江蘇自動(dòng)化研究所 孫日明 陸 陽(yáng)

目前，電力設(shè)備數(shù)量大、種類(lèi)多，其中各類(lèi)交變流電力設(shè)備的應(yīng)用，降低了供電網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量，此時(shí)若直接用該電網(wǎng)給精密的電子設(shè)備供電，則可能影響設(shè)備的正常工作甚至損壞設(shè)備，由此可見(jiàn)，如何抑制供電網(wǎng)絡(luò)中的諧波電流是個(gè)值得研究的問(wèn)題。

1 有源電力濾波器

上世紀(jì)60年代，有源電力濾波器理論（APF）由J.F.Marsh與B.M.Bird共同提出，其是一種新型諧波處理方式，采用向供電網(wǎng)絡(luò)輸入和諧波電流幅值相等、相位相反的補(bǔ)償電流的方式來(lái)抑制諧波電流，從而提升供電網(wǎng)絡(luò)的電能質(zhì)量；上個(gè)世紀(jì)70年代初，日本研究人員H.Sasaki和T.Machida詳細(xì)系統(tǒng)地概括了APF的工作原理；此后，美國(guó)研究人員L.Gyugyi等人提出了一種逆變電路可以滿(mǎn)足APF對(duì)主電路的需求，但受到彼時(shí)技術(shù)發(fā)展水平限制，APF仍然處在理論研究階段，沒(méi)有實(shí)際設(shè)備面世。直到上個(gè)世紀(jì)80年代，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是各種全新的電力電子器件投入市場(chǎng)，加之諧波檢測(cè)方法的進(jìn)步，都加速了APF的發(fā)展。

2 有源電力濾波器分類(lèi)

本文將從三個(gè)不同的角度對(duì)APF進(jìn)行分類(lèi)。

2.1 按照接入供電網(wǎng)絡(luò)電網(wǎng)的方式

依據(jù)有源電力濾波器接入供電網(wǎng)絡(luò)的不同方式，可以將其分類(lèi)為：串聯(lián)型、并聯(lián)型和串-并聯(lián)型有源電力濾波器。

串聯(lián)型有源電力濾波器通常用于處理諧波電壓污染，其必須串聯(lián)耦合變壓器間接接入供電網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)APF工作時(shí)，耦合變壓器流過(guò)的電流等于總負(fù)載電流，因此對(duì)變壓器容量的要求很高，并且該類(lèi)APF在投切和保護(hù)方面的措施也很復(fù)雜，導(dǎo)致成本難以降低。

并聯(lián)型有源電力濾波器通常用于處理諧波電流污染，相較于串聯(lián)型，該類(lèi)有源電力濾波器直接接入供電網(wǎng)絡(luò)而不必通過(guò)耦合變壓器，對(duì)原電路不存在干擾，并且該類(lèi)APF的投切與設(shè)備保護(hù)措施也容易實(shí)現(xiàn)。該類(lèi)有源電力濾波器對(duì)電力電子器件的容量需求仍較高，但可以通過(guò)有源電力濾波器并聯(lián)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)充容量。

串-并聯(lián)型有源電力濾波器保留了并聯(lián)型APF、串聯(lián)型APF的優(yōu)勢(shì)，不但具備處理諧波電壓污染的能力，也可以有效處理諧波電流污染，能夠應(yīng)對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)中大多數(shù)的電能質(zhì)量問(wèn)題，因此該類(lèi)有源電力濾波器也被稱(chēng)為萬(wàn)能濾波器。但該類(lèi)APF的控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價(jià)較高，導(dǎo)致其推廣受到了阻礙。

串聯(lián)型、并聯(lián)型APF既可以獨(dú)立使用，也可以組合無(wú)源電力濾波器來(lái)共同處理諧波污染，將二者的組合稱(chēng)為混合型APF。在混合型APF中，無(wú)源電力濾波器承擔(dān)了大部分諧波的抑制任務(wù)，能夠有效減小APF的容量要求，達(dá)到電力濾波器容量擴(kuò)充的作用。

2.2 按照逆變電路的直流端儲(chǔ)能元件

依據(jù)APF逆變電路直流側(cè)儲(chǔ)能元件的不同，將APF分為電壓源型和電流源型。電壓源型APF主電路儲(chǔ)能元件為電容，電流源型APF主電路直流側(cè)儲(chǔ)能元件是電感。

電流源型APF具備處理諧波電流污染的能力，等效于受控電流源，其可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定工作且不易受到干擾；同時(shí)，當(dāng)諧波電流發(fā)生波動(dòng)時(shí)，電流源型APF也能快速的做出反應(yīng)。因?yàn)殡娏髟葱陀性措娏V波器逆變電路的直流側(cè)儲(chǔ)能元件為大容量電感，所以其能耗高，且其逆變電路的驅(qū)動(dòng)技術(shù)成熟度不高，都阻礙了電流源型APF的應(yīng)用。

