【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 并聯(lián)LC濾波器，有源濾波器的容量和造價(jià)可被大大降低。LC濾波器包括多組單調(diào)諧濾波器及高通濾波器，承擔(dān)了絕大部分補(bǔ)償諧波和無(wú)功的任務(wù)。有源濾波器的作用是改善整個(gè)系統(tǒng)的性能以及抑制LC與電網(wǎng)阻抗之間可能發(fā)生的諧振。這種方式的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是必須使得無(wú)源和有源部分各自承擔(dān)的諧波頻譜分離，否則，有可能造成諧波放大。這種方式是在并聯(lián)的負(fù)載和LC濾波器與電源之間串入有源電力濾波器，諧波基本上由LC濾波器補(bǔ)償，而有源濾波器的作用是改善LC濾波器的濾波特性。此處，有源濾波器具有諧波隔離的作用，可將其視為一個(gè)可變阻抗，它對(duì)基波的阻抗為零，對(duì)諧波卻呈現(xiàn)高阻抗，阻止諧波流入電網(wǎng)，而迫使其流入LC濾波器。同時(shí)，有源濾波器還可抑制電網(wǎng)阻抗變化對(duì)LC濾波器的影響，防止電網(wǎng)與LC濾波器之間可能發(fā)生的諧振。從而極大地改善了LC濾波器的性能。由于較小的APF容量(典型值為補(bǔ)償功率的510%)引起了諸多的關(guān)注和研究。 ，再并聯(lián)到電網(wǎng)的混合性濾波器。該方式中，諧波和無(wú)功主要是由LC濾波器補(bǔ)償，而有源濾波器通過(guò)注入諧波電壓使得LC支路對(duì)諧波呈現(xiàn)低阻抗，從而改善LC濾波器的濾波特性，克服無(wú)源濾波器易受電網(wǎng)阻抗的影響等缺點(diǎn)。APF1串連于電網(wǎng)支路，注入電壓源使得對(duì)基波等效阻抗為零，對(duì)諧波則阻抗為無(wú)窮大；APF2串聯(lián)于無(wú)源濾波支路，改善LC濾波器的濾波特性。值得一提的是，以上的混合型APF均適合于各種類(lèi)型的非線(xiàn)性負(fù)載。 并聯(lián)型APF與PF并聯(lián)使用 串聯(lián)HAPF 并聯(lián)型APF與PF串聯(lián)使用 串并聯(lián)HAPF，可以分為單個(gè)主電路有源電力濾波器和多重化主電路的有源電力濾波器。后者可以提高APF的容量，降低單個(gè)器件的工作頻率。，可以分為單相APF和三相APF。后者又可以分為用于三相三線(xiàn)制電路的APF和用于三相四線(xiàn)制電路的APF。在各種APF中，單獨(dú)使用的并聯(lián)型有源濾波器是最基本的一種，也是工業(yè)實(shí)際中應(yīng)用最多的一種。因此，本又主要以并聯(lián)電壓型三相APF為研究對(duì)象。 有源電力濾波器的主電路形式 有源電力濾波器在實(shí)際應(yīng)用中往往要求容量較大，尤其是單獨(dú)使用有源濾波器的時(shí)候，當(dāng)采用單個(gè)PWM變流器不能達(dá)到容量要求時(shí)，通常采用多重化的主電路形式[1]。采用單個(gè)PWM變流器的有源濾波器的主電路，根據(jù)其直流側(cè)貯能元件的不同，可分為電壓型和電流型兩種， 三相電壓型PWM變流器 三相電流型PWM變流器～V6為各組開(kāi)關(guān)器件的代號(hào)，實(shí)際應(yīng)用中主電路使用的電力電子開(kāi)關(guān)器件可用GTO、BJT、IGBT和電力MOSFET等器件。就其結(jié)構(gòu)而言，這兩種電路與變頻器、靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）等的主電路結(jié)構(gòu)基本相同，只是因應(yīng)用場(chǎng)合不同，要求不同，控制方法也不同。電壓型和電流型兩種主電路形式的一些主要區(qū)別在于：（1）電壓型PWM變流器的直流側(cè)接有大電容，在正常工作時(shí)，其電壓基本保持不變，可看作電壓源；電流型PWM變流器的直流側(cè)接有大電感，在正常工作時(shí)，其電流基本保持不變，可看作電流源；（2）對(duì)于電壓型PWM變流器，為保持直流側(cè)電壓不變，需要對(duì)直流側(cè)電壓進(jìn)行控制；對(duì)于電流型PWM變流器，為保持直流側(cè)電流不變，需要對(duì)直流側(cè)電流進(jìn)行控制；（3）電壓型PWM變流器的交流側(cè)輸出電壓為PWM波，電流型PWM變流器的交流側(cè)輸出電流為PWM波。