并联型有源电力滤波器电流控制方法研究

彭启蒙 陶富强 程敏睿

【摘 要】伴随着我国的电子科技技术的飞跃发展与我国电力电子方面设备的更新换代，使得我国的电器谐波产生加大，这些设备所产生的大量谐波会对电网产生极大的不可逆的损害，为了抑制电气设备谐波的产生，有源电力滤波器成为了一种先进有效的能够及时动态抑制谐波产生的装置，有源电力滤波器还可以做到对于无功效果的补偿。本文着重于分析有源电力滤波器的电流控制方法，从有源电力滤波器的基础工作原理入手，分析有源电力滤波器与电网连接形成有效数学模型并对于直流侧母线电压等数值进行选取与分析。

【关键词】有源电力滤波器；谐波；电网；补偿电流

中图分类号： TN713.8 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）27-0027-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.27.012

【Abstract】The rapid development and progress of electronic science and technology， as well as the updating and renewing of equipment related to electricity and electronics in China trigger the sudden and considerable generation of electrical harmonics， moreover， these great deal of electrical harmonics generated in equipment will bring great irreversible damages to the power grid. In this regard， to inhibit such harmonics from the origin， APF has become the device which is advanced and effective to inhibit the generation of harmonics in a timely manner， with another function to realize compensation for reactive power. The paper highlights on the analysis of method for current control used in APF by starting from the basic working principle of APF， then， it elaborates the effective mathematical model formed after the connection of APF and power grid， as well as selects and analyzes the DC bus voltage and other values.

【Key words】Active power filter；Harmonics；Power grid；Compensation current

0 前言

近年來，电力电子设备在电网内得到广泛应用与发展，同时带来了电能质量与谐波污染问题，谐波污染来源众多，诸如来自于发电机中改变磁场效应产生的谐波污染；以及电弧焊的发热不规律性导致的复杂谐波等。谐波主要造成的威胁有以下几点[1-3]：

（1）使得电气设备无端发热升温，造成大量的能量损耗，降低了电器设备的使用寿命；

（2）使得电气设备绝缘条件变得恶化，可能在使用过程中还会导致局部放电不均匀；

（3）造成检验仪表设备的无法正常使用，降低设备的精度与误差范围等等

基于谐波造成的各种威胁性，世界范围内也引起了较大的关注与研究，在1993年我国颁布了国内标准《电能质量公用电网谐波》，以此来降低谐波造成的污染。本文将分析有源电力滤波器的电流控制方法，并提出对于控制方法的创新，用以限制谐波污染。

1 有源电力滤波器的发展现状与工作原理

1.1 有源电力滤波器的发展现状

有源电力滤波器被广泛使用是在1976年以后，这时已经提出了四象限得到PWM变流器思想构造，使得有源电力滤波器成本降低，接着被大量使用，以补偿系统方式作为基础，可以分为单相APF，三相APF；不同特点的有源滤波器的工作原理与电流控制方法略有不同[4-5]。

1.2 有源电力滤波器的工作原理

（1）单相有源电力滤波器：单相有源电力滤波器的电路结构主要是由四个开关管组合连接形成的逆变电路，最后通过电感连接进行对于电网的输入，它的直流端直接连接储能件，这种单相有源电力滤波器主要适用范围是小容量电路，并且可以进行连接多台并联使用。

（2）三相有源电力滤波器：三相三线式有源电力滤波器通过桥臂中点进行电感与电网的有效连接（图1），这种三相三线式的有源电力滤波器容量偏大，所以相比于单相而言有更大的使用范围。

三相四线制有源电力滤波器更为复杂（图2），使用的是四桥臂结构和中点式电容结构，由八个开关管进行组合而成，每个零相都与桥臂连接架构，这个结构需要进行对于四个桥臂进行共同动作控制，控制结构相比于三相三线制更为复杂，但是控制方法更为简洁。

