8.2有源電力濾波器在現(xiàn)代工業(yè)生產過程中，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率，越來越多的電力電子變流器等精密設備被應用到生活和生產的各個方面，一方面這些設備對電能質量的要求也越來越高，另一方面這些裝置的使用會向公用電網中注入大量的諧波電流，使電網中的電壓和電流波形發(fā)生畸變，污染了公用電網，降低了電能質量。對電力公司來說這樣就會增加輸變電設備的容量、傳輸線路的損耗和電壓調節(jié)設備的數量；使電容器組、電動機、變壓器發(fā)熱，甚至發(fā)生事故；還會使發(fā)電機的銅耗、鐵耗增加，使電能的生產、傳輸和利用效率降低。對用戶來說，它會造成保護系統(tǒng)和控制電路的誤動作，影響了用戶設備運行的安全性和穩(wěn)定性；干擾通信線路，降低通信質量，嚴重時可造成通信系統(tǒng)無法正常工作。8.2有源電力濾波器由諧波引起的故障、事故時有發(fā)生，造成的危害也越來越嚴重，電網諧波畸變問題越來越引起人們的關注。諧波源有很多種，所有非線性的設備和元件都會產生諧波。因為當正弦波形電壓施加到非線性設備上時產生的電流是非正弦的；正弦波形的電流經過非線性設備時產生的電壓也是非正弦的。常見的諧波源有以下幾種，第一：變壓器、旋轉電機、電弧爐等傳統(tǒng)的非線性設備；第二：電力電子非線性設備，包括開關電源、變頻器、變流器和熒光燈等；8.2有源電力濾波器解決諧波問題有兩種方法：一是主動抑制諧波思路，改造產生諧波的用電設備，使其不再產生或減少諧波的產生，比如對于治理非線性整流設備產生的諧波可采用第5章講述的PWM變流器，和本章第4節(jié)將要講述的有源功率因數校正電路等來抑制諧波的產生。二是被動抑制諧波，即安裝諧波補償裝置，比如有源電力濾波器。有源電力濾波器(APF)目前被認為是最有效的諧波治理方法之一。APF是一種用于動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置，它能對大小和頻率都變化的諧波進行補償，其應用可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制方法的缺點。在有源電力濾波器當中諧波電流檢測和電流跟蹤控制是影響有源電力濾波器性能的兩個關鍵環(huán)節(jié)。并隨著各種理論的不斷發(fā)展和應用，APF的性能也有了很大的改善，也慢慢的在電能質量的改善方面起到了越來越大的作用。8.2.1有源電力濾波器的工作原理及系統(tǒng)組成8.2.2有源電力濾波器的指令電流檢測算法8.2.3有源電力濾波器的控制策略8.2.4有源電力濾波器仿真8.2有源電力濾波器8.2.1有源電力濾波器的工作原理及系統(tǒng)組成

1．APF原理及分類2．APF系統(tǒng)組成1．APF原理及分類APF是一種能動態(tài)抑制諧波的裝置，其克服了傳統(tǒng)無源濾波器(PassivePowerFilter-PPF)的缺點，能夠取得比PPF更好的補償效果。APF的基本原理是檢測補償對象的電壓和電流，通過指令電流運算電路計算出補償電流的指令信號，根據指令信號結合相應的控制方法產生PWM信號驅動主電路PWM變流器中的6個開關器件后得到補償電流，補償電流抵消掉諧波電流，從而消除諧波使其不能流入電網。由上述可知APF主要有指令電流運算電路、電流跟蹤控制電路、驅動電路及主電路組成。1．APF原理及分類(1)能夠對頻率和大小都在變化的諧波進行補償，響應快；(2)能同時補償諧波電流和負序電流，也可以分別單獨補償；(3)公用電網參數的變化對APF的補償效果影響較?。?4)可以跟蹤公用電網周期的變化；(5)理想情況下，補償諧波時APF直流側儲能元件的容量不大；(6)APF不會發(fā)生過載，可根據軟件的設定提供補償電流或者電壓。根據應用場合區(qū)分，APF可分為有源交流濾波器和有源直流濾波器；根據直流側儲能元件區(qū)分，APF可分為電流型APF和電壓型APF；根據連接電網的方式區(qū)分，APF可分為串聯(lián)型APF、并聯(lián)型APF和串并聯(lián)混合型APF。(a)單獨使用的并聯(lián)型APF