與電壓型PWM變流器相比較，電流型有源電力濾波器雖有較高的可靠性，不會(huì)由于主電路開(kāi)關(guān)器件的直通而發(fā)生短路故障，但在直流側(cè)需要數(shù)值較大的電感，有較高的損耗，因此在一般場(chǎng)合下使用較少。而電壓型PWM變流器在它的直流側(cè)帶有一個(gè)大電容，因?yàn)槠涮匦暂^好，所以現(xiàn)在主要使用的是這種裝置。 在對(duì)諧波及無(wú)功電流進(jìn)行補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程中，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)出負(fù)荷電流的諧波及無(wú)功對(duì)于補(bǔ)償?shù)男Ч欠浅Ｖ匾?。只有檢測(cè)出電網(wǎng)中電流和電壓的畸變部分，才能采用某種控制方式使主電路產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流分量，注入到電網(wǎng)中，以達(dá)到消除諧波的目的。諧波電流的檢測(cè)可分為頻域和時(shí)域兩大類(lèi)。基于頻域的電流檢測(cè)法主要有帶通濾波器檢測(cè)法和快速傅立葉變換法等，但由于它們固有的缺陷,濾波效果較差，不能滿(mǎn)足準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)性的要求。時(shí)域電流檢測(cè)法在有源濾波器中應(yīng)用較廣。主要有以下幾種諧波檢測(cè)的方法[1,7，10]：（1）提取基波分量法提取基波分量法是最早被采用的諧波電流檢測(cè)方法，其原理是在檢測(cè)到的信號(hào)中提取出基波分量，它與原信號(hào)之差就是所需補(bǔ)償?shù)闹C波，通?？刹捎脦V波器實(shí)現(xiàn)，但所采用的高階濾波器會(huì)產(chǎn)生附加相移，影響補(bǔ)償效果。此外，這種方法還存在設(shè)計(jì)困難、誤差大、對(duì)電網(wǎng)頻率波動(dòng)和電路元件參數(shù)較敏感等缺點(diǎn)，因而目前已較少采用。（2）采用傅立葉分析方法隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)始采用傅立葉分析的方法來(lái)檢測(cè)諧波和無(wú)功電流。該方法是建立在傅立葉分析的基礎(chǔ)上，因此要求被補(bǔ)償?shù)闹C波信號(hào)波形是周期變化的，否則會(huì)帶來(lái)較大誤差。通過(guò)傅立葉變換將檢測(cè)到的一個(gè)周期的諧波信號(hào)進(jìn)行分解，得到各次諧波的幅值和相位系數(shù)，將擬抵消的諧波分量通過(guò)帶通濾波器或傅里葉變換器得出所需的誤差信號(hào)，再將該誤差信號(hào)進(jìn)行傅立葉反變換，即可得補(bǔ)償信號(hào)。其優(yōu)點(diǎn)是可以選擇擬消除的諧波次數(shù)，缺點(diǎn)是需要一定時(shí)間的電流值，且需進(jìn)行兩次變換，計(jì)算量大，從而使檢測(cè)方法有較長(zhǎng)的時(shí)間延遲，檢測(cè)的結(jié)果實(shí)際上是較長(zhǎng)時(shí)間前的諧波和無(wú)功電流，實(shí)時(shí)性不好。（3）基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)方法80年代，日本學(xué)者Akagi提出了基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的、檢測(cè)方法，在此基礎(chǔ)上又陸續(xù)出現(xiàn)了 、 運(yùn)算法，基于坐標(biāo)系下的廣義瞬時(shí)無(wú)功功率檢測(cè)法。