2 并联型有源电力滤波器结构

并联型有源电力滤波器结构主要是由变流器，交流测电感与电容组成，这类并联型有源电力滤波器的主要电路如图3所示。

并联型有源电力滤波器与变压器进行串联并连接在负载与有效电网之间，形成一个可以控制的电压原件。并联型有源电力滤波器与串联型有源电力滤波器的差距最大的部分在于对于电压源的电流补偿。相比于并联型有源电力滤波器，串联型无法进行对于无功效果的补偿，并且结构相对单一，且对于系统原件的要求较高，对于系统绝缘性的程度要求较为严格，从而造成更高的成本。基于此目前对于并联型有源电力滤波器的研究更为广泛。

3 并联型有源电力滤波器电流控制方法

目前世界范围内对于并联型有源电力滤波器的电流控制方法相对比较多，主要分为六种类型[6-7]：

（1）三角載波控制方法

三角载波控制方法是由原有的瞬时控制法进行改变衍生而来的，它将逆变器造成的实际电流进行控制对象，将指令信号与实际电流信号进行差值对比，通过PI处理器进行将差值调节比较，从而进行对于并联型有源电力滤波器的控制。

（2）滞环比较控制方法

同样的滞环比较控制也是使用指令与实际电流差值进行控制对象，对于误差所产生的电流进行有效控制，对于并联型有源电力滤波器的逆变器开关部分进行有效开关调节，对于产生差值误差进行及时反馈，当差值误差超过设备所设置的限度之后，进行对于逆变器的开关调节，以此来使得电流误差有所控制。这种控制方法对于逆变器的矢量化反应，频率化研究可以有所创新。

（3）无差拍控制方法

无差拍控制方法使用的是全数字化的方式，它根据矢量理论演化而来，使用系统内部的状态栏方程进行对于下一个状态的周期分析，并且对于采样周期进行相应开关量控制，最终做到使得输出量能够被追踪。这种方式的明显优点在于能够快速有效的跟踪数字化电流的变化，尤其是对于开关状态不稳定或较快的快速状态控制方式。它显著的缺点在于计算量相对较大，并且对于参数的系统要求相对过强，这就导致了当系统参数有所变化后整体系统无法快速跟随转变。

（4）空间矢量控制方法

空间矢量控制方法在于通过对于变流电机速度调节电压矢量进行对于并联型有源电力滤波器得到电流控制，这种控制方法对于电流的物理概念有所数字化转变，可以使三相三线式并联型有源电力滤波器进行耦合的消除，也可以通过矢量变化进行尽可能少的改变变流器开关频次，降低因为补偿电流造成的电气损伤，使得整体滤波器可以提升使用精度。

（5）其他控制

在近些年的研究过程中，有着更多的并联型有源电力滤波器电流控制方法的提出，例如自适应控制方式，神经网络调节控制方式等等。从理论上将，数学模型的精准化设计与现代使用的高数字化算法使用能够有效加快并联型有源电力滤波器的电流控制方法研究。

【参考文献】

[1]魏学良，蔡欣，姜珊.并联型有源电力滤波器电源电流控制方法研究[J].电机与控制学报，2017，21（12）：85-92.

[2]刘楷锋，尤宝山，贺冬梅，欧阳红晋.有源电力滤波器谐波及无功电流的检测方法[J].科技信息，2009（1）：145-149.

[3]田飞燕，高云广，宋建成.并联型有源电力滤波器的复合电流控制方法[J].电气传动，2017，47（7）：67-71.

[4]许炜.基于DSP控制的三相三线制并联型有源电力滤波器的研究[D].广西大学，2016.

[5]阳敏.多模块化有源电力滤波器并联的控制方法研究[D].湖南大学，2016.

[6]李飞.并联型NPC三电平有源电力滤波器关键技术研究[D].中国矿业大学，2017.

[7]唐欣，罗安，涂春鸣.一种电力有源滤波器电流控制的新方法[J].电力系统自动化，2004（13）：23-27.