目錄[隱藏]
1的基本原理
2分類
3控制
4應用
有源電力濾波器-基本原理
有源電力濾波器系統主要由指令電流運算電路和補償電流產生電路(由電流跟蹤控制電路、驅動電路和主電路組成)兩部分組成。
命令電流運算電路的主要功能是從負載電流IL中分離出諧波電流分量iLH和基波無功電流iLg，然後將它們反轉以產生補償電流的命令信號IC = (iLh+ILQ)。電流跟蹤控制電路的作用是根據主電路產生的補償電流ico要跟蹤ic的原理，計算主電路各開關器件的觸發脈沖，這個脈沖經過驅動電路後作用於主電路，產生補償電流ico。因為IC≈ICO，所以計算主電路各開關器件的觸發脈沖。
iS=iL+ic=iL+ico
= il-(ilh+ilq) = iLp，即電源電流iS只含有基波的有功分量iLp，從而達到諧波消除和無功補償的目的。根據同樣的原理，有源電力濾波器也可以補償不對稱三相電路的負序電流分量。
有源電力濾波器的主電路壹般由PWM逆變器構成。根據逆變器DC側儲能元件的不同，可分為電壓型APF(儲能元件為電容)和電流型APF(儲能元件為電感)。電壓型APF需要控制DC側電容電壓，以保持DC側電壓不變，因此逆變器交流側輸出為PWM電壓波。而電流型APF工作時需要控制DC側的電感電流，使DC側的電流保持不變，所以逆變器交流側輸出的是PWM電流波。電壓型有源電力濾波器具有損耗小、效率高的優點，是國內外大多數有源電力濾波器采用的主要電路結構。電流型APF目前很少使用，因為電流側電感中總有電流流過，會造成電感內阻的極大損耗。然而，電流模式APF不會因為開關器件而短路。隨著超導儲能磁體的發展，也將促進多功能電流型有源電力濾波器的實用化。
從上述原理可以看出，有源電力濾波器利用瞬時濾波成形技術對含有諧波和無功分量的非正弦波進行“校正”，與基於穩態頻譜的“濾波”概念有很大不同，類似於自適應濾波技術中的“幹擾抵消器”。因此，有源電力濾波器響應速度快，能動態補償變化的諧波和無功功率，其補償特性受電網阻抗參數影響較小。
有源電力濾波器.分類
(1)根據電路拓撲結構，有源電力濾波器可分為並聯型、串聯型、串並聯型和混合型。
(2)根據電源類型，APF可分為單相APF、三相三線APF、三相四線APF和有源線路調節器(APLC)。
三相四線制APF主要用於補償供電中線的電流諧波、無功功率和三相之間的不平衡。當額定功率較小時，主電路可以直接采用三相逆變器，DC側電容的中點接在電源的中點。當負載功率較高時，可采用四橋臂逆變器，第四橋臂可單獨補償中線；為了實現三相獨立調節，可以分別用三個比較復雜的單相橋式逆變器進行補償。有源線路調節器是向電網中的壹個(或幾個)最優節點註入消諧補償電流，實現壹定範圍內電能質量的綜合管理。目前，國外更高層次的有源電力濾波器技術仍處於研究階段。
有源電力濾波器-控制
如上所述，有源電力濾波器的控制主要是指令電流的運算和補償電流的產生。
(1)指令電流的操作
指令電流iC的操作方法主要有以下幾種:
①基於頻域運算的方法:這是第壹種應用於指令電流運算的方法。其基本思想是利用頻域濾波法(利用帶通濾波器)，先分離負載電流中的基波分量和諧波分量，再利用電路理論中的計算方法，將基波電流分解為基波有功分量和基波無功分量。因為需要采用具有銳截止的高階帶通濾波器，所以附加相移很大。此外，其濾波特性對電網頻率波動和電路元件參數也很敏感。因此這種方法已經很少使用，轉而采用基於快速傅立葉變換的全數字頻域濾波方法，並能自動跟蹤電網頻率波動，自適應提取基波分量。但是這種方法仍然存在時延大、實時性差、補償效果差等問題。