從計(jì)算量看， 、 運(yùn)算法占優(yōu)勢(shì)，更適合電流的快速檢測(cè)。實(shí)踐證明，當(dāng)三相電壓對(duì)稱(chēng)且無(wú)畸變時(shí)， 、法和 、 法均十分有效，可以準(zhǔn)確檢測(cè)出全部諧波及無(wú)功電流，并可根據(jù)不同的補(bǔ)償要求制成功能各異的有源濾波器；而且，可以將單相電路的電壓、電流看成相，另外構(gòu)造相電壓和電流，這樣、法和 、 法也可用于單相系統(tǒng)的電流檢測(cè)。當(dāng)電壓對(duì)稱(chēng)但有畸變時(shí)，對(duì)于 、 運(yùn)算方式，畸變電壓的諧波成分在運(yùn)算過(guò)程中不出現(xiàn)，因此檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確不受影響，而只要電網(wǎng)電壓有畸變，、法的檢測(cè)結(jié)果都會(huì)有誤差。當(dāng)三相電壓不對(duì)稱(chēng)時(shí)，電壓中包含負(fù)序分量和零序分量，其引起的正余弦信號(hào)相位偏移不影響運(yùn)算方式的準(zhǔn)確測(cè)量。當(dāng)系統(tǒng)為三相四線(xiàn)制時(shí)，可以運(yùn)用 、 運(yùn)算方式進(jìn)行測(cè)量，但需增加一個(gè)加法器和三個(gè)減法器。該方法在只檢測(cè)無(wú)功電流時(shí)，可以完全無(wú)延時(shí)地得出檢測(cè)結(jié)果。檢測(cè)諧波電流時(shí)，因被檢測(cè)對(duì)象電流中諧波的構(gòu)成和采用的濾波器的不同，會(huì)有不同的延時(shí)，但延時(shí)最多不超過(guò)一個(gè)電源周期。對(duì)于電網(wǎng)中最典型的諧波源，如三相橋式整流器，其檢測(cè)的延時(shí)約為1/6周期?？梢?jiàn)，該方法具有很好的實(shí)時(shí)性?；谒矔r(shí)無(wú)功功率理論的瞬時(shí)空間矢量法簡(jiǎn)單易行，性能良好，并已趨于完善和成熟，今后仍將占主導(dǎo)地位。（4）自適應(yīng)電流檢測(cè)法該方法基于自適應(yīng)干擾對(duì)消原理，把電壓作為參考輸入，負(fù)載電流作為原始輸入，電壓經(jīng)自適應(yīng)濾波器處理后，輸出一個(gè)與負(fù)載電流基波有功分量幅值、相位均相等的信號(hào)，將此信號(hào)從負(fù)載電流中扣除，得到高次諧波和無(wú)功電流分量的總和。有采用模擬電路制成電流的自適應(yīng)檢測(cè)單元，和采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)構(gòu)成自適應(yīng)濾波器，仿真結(jié)果表明其效果是良好的。可以認(rèn)為，自適應(yīng)電流檢測(cè)法是一種有發(fā)展前途的新方法。（5）其它的電流檢測(cè)方法另外，對(duì)諧波電流的檢測(cè)方法還有大量的研究。例如基于小波變換的諧波電流實(shí)時(shí)檢測(cè)法，小波分析是時(shí)頻分析的一種工具，克服了傅里葉分析在頻域完全局部化而在時(shí)域完全無(wú)局部性的缺點(diǎn)，尤其適合于非平穩(wěn)信號(hào)的分析與處理。又如，利用離散傅立葉變換實(shí)現(xiàn)特殊濾波器的瞬時(shí)諧波電流的檢測(cè)方法，理論推導(dǎo)和仿真實(shí)驗(yàn)表明，該數(shù)字諧波檢測(cè)系統(tǒng)既保留了數(shù)字濾波器的準(zhǔn)確性，又克服了長(zhǎng)期以來(lái)數(shù)字濾波器跟隨性差的問(wèn)題，算法易于實(shí)現(xiàn)。這些方法能否應(yīng)用于工程實(shí)際，還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。檢測(cè)出畸變電流后，必須對(duì)逆變器進(jìn)行控制，使其輸出的補(bǔ)償電流能實(shí)時(shí)、快速地跟蹤參考電流的變化，以達(dá)到理想的補(bǔ)償效果。