有源電力濾波控制技術(shù)研究及應(yīng)用

張洋

北京建工建筑設(shè)計研究院（天津分院） 天津 300000

引言

近年來，配電網(wǎng)中各類電子裝置數(shù)量及種類呈上升態(tài)勢，造成負荷非線性、不均衡，致使電力系統(tǒng)電壓、電流發(fā)生畸變，影響供電實際質(zhì)量。傳統(tǒng)對諧波抑制方式多選用LC濾波器，由于其整體構(gòu)造簡易，技術(shù)成熟度高，具有良好的緊急性，普遍應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。電力電子技術(shù)發(fā)展，人們積極提出有效抑制諧波和補償無功的有源電子濾波器，與無源濾波器相較，更具可控化及高響應(yīng)速率，其特性不受系統(tǒng)干擾，具有良好的經(jīng)濟及社會效益。

1 有源電力濾波器基本原理

電力電子技術(shù)高速發(fā)展背景下，帶來優(yōu)勢的同時，新問題隨之顯現(xiàn)，形成大量電磁輻射，以及對電網(wǎng)的諧波污染等。通常為進一步抑制諧波形成，包含兩種解決方式，即主動式、被動式，前者主要是依托先進的變流技術(shù)，將電力電子裝置中形成諧波降至最低；后者主要是通過安裝電力濾波器，對已經(jīng)投入運行中電力電子裝置，該方式是最佳選擇。有源電力濾波器分類標準不一，最終劃分的類別存在差異性，立足與負載連接形式，可劃分為兩種形式，即并聯(lián)型、串聯(lián)型，其中并聯(lián)型應(yīng)用頻次較高，主要應(yīng)用于補償可視為電流源的諧波源，串聯(lián)型主要用于補償可視為電壓型的諧波源。為有效降低有源電力濾波器實際容量，提出混合型有源電力濾波器[1]。

1.1 并聯(lián)型有源電力濾波器基本原理

有源濾波器與負載端連接形式為并聯(lián)，核心工作原理是按照檢測負載諧波實際電流分量，對有源濾波器進行有效控制，促使其形成一個反方向電流，如此消除電網(wǎng)中諧波電流成分，進而實現(xiàn)補償成效。有源電力濾波器系統(tǒng)主要由兩大部分構(gòu)成，即指令電流運算電路、補償電流發(fā)生電路，前者主要目標是準確檢測需補償?shù)姆蔷€性負載電流中諧波、無功分量；后者需基于上述指令運算電路輸出參考電流產(chǎn)生的補償電路，其中包含控制電路及主電路。

1.2 串聯(lián)型有源濾波器基本原理

串聯(lián)型有源電力濾波器工作原理是：三相電源作為二極管橋式整流供電，由電力MOSFET構(gòu)成的三相橋式逆變器是APF主電路。諧波實際進行補償時，APF依托補償變壓器與電源及橋式整流電路交流間銜接，主要選用串聯(lián)銜接方式，所以稱之為串聯(lián)型。處于實際工作狀態(tài)時，通過控制APF產(chǎn)生電壓，與實際負載諧波電壓數(shù)值相同，且呈反方向，以此消除負載形成的諧波電壓，保證配電網(wǎng)中諧波電流歸零。因此，從本質(zhì)層面分析，串聯(lián)型APF受控電壓源。

2 單位功率因數(shù)控制在有源電力濾波器中的應(yīng)用

有源電力濾波系統(tǒng)核心技術(shù)在于，如何高效實現(xiàn)實時檢測負載電流中無功分量，以及需補充的電流指令信號，其信息獲取精準性，對有源電力濾波系統(tǒng)整體性能造成干擾。瞬時無功功率推廣及應(yīng)用以來，在有源電力濾波器中普遍應(yīng)用，但該理論仍存在一定局限性，為消除該理論瓶頸，嘗試提出基于單位功率因素非有功電流檢測方法及補償方案，具有良好的應(yīng)用優(yōu)勢，不僅可實時檢測需補償參考電流、無須進行煩瑣計算，而且負載變化較快條件下進行實時跟蹤、特別是三相四線制應(yīng)用成效較佳。

2.1 基于單位功率因數(shù)的諧波電流補償

基于單位功率因數(shù)控制策略，根本目的在于促使非線性負載和濾波器形成一個完成整體，將其并聯(lián)等效為電阻性負載，設(shè)定初期電網(wǎng)電壓中并未產(chǎn)生畸變。若增加相應(yīng)濾波器之后負載側(cè)輸入阻抗為電阻性，補償之后電網(wǎng)側(cè)電流與電壓頻次相同，且不含有是諧波成分。

2.1.1 阻感負載單相整流電路仿真研究。為進一步驗證基于單位功率因數(shù)諧波檢測及補償方式有效性，對單項整流電路進行仿真，忽視實際換相過程中電流形成脈動，交流側(cè)實際電抗歸零，直流電感較大，將其可視為具有典范的諧波電流源。實際補償之前電路形態(tài)為方波，其實際有效數(shù)值與直流側(cè)負載電流保持一致，對其進行補償完成之后，電源電流波形成為理想的正弦波。