(b)單獨使用的串聯(lián)型APF

(a)并聯(lián)APF+并聯(lián)LC的HAPF

(b)串聯(lián)APF+并聯(lián)LC的HAPF2．APF系統(tǒng)組成(1)APF容量計算及主電路開關器件的選取

(2)直流側電容選取

(3)交流側連接電感選取并聯(lián)型有源電力濾波器主要由兩部分組成，即指令檢測調理電路和電流補償電路。指令指令檢測調理電路電路包括負載電流檢測電路、調理電路；其電流補償電路包括DSP、驅動電路、功率變流器、交流側連接電感等部分組成。(1)APF容量計算及主電路開關器件的選取并聯(lián)型APF的容量由公式確定：

式

中，E是APF交流側相電壓的有效值(V)；Ic是APF輸出的諧波補償電流的有效值(A)。由此可知APF的容量和諧波補償電流的大小相關，跟補償對象的容量和補償的目標相關。(1)APF容量計算及主電路開關器件的選取為了在實際應用中使APF系統(tǒng)既能滿足性能要求，又能降低成本，需要對主電路的開關器件進行合理選擇。和SVG一樣，其選取主要涉及到器件的耐壓等級、額定電流和工作頻率等參數，開關器件的耐壓等級的選擇取決于APF裝置的電路拓撲結構和直流側母線電壓Udc。對于兩電平的橋式電路而言，IGBT承受的最大電壓為直流側母線電壓Udc。一般要留一定的電壓裕量；IGBT器件的額定電流取決于APF裝置的補償電流峰值Icmax，也要留一定的電流裕量，以滿足APF裝置的安全運行要求。開關頻率的高低會影響到系統(tǒng)的性能和損耗，開關頻率越高補償性能越好，但損耗越大。在實際中可根據系統(tǒng)的要求進行選取。并聯(lián)型APF的容量

式中，E是APF交流側相電壓的有效值(V)；Ic是APF輸出的諧波補償電流的有效值(A)。

正常工作時，APF輸出的補償電流應該能實時準確地跟隨負載諧波指令電流的變化。忽略線路的阻抗，對a相輸出補償電流分析后可以得到式中，S是開關系數，取1/3或者2/3