有源濾波器補(bǔ)償電流的控制仍屬于逆變器PWM電流控制的范疇，主要有以下幾種方法:（1）三角波調(diào)制法三角波調(diào)制法是最簡(jiǎn)單、常用的一種逆變器PWM電流控制法，它將調(diào)制后的電流實(shí)際值與參考值之間的偏差與高頻的三角調(diào)制波進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，得到它們的交點(diǎn)作為逆變器開(kāi)關(guān)動(dòng)作的依據(jù)。該方法的最大優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率固定，而且簡(jiǎn)單易行，響應(yīng)速度快，對(duì)高開(kāi)關(guān)頻率的系統(tǒng)具有較好的控制特性。但另一方面，高頻的三角波將使逆變器始終以高頻狀態(tài)工作，從而產(chǎn)生較大的開(kāi)關(guān)損耗和高頻失真，在大功率應(yīng)用中受到限制。（2）滯環(huán)控制法這種電流控制法的工作原理是：將補(bǔ)償電流參考值與逆變器實(shí)際電流輸出值之差輸入到具有滯環(huán)特性的比較器，通過(guò)比較器的輸出來(lái)控制開(kāi)關(guān)的開(kāi)合，從而達(dá)到逆變器輸出值實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償電流參考值。很明顯，系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率，響應(yīng)速度和電流的跟蹤精確度均受帶寬影響。當(dāng)帶寬窄時(shí),響應(yīng)速度快，精確度較高，但開(kāi)關(guān)頻率也較高。它的缺點(diǎn)是：由于逆變器開(kāi)關(guān)頻率在滯環(huán)帶內(nèi)變化不定，造成過(guò)大的脈動(dòng)電流和開(kāi)關(guān)噪聲；對(duì)于無(wú)中線(xiàn)連接的逆變器，三相間的控制不獨(dú)立，會(huì)產(chǎn)生相間干擾；該方法也不利于快速暫態(tài)控制。（3）無(wú)差拍控制法無(wú)差拍控制法實(shí)際上是一種采用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)的預(yù)測(cè)控制方案。它以電流誤差等于零為目標(biāo)，根據(jù)第K個(gè)時(shí)刻的補(bǔ)償電流參考值和實(shí)際值，計(jì)算K+1時(shí)刻的電流參考值及各種開(kāi)關(guān)狀態(tài)下逆變器電流輸出值，選擇使電流誤差最小的開(kāi)關(guān)模式作為第K+1時(shí)刻的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。該方法能夠快速響應(yīng)電流的突然變化，特別適合快速暫態(tài)控制。但是，由于計(jì)算量很大，而且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)依賴(lài)性較大，對(duì)于有源濾波器這樣一個(gè)非線(xiàn)性多變量系統(tǒng)而言，應(yīng)用無(wú)差拍控制法，目前仍不多。（4）協(xié)調(diào)三相滯后控制法該方法將逆變器輸出電壓分解為徑向和切向分量，采用在固定和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)上都施加滯后控制的措施，對(duì)這兩個(gè)分量的偏差進(jìn)行幅值的方向控制，使逆變器輸出電流變化最小，開(kāi)關(guān)頻率的擾動(dòng)最小。在小功率三相電路上的實(shí)驗(yàn)表明，該方法對(duì)暫態(tài)擾動(dòng)響應(yīng)速度快，并能提供完全優(yōu)化的三相開(kāi)關(guān)模式，獲得較好的補(bǔ)償效果。以上四種方法中，基于模擬控制技術(shù)的三角載波線(xiàn)性控制法和滯環(huán)比較控制法是目前有源濾波器中普遍采用的方法，可通過(guò)多重化技術(shù)、自適應(yīng)滯環(huán)帶等改進(jìn)措施來(lái)克服其固有的缺陷，提高其使用效率。