2.1.2 基于單位功率因數(shù)檢測方法動態(tài)特性研究。隨微處理器良好發(fā)展，各檢測算法中耗損時間不斷縮短，進而可將其時間忽略不計，所以檢測動態(tài)響應(yīng)速率核心源于低通濾波器的固定延時，所以對其進行合理設(shè)計十分關(guān)鍵。首先，濾波器類型選取。一般使用頻次較高的濾波器類型包含多個，對其進行研究實踐分析，立足檢測精準度分析ELLiPtie濾波器最佳。其次，濾波器截止頻率選擇。為進一步提高檢測精準度，截止頻率選擇越低越好，但此種方式會延長時間，影響整個動態(tài)響應(yīng)速率。因此，一味追求截止頻率過低，不僅不會對動態(tài)響應(yīng)具有促進作用，反之使用數(shù)字濾波器實現(xiàn)，影響檢測精準度，通常將其控制在20Hz-40Hz即可。最后，濾波階數(shù)的選擇。濾波階數(shù)與檢測精準度成正相關(guān)，但影響動態(tài)響應(yīng)速率，若選用數(shù)字濾波器，增強計算量，提高檢測時間延長。因此，實際工作中需綜合考量各方面因素，一般選取二階濾波器[2]。

2.2 單位功率因數(shù)控制策略在串聯(lián)型有源電力濾波器中應(yīng)用

傳統(tǒng)串聯(lián)型有源電力濾波器常規(guī)控制方式包含三種模式，即檢測電源電流控制方式、檢測負載電壓控制方式、兩者綜合模式，不同控制模式下呈現(xiàn)特征及成效不盡相同。其中第一種控制方式，串聯(lián)型APF視為一個受控電壓源，可控制APF形成一個超過其諧波電流的諧波電壓，其諧波阻接近無限大時，電源電流呈現(xiàn)為不含有諧波正弦電流。此種控制方式在于將電流引入閉環(huán)控制中，不僅補償負載諧波電壓形成的電源電流畸變，而且可補償電網(wǎng)電壓引起的電流畸變，實際補充成效與其自身阻值密切相關(guān)。第二種控制方式屬于開環(huán)控制，具有一定不穩(wěn)定問題，相較第一種補償成效較佳，其實際補償成效與諧波阻值并無關(guān)聯(lián)。第三種復(fù)合控制方式，保證檢測電壓控制方式優(yōu)勢同時，可將k值取小，以免系統(tǒng)進入不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，進而消除檢測電流控制方式瓶頸。基于單位功率因數(shù)控制策略核心目的在于，促使非線性負載和濾波器組合等效為純電阻負載[3]。

3 基于諧波電壓檢測的并聯(lián)混合型有源電力濾波器控制方案

并聯(lián)混合型有源電力濾波器，將有源和無源濾波器串聯(lián)之后，與非線性負載以并聯(lián)方式銜接，通過無源濾波器隔離基波電壓，最大限度發(fā)揮無源、有源濾波器自身優(yōu)勢，突破其自身瓶頸，不僅有效解決絕緣問題，而且降低成本支出。并聯(lián)混合型有源電力濾波器常規(guī)控制方案分析，具有一定優(yōu)勢同時，需持續(xù)性保持阻值取足夠大，但以此引起系統(tǒng)缺乏穩(wěn)定性。為有效解決上述矛盾，提出基于諧波電壓檢測的并聯(lián)混合型濾波器控制方案。

3.1 基于諧波電壓檢測控制方案實現(xiàn)

按照上述實際工作原理，控制電路需實時檢測無源濾波器兩端諧波電壓，并將其轉(zhuǎn)換為電壓補償指令信號，促使發(fā)生器實時形成諧波電壓，進而對處于動態(tài)化變化的諧波達成實時跟蹤補償目標。并聯(lián)混合型濾波器整體構(gòu)成包含三大模塊，即諧波檢測、PWM發(fā)生器、基波電壓控制。諧波電壓實際檢測主要是基于正弦函數(shù)特征，明確實際基準信號，無須選用固定頻率的濾波器，整體結(jié)構(gòu)較為簡易。并聯(lián)型有源電力濾波器，與單一使用的濾波器相較，唯一不同點在于直流點壓測閉環(huán)中控制量不同。

3.2 有源濾波主電路參數(shù)選擇

一方面，濾波電感。有源濾波電感與實際兩端電壓值成正相關(guān)，由于其開關(guān)逆變器實際電壓較低，最終直流側(cè)電容電壓較小，整體濾波感應(yīng)值較小。另一方面，直流側(cè)電容。按照實際可允許范圍內(nèi)電壓脈動率，最終明確電容器容量。通常實際狀況下，電容器容量可選取裝置補償容量的10%-20%，具體應(yīng)用過程中，取電容值稍大一點更好。與常規(guī)并聯(lián)型有源濾波器相較，混合型濾波器還應(yīng)將特定量的基波無功電流補償。因此，若想從本質(zhì)上降低有源濾波器實際容量，則需將有源濾波器上電壓降低。

3.3 基于諧波電壓檢測的并聯(lián)混合型APF仿真研究

基于帶感性負載單項整流電路，闡述并聯(lián)混合型濾波器實際工作流程，其主要包含三大構(gòu)成模塊，即分整流器、無源濾波器、有源濾波器。通過實際仿真試驗之后，系統(tǒng)性將其進行分析，無源濾波器投入可將大量諧波消除，有效改善電壓波形，但由于無源濾波器頻率出現(xiàn)偏移，無法全部消除諧波，混合濾波器的有源部分投入之后，進一步消除諧波分量。

4 結(jié)束語

有源電力濾波是治理配電網(wǎng)諧波有效措施之一，其與無源電力濾波器相較，具有不可替代的優(yōu)勢，不僅可將諧波電流補償之外，而且還可抑制電壓閃變、三相電壓等。立足國內(nèi)外實際應(yīng)用現(xiàn)狀，充分應(yīng)用有源電力濾波消除諧波及無功補償，是未來主要發(fā)展趨勢，但其整體電路結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)需不斷完善。應(yīng)不斷加大對有源電力濾波器研究，提出有效的檢測方式及控制策略。