并聯(lián)型APF輸出補償電流的變化率，其值應該大于或等于負載電流的變化率，這樣APF輸出的補償電流才能夠實時準確地跟蹤變化的負載諧波指令電流

假設ica>ica*，ica*是a相補償電流的指令值，PWM變流器a相的上橋臂開關應關斷，下橋臂開關應導通，此時S等于1/3，公式可寫為為了使APF的補償電流ica能夠跟蹤電流指令值ica*，此時ica應該減小可以得到考慮到電網電壓最大值時也能順利補償，則有APF的直流側電壓值應該大于APF與電網連接點相電壓峰值的3倍。在此基礎之上，直流側Udc越大，APF輸出的補償電流的跟隨性能越好。但是Udc越大，對開關器件的耐壓要求也就越高，實際應用中應根據系統(tǒng)的需要綜合考慮。(2)直流側電容選取在實際運行時，APF很難把直流側Udc控制在恒定值。因為APF會從電網吸收或者釋放有功功率：APF吸收有功功率時，直流側Udc會升高；當APF釋放有功功率時，直流側Udc則會降低；此外變流器電路本身存在的開關損耗和其它損耗也會使直流側Udc降低。如果電容器的電容值過小，APF直流側Udc的波動就會變大，影響APF的補償性能；如果電容器的電容值太大，APF直流側Udc的動態(tài)響應會變慢，系統(tǒng)的成本也會增加。對于APF系統(tǒng)直流側電容的選取可參照7.1節(jié)SVG的直流側電容的選取的相關內容。(3)交流側連接電感選取正常工作時，APF的補償性能受實際諧波補償電流對諧波指令電流的跟蹤能力的影響，如果實際輸出的諧波補償電流不能實時準確的跟蹤諧波指令電流變化，APF的動態(tài)補償性能就會受到嚴重的影響。并聯(lián)型APF通過串接電感方式接入電網，輸出電感值的選取影響著APF輸出諧波補償電流的變化率，因此電感值的選取需要能夠保證APF輸出的諧波補償電流具有跟隨諧波指令電流最大變化率的能力。電感值不能太大，否則諧波補償電流的變化率會變低而影響APF的動態(tài)補償性能，還會增加系統(tǒng)的成本；電感值過小時，諧波補償電流的變化速率太快，相對于期望的諧波補償電流，APF實際輸出的諧波補償電流會有較大的超調。要使APF實際輸出的諧波補償電流能跟隨諧波指令電流的變化，則在每一個調制周期內諧波補償電流的斜率應該比諧波指令電流的斜率大。當APF長時間工作的時候，電網相電壓ea的平均作用為0，Sa的均值為4/9，則a相可另寫為：采用三角波比較控制方式時，為了使誤差信號在每個指令周期內都和三角載波信號有交點，APF輸出諧波補償電流的最大斜率要小于三角載波的斜率。設三角載波的斜率，Uc是三角載波的幅值(V)，f是三角載波的頻率(Hz)，則有：

由諧波補償電流的斜率應大于諧波指令電流的斜率可得：ω是諧波指令電流的角頻率(rad/s)；是諧波指令電流的幅值(A)。采用三角波比較控制方式時，電感值L的取值范圍為：

8.2.2有源電力濾波器的指令電流檢測算法目前指令電流檢測方法有基于頻域分析的模擬帶通或帶阻濾波器檢測法、基于神經網絡的自適應電流檢測法、基于傅里葉變換的諧波檢測算法和基于坐標變換諧波電流的瞬時值檢測法，他們各有特點本節(jié)著重討論基于坐標變換的諧波電流檢測方法，并對該方法的原理進行分析同SVG檢測無功電流類似，APF基于坐標變換諧波電流的檢測方法主要采用ip-iq瞬時值檢測法。與SVG中的ip-iq檢測算法不同的是不必斷開通道，直接進行反變換得到基波電流iaf、ibf和icf，將基波分量分別和相應的被檢測電流相減就可以得到相應的諧波指令電流iah、ibh和ich，如圖8.2.3有源電力濾波器的控制策略有源電力濾波器的控制策略與靜止無功發(fā)生器(SVG)類似，目前在實際中采用較多的主要有滯環(huán)控制和三角波比較控制，這里選用三角波比較控制策略為例進行分析。三角波比較控制原理圖。該方法不直接把電流指令信號和三角載波信號比較，而是先把諧波補償電流的實際值與諧波電流指令值的偏差做PI調節(jié)，然后PI控制器的輸出信號和三角載波做比較，將得到的矩形脈沖作為PWM變流器的控制信號，進而可以使變流器實際輸出的諧波補償電流能夠準確實時的跟蹤諧波指令電流信號的變化。三角載波控制的優(yōu)點是PWM變流器中6個開關器件的開關頻率是固定的，動態(tài)響應好，實現(xiàn)簡單。缺點是PWM變流器中6個開關器件一直處于高頻工作狀態(tài)，輸出的諧波補償電流波形中含有與三角載波同頻率的高頻諧波分量，開關損耗大。8.2.4有源電力