電壓源型APF具備處理諧波電壓污染的能力，等效于受控電壓源，其能夠以較小的電能損耗實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波電壓的抑制；同時(shí)，可以通過(guò)多電平技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)APF的容量擴(kuò)充。因?yàn)閮H可通過(guò)改變電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制，所以電壓型APF的應(yīng)對(duì)諧波波動(dòng)的性能弱于電流源型APF。當(dāng)前，投入市場(chǎng)應(yīng)用的有源電力濾波器基本都是電壓源型的。

綜上所述，電壓源型APF的推廣價(jià)值更高。

2.3 按照補(bǔ)償電流的相數(shù)

按照APF補(bǔ)償電流（或補(bǔ)償電壓）相數(shù)的不同，將其劃分成單相APF和三相APF，三相APF又可劃分成三相三線(xiàn)制APF和三相四線(xiàn)制APF。

APF相數(shù)可依據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境來(lái)確定。一般情況下，寫(xiě)字樓、小型工廠等是使用單相有源電力濾波器；大型加工廠、電氣化鐵路等大功率應(yīng)用環(huán)境，一般使用三相三線(xiàn)制有源電力濾波器；三相四線(xiàn)制有源電力濾波器一般運(yùn)用于居民小區(qū)等應(yīng)用環(huán)境。

3 有源電力濾波器電流控制策略研究現(xiàn)狀

有源電力濾波器抑制諧波性能的好壞取決于電流跟蹤策略的優(yōu)劣，因此眾多學(xué)者將電流跟蹤控制策略作為APF的主要研究方向。提升指令電流跟蹤控制策略的性能，有助于增強(qiáng)APF的實(shí)時(shí)性和控制力，進(jìn)而提高APF抑制諧波的效果。目前，典型的有源電力濾波器電流跟蹤控制策略有滯環(huán)控制法、PI控制、諧振控制、重復(fù)控制等。

3.1 滯環(huán)控制法

滯環(huán)控制法把指令電流和APF輸出電流作差后，通過(guò)比較器得出有源電力濾波器的主電路開(kāi)關(guān)控制量。滯環(huán)控制法可以及時(shí)對(duì)電流波動(dòng)做出反應(yīng)，同時(shí)其靜態(tài)性能好，具備較強(qiáng)的抗干擾性能。但其也存在明顯缺點(diǎn)，例如：逆變電路所采用的元件的開(kāi)關(guān)速度快、損耗大，并且運(yùn)用于多電平的時(shí)候，將會(huì)引起直流側(cè)兩端電壓不對(duì)稱(chēng)。肖麗平、童朝南等人將滯環(huán)控制算法與變環(huán)寬函數(shù)相結(jié)合，使得環(huán)寬的確定更加合理，提高了APF的諧波抑制效果。付澤勛、江友華等人將空間電壓矢量和滯環(huán)控制策略相結(jié)合，減小了電力電子元件的開(kāi)關(guān)速度。張竹、張代潤(rùn)等人設(shè)計(jì)了一種無(wú)需增設(shè)附加電路的定頻滯環(huán)電流控制策略，保證了主電路電力電子器件開(kāi)關(guān)速度的穩(wěn)定。趙鋼、邵廣時(shí)將滯環(huán)電流控制策略運(yùn)用到三電平APF中，設(shè)計(jì)了雙滯環(huán)矢量控制策略，能夠有效抑制諧波。

3.2 PI控制

PI控制策略具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)應(yīng)對(duì)諧波波動(dòng)的能力強(qiáng)，且易于工程實(shí)現(xiàn)；但其對(duì)諧波的抑制效果較差，難以滿(mǎn)足精度要求，且其對(duì)高次諧波的抑制能力十分有限，單純應(yīng)用PI電流控制策略的有源電力濾波器無(wú)法滿(mǎn)足諧波補(bǔ)償?shù)囊?。李?guó)華、汪玉鳳等人為了簡(jiǎn)化整個(gè)控制器的結(jié)構(gòu)，省去了諧波電流檢測(cè)環(huán)節(jié)，且無(wú)需采樣APF輸出電流，設(shè)計(jì)出一種PI網(wǎng)側(cè)電流控制策略，但其也存在精度低的缺點(diǎn)。周娟、耿乙文為了消除APF相電流的相互干擾，設(shè)計(jì)了一種結(jié)合PI控制和前饋解耦的復(fù)合控制策略。陳曦、唐斌等人設(shè)計(jì)了結(jié)合復(fù)數(shù)積分和PI控制的電流控制算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)指令電流的無(wú)差跟蹤。晏夏瑜、韋彬等人把PI控制和模糊控制相結(jié)合，使得參數(shù)可以自適應(yīng)調(diào)節(jié)，從而提高了諧波的抑制性能。

