1 引 言

 

    近年来，随着电力电子技术的广泛应用，电能得到了更加充分的利用。但电力电子装置自身所具有的非线性也使得电网的电压和电流发生畸变，这些高度非线性设备数量和额定容量的日益增大使得电力系统谐波污染问题日益严重，已成为了影响电能质量的公害，对电力系统的安全、经济运行造成极大的影响;而另一方面供电方及其电力系统设备、用户及其用电器对电能质量的要求越来越高，这一矛盾使得人们对谐波污染问题越来越重视。据《中国电力》报道，我国仅由电能质量问题造成的年电能损失就高达400多亿元，冶金、铁路、矿山等企业的谐波严重超标，因谐波问题导致的开关跳闸、大面积停电甚至电力系统解列等事故也屡见不鲜，因此对电力系统的谐波污染进行综合治理已成为摆在科技工作者面前的一个具有重要现实意义的研究课题。而有源电力滤波器(active power filter-apf)由于具有高度可控性和快速响应性，能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，因而受到广泛的重视，成为目前国内外供电系统谐波抑制研究的热点。

 

    2 谐波治理的措施

 

    目前，在电力系统中抑制或减少谐波主要从两个方面进行：第一方面是从产生谐波的谐波源装置本身入手。在这些装置设计时就考虑减小谐波的方法，增加谐波抑制环节，已减少电网的谐波注入量，在谐波源本身采取一些措施能大大减小电网谐波。但由于现代电力系统的复杂性以及电力半导体装置开关工作方式，不可能完全消除电网谐波。所以，谐波治理的第二个重要方面就是研究对系统中的谐波进行有效滤波和补偿的方法和措施。下面分别简要介绍这两方面工作的现状和发展。

 

    2.1 治理谐波源

 

    我国在有源电力滤波器的应用研究方面，继日本、美国、德国等之后，得到学术界和企业界的充分重视，并投入了大量的人力和物力，但和电子工业发达的国家相比有一定的差距。到目前为止，我国也有几台类似产品投入工业试运行，如华北电力试验研究所、冶金部自动化研究院和北京供电公司联合开发、研究的有源高次谐波抑制装置于1992年在北京木材厂中心变电站投入工业运行，该装置采用了三个单相全控桥逆变器(功率开关为gtr)，用于低压电网单个谐波源的谐波补偿，该套装置容量不是很大，且补偿效果主要体现在几个特定次数的谐波(5、7、11、13次)上，同时调制载波的频率(3.3khz)不太高，谐波跟踪、补偿效果并不是十分理想;华南理工大学研制了混合型有源电力滤波器用于牵引变电站的谐波治理，该装置在减小滤波器有源部分容量和技术实现上做了大量的工作，也取得了相当的成果，但依然有一些技术需进一步研究并加以完善和改进，如其滤波效果和隔离基波电压的无源网络阻抗在设计上存在一定困难，无源网络的阻抗大，则有源部分的容量小但系统滤波效果将降低，无源网络的阻抗小，则滤波效果好但有源部分的容量也将随之增大;西安交通大学提出了四重化变流器作为大容量有源电力滤波器主电路的方法，该方法有效地解决了大容量和开关频率的矛盾，但相对而言成本较高，在一些具体实现技术上也尚在进一步研究之中。

 

    总的来讲，目前我国有源电力滤波技术的工业应用，仍处于试验和攻坚阶段，特别是在既治理谐波又补偿无功功率的hapf系统方面，还有许多基础理论与技术有待于深入研究。

 

    apf在工程应用中，首先需要考虑的是成本和技术上的可行性，这主要由补偿电流发生电路中的功率开关器件可选型号和价格来决定。所以，围绕apf如何适应大容量、高电压、低成本和多功能的要求，人们提出了各种有源滤波器的拓扑结构来适应不同场合工程应用的需要。

 

    根据有源滤波器和电网的连接方式，apf可以分为并联型和串联型两大类。1986年akagi h.提出了并联型apf单独使用方式，它是最早期的有源滤波装置，如图1所示。

 

    有源电力滤波器的研究热点和发展

 

    图1 单独使用的并联型apf

 

