损耗低，补偿效果和性能等。在实际应用中。基于解决这些问题的要求，在不久的将来研究有源滤波器技术主要集中在以下两个方面。 3.1 控制系统的简化与数字化

为了达到更好的补偿效果，有源滤波器的控制电路必须实时、准确地检测谐波电流在电网中产生。目前，控制电路是模拟电路，电路复杂，结构复杂，许多学者一直在寻找一种比较简单的方法来实现它。随着高速数据处理芯片接口功能和先进控制方法的发展，这部分工作正在进行中。

3.2 降低设备容量，提高补偿效率

有源电力滤波器最基本的并联型，其容量取决于电路回路的交流有效值和与设备相连的补偿电流的有效值。有源电力滤波器的价格比无源滤波器高得多。为了投资少，主要途径是降低有源电力滤波器的容量。现发明的方法是混合有源滤波器和无源滤波器，滤波器过滤掉无源滤波器和有源电力滤波器谐波源中的谐波电流，用以提高整体的补偿效果。这是混合型有源电力滤波器。