②瞬時空間矢量法:基於無功功率理論的瞬時矢量法是三相有源電力濾波器中應用最廣泛的指令電流運算法。最早由日本學者H. Akagi在1984中提出，僅適用於對稱三相電路。經過不斷改進，現在包括P-Q法、IP-IQ法、D-Q法。首次應用P-Q法，僅適用於對稱無畸變的三相電網。IP-IQ法不僅對電源電壓畸變有效，而且適用於非對稱三相電網。基於同步旋轉park變換的D-Q方法不僅簡化了對稱畸變下指令電流的運算，而且適用於非對稱畸變電網。
③基於現代控制理論的方法:最早的方法是基於P-I控制器。由於P-I控制器的特性不能適應負荷和電網的變化，後來基於滑模控制和模糊控制的現代控制方法被提出。它們都是根據逆變器DC側的電壓(電壓型APF)或電流(電流型APF)直接計算出所需電網電流的基波有功分量的幅值，從而得到所需補償電流的指令值ic。該方法適用於單相和三相APF，也適用於電網電壓畸變的情況。
④自適應檢測法:該方法基於自適應濾波中的自適應幹擾抵消原理，從負載電流中消除基波有功分量，從而得到所需的補償電流指令值。該方法的突出優點是對電壓畸變、頻率偏移和電網參數變化具有良好的自適應調節能力，但目前其動態響應速度仍然較慢。之後，提出了壹種基於神經網絡的自適應檢測方法。
(2)補償電流的產生
對於采用PWM電壓源逆變器的有源電力濾波器，產生補償電流的方法主要有三種:
①三角載體線性控制。這是最簡單的線性控制方法。它以指令電流ic與實際補償電流ico之差作為調節信號，與高頻三角載波進行比較，從而得到逆變開關器件所需的控制信號。其優點是動態響應好，開關頻率固定，電路簡單。其缺點是開關損耗大，輸出波形含有載波頻率及其諧波頻率的高頻失真成分。
②滯環比較控制。在該方法中，命令電流和實際補償電流之間的差被輸入到具有滯後特性的比較器中，然後比較器的輸出被用於控制逆變器的開關器件。與三角載波控制方式相比，該方法具有更小的開關損耗和更快的動態響應。但是，這種方法使開關頻率變化很大，容易引起脈沖電流和開關噪聲。後來為了限制最大開關頻率，提出了壹種變滯環帶寬的改進算法，這必將影響補償電流的響應速度和跟蹤精度。③無差拍控制。這種方法是壹種全數字控制技術。它利用前壹時刻的指令電流值和實際補償電流值，根據空間矢量理論計算逆變器下壹時刻應滿足的開關模式。其優點是動態響應快，易於計算機執行。但它具有計算量大、對系統參數依賴性大的缺點。後來有壹些改進的方法來簡化它的計算。隨著數字信號處理單片(DSP)的日益普及，這是壹種很有前途的控制方法。以上控制策略只是我目前看到的主要方法。隨著DSP技術和智能控制理論的發展，有源電力濾波器的控制策略不斷湧現。隨著控制策略的改進，APF的特性會不斷改善，相應的價格也會下降。
有源電力濾波器-應用
有源電力濾波器作為改善供電質量的關鍵技術，在國外已經日趨成熟。僅日本就有500多臺APF投入運行，容量達到60MVA。在應用APF時，壹般應考慮以下幾個方面:
(1)組件參數的選擇
首先是開關器件的選擇。IGBT壹般用於容量小於2MVA的APF，GTO和復用技術可用於容量大於5MVA的APF。其次，為了減小逆變器註入電網的開關紋波而不降低APF的補償特性，應精心設計電壓源逆變器的輸出電感和無源紋波濾波器；最後，為了保證逆變器DC側電壓的穩定，應適當選擇DC側電容值。
(2)經濟考慮
APF的技術概念早在20世紀70年代就已經提出，但直到90年代APF技術才投入實際應用。其中壹個重要原因就是APF的實際成本太高。因此，在選擇應用APF時，必須考慮其成本和價格。就目前的技術水平而言，小額定APF結合無源濾波器的混合有源電力濾波器是壹種可行的方案。當然，隨著開關器件和DSP芯片價格的下降，串並聯有源電力濾波器也很有前景。
我國有源電力濾波器的研究和應用遠遠落後於國外。除了少數已經投入工業試運行的APF外，大部分仍處於研制階段。然而，隨著我國對電網諧波汙染治理的日益重視，“綠色電力電子”的呼聲越來越高，有源電力濾波器必將得到廣泛的推廣和應用。