    这种方式的主电路结构简单，但由于逆变器直接承受基波电压，所以其成本高且不适合高电压系统的补偿。为降低成本、减小逆变器的容量和适应高电压的要求，人们利用pf的成本低的优点，提出了各种apf与pf混合使用方式。1987年takeda m.等人提出用并联型apf和并联 pf相结合的混合型apf，如图2所示。

 

    有源电力滤波器的研究热点和发展

 

    图2 并联型apf+并联pf的hapf

 

    该方式利用无源部分滤除了大部分的谐波，所以其有源部分的谐波容量较小，且pf能够提供一定的无功功率，但逆变器仍然直接承受了基波电压，所以功率开关器件的耐压等级并没有降低。1990年fujita h.等人提出将apf与pf相串联后与电网并联的混合型方案，如图3所示。

 

    有源电力滤波器的研究热点和发展

 

    图3 apf与pf串联后并联接入电网的hapf

 

    这种方式利用无源部分承受了大部分的基波电压，所以逆变器承受的基波电压小，适合于高电压系统的应用。但由于流过无源部分的基波电流都流入逆变器，所以不能利用pf提供大容量的无功功率。利用无源元件lc的串、并联谐振特性，人们提出了注入式apf的结构。将lc对基波串联谐振电路作为有源部分的注入电路，能够大大降低apf承受的基波电压和容量，且可以利用无源元件提供无功功率，但其谐波容量相对较大，而且所能提供的无功容量有限。随着电力电子技术的发展，全控型功率开关器件(如可关断晶闸管gto和绝缘栅双极性晶体管igbt)的电压和电流额定值不断提高，成本不断降低，人们从双或多逆变器的方向提出了各种apf的拓扑结构，来满足工业应用的要求。1994年，akagi h.等提出一种将串联型apf和并联型apf进行混合的方式，如图4所示，也称为统一电能质量调节器(unified power quality conditioner，upqc)。

 

    这种方式从理论上讲，可以抑制电压闪变、电压波动、不对称和谐波，但由于采用了双逆变器，所以存在控制复杂和成本高的缺点。

 

    上述描述了并联型apf的发展现状，有源滤波器还有另外一大类——串联型apf，图5为典型的串联apf拓扑结构。

 

    图5 单独使用的串联型apf

 

    串联型apf单独使用方式能有效滤除电网的谐波电压，具有有源装置容量小和运行效率高等优点，但存在绝缘强度高、难以适应线路故障条件以及不能进行无功功率动态补偿等缺点，且负载的基波电流全都流过连接用的变压器，其工程实用性受到限制。在串联型apf单独使用方式基础上发展出的串联型apf混合型结构，也都同样存在绝缘强度高和难以适应线路故障的缺点。

 

    3.2检测和控制理论的研究

 

    根据apf的工作原理，要控制功率变换电路产生期望的谐波，一般要通过检测电路获取控制的参考信号，然后再利用控制电路产生控制信号去控制功率变换电路。因此，检测和控制算法直接影响到apf的补偿精度和补偿速度，是apf的关键环节。

 

    通常apf需要实时补偿电网的谐波分量和无功电流(如果需要补偿无功功率)，所以，对检测电路的快速性和准确性要求很高。但是这种检测任务和一般的谐波分析不同，它只需将基波或有功分量与谐波分量分离即可。目前，研究谐波检测方法的文献有很多。最早的谐波电流检测方法是采用模拟滤波器来实现，即采用陷波器将基波电流分量滤除，让谐波分量通过。这种方法存在难以设计、误差大、对电网频率波动和电路元件参数十分敏感等，因而已很少使用。随着数字化技术的发展，分别出现了基于频域分析的fft算法、基于fryze功率定义的检测方法、基于自适应噪声对消原理的自适应电流检测方法、基于瞬时无功功率理论的检测方法，这些谐波检测方法经过不断的改进，已经比较成熟，但是并没有一种理论可以广泛的适用于各种情况，每种检测方法都有一定的适用范围和误差，同时新的谐波检测方法也在不断的研究之中。

 