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，無(wú)差拍控制法及其它快速優(yōu)化控制法將得到進(jìn)一步研究和應(yīng)用。因此，將出現(xiàn)多種控制方法并存的局面。以上的有源濾波器控制方法都是基于跟蹤非線(xiàn)性負(fù)荷諧波進(jìn)行控制的思想，其測(cè)量和控制系統(tǒng)都比較復(fù)雜。近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者提出了基于優(yōu)化特定消諧PWM技術(shù)的廣義有源濾波器，通過(guò)改變逆變器輸出波形的頻譜分布，使其接近于正弦波，從而達(dá)到消諧的目的。從原理上看，廣義有源濾波器是一種新型非跟蹤型有源濾波器，其控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，是一種構(gòu)思較新穎的有源濾波器模式。 本章小結(jié)本章就有源濾波器進(jìn)行了深入討論。分析了有源濾波器的基本工作原理，給出了其基本類(lèi)型，對(duì)其主電路形式作了分析和比較，針對(duì)有源濾波器的諧波電流檢測(cè)和控制策略這兩個(gè)重點(diǎn)，討論了多種實(shí)現(xiàn)方法并進(jìn)行了比較。3并聯(lián)型有源濾波器的直流側(cè)電壓控制方案分析由于電壓源并聯(lián)型有源電力濾波器直流側(cè)一般采取直流電容，在控制有源電力濾波器的補(bǔ)償電流的過(guò)程中，直流側(cè)電壓常因以下原因出現(xiàn)大幅度波動(dòng)：①濾波器和電網(wǎng)之間大容量的無(wú)功交換；②負(fù)序電流和系統(tǒng)電壓在直流側(cè)產(chǎn)生能量脈動(dòng)，使得直流電壓波動(dòng)；③逆變器開(kāi)關(guān)損耗引起直流側(cè)電壓降低。直流側(cè)電壓的波動(dòng)將會(huì)引起逆變器產(chǎn)生的補(bǔ)償電流的變化，從而影響濾波器的補(bǔ)償性能。線(xiàn)路阻抗和開(kāi)關(guān)損耗的影響以及負(fù)載電流變化引起的系統(tǒng)對(duì)有功功率需求的變化，都會(huì)導(dǎo)致直流側(cè)電容電壓的波動(dòng)，使直流側(cè)電容欠電壓甚至過(guò)電壓，影響了對(duì)諧波電流的補(bǔ)償效果，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)＜盀V波器的可靠運(yùn)行。所以在控制補(bǔ)償電流的同時(shí)，必須要保持直流側(cè)電壓基本不變[2]。 三相瞬時(shí)無(wú)功功率理論、理論，是以瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率的定義為基礎(chǔ)的，、理論的出現(xiàn)標(biāo)志著瞬時(shí)無(wú)功功率理論的誕生，但它并不完善，主要是未對(duì)有關(guān)的電流量進(jìn)行定義。下面將介紹的是以瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功功率為基礎(chǔ)的理論體系，以及它與傳統(tǒng)功率定義之間的關(guān)系[1,8]。設(shè)三相電路電壓和電流的瞬時(shí)值分別為、和、。為分析問(wèn)題方便，把它們變換到兩相正交的坐標(biāo)系上研究。有下面的變換可以得到兩相瞬時(shí)電壓、 和兩相瞬時(shí)電流、 。 （） （） 式中，矢量、 和、 分別可以合稱(chēng)為（旋轉(zhuǎn)）電壓矢量和電流矢量。 （） （）式中，、為矢量、的模；、分別為矢量、的幅角。三相電路瞬時(shí)有功電流 和瞬時(shí)無(wú)功電流 分別為： （） （）三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率q和瞬時(shí)有功功率p分別為： （） （） 坐標(biāo)系中的電壓、電流矢量把式（）、（）及帶入式（）、（）中，并寫(xiě)成矩陣形式得出： （）式中： 。、相的瞬時(shí)無(wú)功電流 、 和瞬時(shí)有功電流 、 ，分別為：