并联有源电力滤波器的设计

王健+于潇

摘 要：为保证供电质量，防止谐波对电网及电力设备的危害，除对电力系统加强管理外，还必须采取必要的措施来抑制谐波。有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）被公认为是治理谐波、改善电能质量最有效的手段之一，已成为电力电子技术应用中的一个研究热点。但是目前有源电力滤波器的采样频率较低，而且多路采样结果之间有延时，因此设计一套并联型有源电力滤波器对于提高电能质量以及系统的安全使用有着十分重要的意义。

关键词：并联；有源电力滤波器；设计

1.引言

随着科学技术的发展，大量的电力电子装置广泛的应用于工业的各个领域，给工业带来了翻天覆地的变化，但大量电力电子装置的广泛应用，同时也给电力系统这个环境带来了严重的“污染”，其根本原因就是电力电子装置是非线性负荷，在系统中运行会产生谐波，造成十分严重的危害。治理谐波污染已成为当今电工科学技术界所必须解决的问题，开发和研制高性能的谐波抑制装置迫在眉睫。改善电网质量，必须要控制电网中的无功与谐波，因此提高功率因数与抑制谐波就推动了各种谐波抑制与无功补偿技术的大力发展。针对谐波抑制，目前国际上有两个方面，一是从谐波源出发，对非线性负载使用合理的电路结构，使负载产生较少的谐波，甚至不产生谐波。二是增加外部电力电子设备来补偿谐波，这种方案适用于所有的谐波源。有源滤波器就是一种能够对电网中的谐波进行抑制与无功补偿的设备[1]。文以并联型APF来介绍滤波器的原理。

2.并联型有源滤波器

并联型APF与非线性负载在电网中是以并联电路接入的，并联型有源电力滤波器的主电路由变流器，电感以及直流侧储能元件所构成，并联型有源滤波器相当于一个受控电流源，主要用于补偿电流型的谐波和无功电流，能够对谐波与无功功率同时进行补偿也能够单独补偿。并联型APF安装方便，损耗较小，成本相对较低，而且补偿性能好，所以目前是应用最为广泛的一类滤波器[2]。

2.1并联有源电力滤波器结构原理

本系统是基于三相三线制的并联型有源电力滤波器（简称APF），交流电网对各种负载供电，负载中存在非线性负载谐波源，产生谐波、消耗无功。APF由四部分组成：主电路、IGBT驱动电路、数字控制电路和谐波电流检测电路。本系统原理是根据瞬时无功功率理论的ip-iq算法原理，首先由DSP、FPGA等数字控制器计算出三相电流中的谐波分量，再利用不同的方法产生驱动开关元件的PWM指令，这些信号经过相关电路变成驱动信号驱动相应的开关器件，进而产生与非线性负载电流相位相反，幅值为负载电流中的谐波分量幅值的补偿电流，从而达到滤波目的。

2.2 滑窗FFT递推算法

DFT及其快速算法FFT是数字信号处理领域的核心组成部分。FFT算法多种多样，按数据组合方式不同一般分时域法和频域法，按数据抽取方式的不同又可分为基2和基4等。各算法的優缺点视不同的制约因素而不同。FFT的实现方法也多种多样，可以用软件实现，也可以用硬件实现。在数字通信系统中，经常用到信号谱线技术，这种技术利用离散傅里叶变换将信号从时域变换到频域，达到信号检测、信道估值、同步和调解的目的。

3.电流控制策略

对电流的控制是有源滤波器中另一关键因素，存在于APF中的电流跟踪控制部分，控制主电路中的变流器产生与谐波大小相等，方向相反的电流。

3.1 无差拍控制

无差拍控制电流是采样控制系统中一种特有的控制方式，在每一个开关周期内计算变流器在下一个开关内的占空比，其原理是利用下一个采样时刻指令电流的预测值和当前时刻采样电压和电流值，计算当前指令电压或指令电流，以达到电流跟踪误差为零的目的，如图2所示。

无差拍控制属于开环控制，存在稳态误差，对于环境及参数依赖较强而产生误差。其良好的电流跟踪效果需要有合适的电流预测方案来保证，而这种不进行预测的无差拍控制实为差一拍或差几拍控制，由频谱分析可知，补偿之后电源电流的低次谐波含量较高。

3.2 重复控制

重复控制策略是基于内模原理的，在一个周期性的信号中，它能将每个周期中的误差存储下来，并且进行逐周期累加，是一种有效的波形校正技术，能够消除周期性扰动的影响。

3.3 重复控制的无差拍控制电流

由于无差拍控制对参数依赖性较强，其滤波效果受预测方案影响较大，而重复控制最大的缺点即是动态响应速度过慢，因此可以将二者结合起来对电流进行控制。在电网中，非线性负载产生的谐波无功电流各不相同，但是由于谐波电流的出现具有重复性和周期性，平推算法的预测值与实际值之间的误差也将以固定的波形重复出现[3]。采用重复控制结合无差拍控制电流的方法，利用重复控制对电网电流进行超前一拍的预测，由于无差拍控制对于电流预测值总是会产生延时，因此将二者结合在一起，可以改善无差拍控制电流的性能。将重复控制器置于无差拍控制之前，通过对上一开关周期误差信息的收集，能够在下一周期到来时，给予正确的幅度，相位补偿值，然后迅速的消除该周期的误差。重复控制减小谐波失真，改善系统误差，无差拍控制提高系统的动态响应。将两者结合在一起能够对变化的电流有很好的适应能力，当电网中的参数变化，两种控制方法能够很好地对变化的电流进行跟踪，从而准确得出控制主电路的开断信号。

4、结语

随着电力电子技术的快速发展，各种非线性功率器件的广泛应用，大量谐波和无功功率注入电网，造成系统效率降低，功率因素变差，严重影响电网和用电设备的安全运行。有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）通过向电网注入与原有谐波和无功电流大小相等方向相反的补偿电流，可以补偿电网的谐波和无功功率、提高电能质量、增强电网的可靠性和稳定性，其良好的滤波性能在国内外引起了广泛关注。但是目前有源电力滤波器的采样频率较低，而且多路采样结果之间有延时，因此设计一套并联型有源电力滤波器对于提高电能质量以及系统的安全使用有着十分重要的意义。本文设计了一种并联有源电力滤波器，详细介绍了并联有源电力滤波器的原理、算法以及电流控制策略。

参考文献：

[1]李战鹰，任震，杨泽明.有源滤波装置及其应用研究综述[J].电网技术，2004，28（22）：40-43.

[2]顾建军，徐殿国，刘汉奎，公茂忠.有源滤波技术现状及其发展[J].电机与控制学报，2003，7（2）：126-132.

[3]武健，何娜，徐殿国. 重复控制在并联有源滤波器中的应用[J].中国电机工程学报，2008，28（18）： 66-72.