    有源滤波器通过检测获得参考信号后，apf的接下来的任务就是实时跟踪参考信号了，这就要求对apf的控制有很好的快速性和准确性。从传统控制理论的角度来看，参考信号获取是给定，pwm逆变器是功率放大器，主电路中的无源部分是执行机构，电网及负载是被控对象，控制要做的工作只是设计控制器来提高控制系统的性能。有文献介绍的滞环控制方法以参考信号为基准，设计一个滞环带，当实际的补偿电流欲离开这一滞环带时，逆变器开关动作，使实际补偿电流保持在滞环带内，围绕其参考值上下波动。这种方法相当于在求取开关模式时引入了bang-bang控制算法，具有控制电路简单、响应速度快的优点，是应用最广泛的电流跟踪控制方法之一。但这种方法存在开关频率不固定、稳态误差不可消除的缺点。许多近期文献提出各种措施，对这种方法有一些改进。有文献分别提出了几种不同拓扑结构apf的滑模变结构控制方法，通过判别电流跟踪误差在切换曲面两侧中的哪一侧，直接选取相应的开关模式，控制率简单，系统响应迅速。而且，由于滑动模具有不变性，使得系统的鲁棒性较强。但是，现有的apf滑模变结构控制中，均是以跟踪误差为0构造切换曲面，控制率中只定义了误差不为0的情况。因此，该控制率类似于环宽为0的滞环控制率，属于有差调节，即误差为0时没有控制量产生，直到误差不为0时控制器才会被激活。另外常见于相关文献报道的控制算法包括基于无差拍控制方法、线性电流控制方法、单周控制法以及近年来一些智能控制算法。这些算法的出现对于apf的发展起了很大的促进作用。

 

    3.3 有源电力滤波器的数字化控制技术发展

 

    传统的有源电力滤波器采用的是模拟控制系统，模拟控制的缺点也是显而易见的。例如现在许多有源电力滤波器采用基于瞬时无功功率理论的dq方法计算谐波和无功电流，采用模拟器件需要8个硬件乘法器。为满足精度要求，通常需选用高性能的四象限模拟乘法器。因此电路复杂，且性能不稳定。

 

    为了改善有源电力滤波器的控制性能，有人开始使用单片机对有源电力滤波器进行控制，将非线性负载的三相电流送入a/d，转换后的信号送入单片机进行数字控制算法处理，计算出指令电流，通过i/o口或pwm口直接发出开关控制信号。单片机的应用向数字化迈进了一步，但由于单片机运算速度的限制，影响计算精度和控制实时性。

 

    高速数字信号处理器(digital signal processor，dsp)的出现使采用数字方法实时计算谐波和无功电流变得更为现实。在基于dsp控制的有源电力滤波器中，将非线性负载的三相电流直接送入dsp内部的a/d，dsp进行处理后通过控制算法计算出的控制指令电流，从pwm输出口直接发出开关控制信号。用数字的方法实现谐波和无功电流的计算，能很好的解决模拟方法由于元器件老化和温漂带来的问题，抗干扰能力也大大增强;由于dsp芯片强大的运算能力，先进的控制理论可以得以实现，由于只需更改软件，系统变得更加简单。

 

    图6给出了一个典型的dsp控制apf系统的结构图。

 

    图6 典型的dsp控制apf系统结构

 

    采用dsp来控制有源电力滤波器，主要具有以下优点：

 

    (1) 运算速度快。由于通常的dsp都具有20mips以上的指令执行速度，用来计算谐波和无功指令电流延迟很小，同时可以在较短的时间内实现复杂的控制算法;

 

    (2) 可重复性好。dsp系统中设计人员在开发过程中可以灵活方便地对软件进行修改和升级，甚至算法的改变，而模拟系统要改变算法的工作量将是巨大的;

 

    (3) 稳定性好。dsp系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高;

 

    (4) 精度高。16为数字信号处理器精度可达10-5;

 

    (5) 集成度高。一块dsp芯片基本无需外接扩展芯片即可完成系统的信号的采集、控制算法以及pwm的调制输出。

 

    4 结束语

 

    现代工业技术的发展，造成工业电网谐波污染严重，对各种电气设备造成危害，影响设备安全运行。同时，人们对环境保护意识的提高，要求净化电网，形成一个“绿色”电网。有源电力滤波器具有良好的谐波抑制效果，系统控制灵活，具有很大发展潜力，其中pwm控制逆变器的建模，降低有源滤波器的开关损耗，抑制有源滤波器的电磁干扰，进一步提高有源电力滤波器的可靠性等方面逐渐成为谐波抑制领域热门的研究课题。

 

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