3.3 諧振控制

從原理上講，采用諧振原理的控制器可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定頻率的正弦波無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤控制，且可針對(duì)特定次諧波電流進(jìn)行抑制。但諧振控制策略必須對(duì)各次諧波單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)控制器，造成整個(gè)控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)際應(yīng)用成本高。?；?、周苗等人充分發(fā)揮諧振控制能抑制特定頻率諧波的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合PI控制，其中PI負(fù)責(zé)處理大部分諧波，諧振控制則處理諧波含量較高的特定頻率諧波，獲得了良好的綜合抑制效果。馬駿、時(shí)珊珊為了增加諧振電流控制策略的帶寬，結(jié)合積分環(huán)節(jié)提出了一種新型諧振電流控制策略，同時(shí)其工作狀態(tài)穩(wěn)定、不易受到干擾。汪玉鳳、王旭等人成功地把諧振電流控制策略運(yùn)用到混合APF中，采用了一種比例諧振電流控制策略，簡(jiǎn)化了控制器結(jié)構(gòu)，獲得了良好的靜態(tài)補(bǔ)償精度和快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

3.4 重復(fù)控制

重復(fù)控制可以連續(xù)累加周期性的信號(hào)，如果輸入值為0，仍會(huì)繼續(xù)累加與上個(gè)周期相同的信號(hào)，可以將其當(dāng)作任意波形發(fā)生器。重復(fù)控制可完成對(duì)指令信號(hào)的無(wú)差跟蹤，具備控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)諧波發(fā)生突變的時(shí)候，其應(yīng)對(duì)速度較慢，至少經(jīng)過(guò)一個(gè)基波周期方可做出反應(yīng)。Demirdelen T,Kayaalp R等人改進(jìn)了重復(fù)控制器的內(nèi)模，實(shí)現(xiàn)了對(duì)某些次諧波的控制，具備完全抵消掉這些次諧波的能力。通常情況下，諧波電流的次數(shù)主要為6K±1次，Escobar G、Hernandez-Gomez M提出了可跟蹤控制次數(shù)為6K±1諧波的內(nèi)模，但同時(shí)其存在魯棒性差的缺點(diǎn)。一般情況下，重復(fù)內(nèi)模都是正反饋，所以當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)會(huì)存在相位偏移的現(xiàn)象。就該現(xiàn)象，Boussaid A和Nemmour A L采用負(fù)反饋替換掉正反饋，提高了重復(fù)控制跟蹤控制奇數(shù)次諧波的精度，但這種重復(fù)內(nèi)模無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)偶數(shù)次諧波的跟蹤控制。為加快重復(fù)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，張宸宇、梅軍等人將無(wú)差拍思想與重復(fù)控制相結(jié)合，從而獲得了良好的諧波抑制效果。

綜上，滯環(huán)控制策略響應(yīng)速度快、電流跟蹤補(bǔ)償精度高、工作狀態(tài)穩(wěn)定，但該方法開(kāi)關(guān)頻率大、損耗高且容易發(fā)生電流脈動(dòng)，導(dǎo)致其實(shí)用性不高。即便PI控制策略的研究已十分成熟，但其先天的缺陷導(dǎo)致其無(wú)法獨(dú)立承擔(dān)諧波抑制的任務(wù)。現(xiàn)階段，結(jié)合PI控制和其它控制策略的電流控制策略大量地被運(yùn)用到有源電力濾波器中。采用諧振控制策略的有源電力濾波器能夠有效抑制諧波，但針對(duì)各次諧波都需要單獨(dú)設(shè)計(jì)一個(gè)諧振控制器，導(dǎo)致控制器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且不易進(jìn)行數(shù)字化。采用重復(fù)控制器的有源電力濾波器抑制諧波的靜態(tài)性能很好，但其應(yīng)對(duì)諧波波動(dòng)的響應(yīng)速度慢。此外，越來(lái)越多的智能控制算法被應(yīng)用到APF領(lǐng)域，比如蝙蝠算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、蟻群算法等。

結(jié)語(yǔ)：有源電力濾波器是一種能夠有效處理諧波污染問(wèn)題的設(shè)備，且具有使用維護(hù)成本較低等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用到諧波污染的治理中。本文介紹了有源電力濾波器的分類(lèi)，總結(jié)了有源電力濾波器電流控制策略的研究現(xiàn)狀，并比較了不同控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)，未來(lái)有源電力濾波器將向著大容量、低成本、多電平的方向發(fā)展。