有源电力滤波器在低压配电网中的应用

有源电力滤波器在低压配电网中的应用

周磊

（南京中儒电力设计有限公司江苏南京210000）

摘要：本文首先介绍了有源电力滤波器的工作原理，低压配电网有源电力滤波器的分类以及有源电力滤波器的关键技术并对其进行深入细致的研究。

关键词：有源电力滤波器；低压配电网；技术

有源电力滤波器（APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对幅值和频率改变的的谐波进行快速跟踪补偿。从谐波治理的效果来看有源滤波器的性能明显优于无源滤波器，不管是高次谐波还是低次谐波，有源电力滤波器都能对其在不发生谐振的情况下进行消除，但是它也有其自身的缺陷，即结构复杂和成本高。

一、有源电力滤波器的工作原理

下面给出有源电力滤波器的结构原理图如图1所示。

图1并联型APF的结构原理图

APF的主要工作环节有以下几个部分：首先是检测环节，即从负载电流中准确实时地检测出谐波成分；其次就是得出补偿电流的控制信号。控制信号是将谐波信号输入控制器经过一定的算法得出补偿电流的补偿信号，得到补偿电流的指令信号之后将其送入变流器的驱动电路，再由驱动电路将控制信号放大，最终控制变流器的开关动作。变流器发出补偿电流来补偿负载中的谐波电流。图中il为含有谐波的负载电流，ic为变流器发出的与谐波电流大小相等相位相反的补偿电流。is=il-ic为系统电流的基波正弦量，经过这个过程最终实现了谐波抑制。

二、低压配电网APF的分类

（1）按APF主电路结构分类

有源滤波的半导体电力变换装置一般采用逆变器，根据APF主电路贮能元件的不同，可以将APF分为电流型和电压型两种。电流型APF的主电路直流侧接有大电感，在正常工作时，其直流侧电流基本保持不变，但由于电流型主电路直流侧始终有电流流过，该电流将在电感的内阻上产生较大的损耗，导致APF整机损耗大，目前较少使用。不过随着超导储能技术的不断发展，低压配电网中将有更多的电流型APF投入使用。

（2）按接入电网方式分类

根据APF和电网的连接方式，可以将APF分为两大类：并联型APF和串联型APF。

与电网串联连接的APF称为串联型APF。串联型APF能有效滤除电网的谐波电压，具有有源装置容量小和运行效率高等优点，但存在绝缘强度高、难以适应线路故障条件，以及不能进行无功功率动态补偿等缺点。同时，负载的基波电流全都流过连接用的变压器，其工程实用性受到限制。近年来，为适应不同的工业应用需要，在串联型APF单独使用方式的基础上发展出许多类型的串联型APF混合型结构，它们也都同样存在绝缘强度高和难以适应线路故障的缺点。与电网并联连接的APF称为并联型APF，是有源电力滤波装置中最基本的构成方式。并联型APF可等效为一个受控源，向系统注入与谐波电流大小相等、方向相反的电流，从而达到滤波的目的，主要适用于电流源的谐波补偿。并联型APF通过祸合变压器或直接并入系统，不会对系统运行造成影响，具有方便、灵活以及保护简单的优点；另外，并联型APF还可以多机并联运行以满足大容量谐波抑制要求。

（3）按主电路拓扑结构分类

APF发展至今，其主电路拓扑结构和控制原理都发生了变化，但都是根据最早期的并联型APF结构，通过对偶原理或多种滤波器混合使用的方式，而逐步演变来的。为降低成本、减小有源装置的容量和适应高电压的要求，人们利用PPF成本低的优点，提出了各种APF与PPF混合使用的拓扑结构。该方式利用无源部分滤除了大部分的谐波，并提供一定的无功功率，有源部分滤除少量谐波。该混合方式中的逆变器直接承受了基波电压，所以功率开关器件的耐压等级并没有降低，适合应用于低压配电网的谐波治理工程。这种方式利用无源部分承受了大部分的基波电压，所以逆变器承受的基波电压小，适合于高电压系统的应用。

图2低压配电网APF的拓扑结构

三、低压配电网APF的关键技术

（1）参考电流计算关键技术

根据APF的工作原理可知，并联型APF通过检测和分析电网或负载电流中的谐波或无功等电流分量，确定参考电流，使APF输出电流跟踪参考电流，从而实现谐波抑制或无功补偿功能。为了提高APF的补偿性能，参考电流的快速和准确计算至关重要。

现阶段电力系统单相、三相谐波电流的计算算法很多，尤其是近年来，各种智能算法相继涌现。各种谐波电流计算方法在性能和效率方面各有千秋，但将这些方法应用于APF的参考电流计算时，均难以同时满足检测准确度和动态响应速度两方面要求。同时，现有的APF参考电流检测方法在谐波电流次数较低和基波电流波动大时会有较大的检测误差。

在低压配电网APF的工程应用过程中，解决参考电流计算方法的检测准确度和动态性能之间的矛盾问题，是实现高性能APF的关键技术。

（2）低压配电网APF控制策略及稳定性分析

APF是一种动态的、灵活的谐波治理手段，这就要求APF的控制策略具有很好的实时性、动态性能和控制精度。APF能否按照其工作原理达到预期的谐波治理效果，除了主电路设计合理和参考电流计算准确以外，在很大程度上依赖于控制策略的优劣。

低压配电网谐波治理工程中，APF等效为受控电流源。APF的控制策略是决定APF补偿性能的重要方面。APF的控制策略包括两方面：一是APF输出电流对参考电流的跟踪控制；一是直流电压的稳定控制。

（3）主电路研究及优化技术

主电路是APF实现谐波抑制或无功补偿功能的执行元件，是有源滤波技术的关键研究方面。在工程应用过程中，需要根据不同工程现场，对主电路的结构和参数进行逐步总结和优化。

APF的主电路拓扑结构和相关参数影响APF的补偿容量、性能、效率和造价。针对低压配电网的谐波治理特点，低压配电网APF主电路结构必须具有通用性，同时，主电路参数设计应该保证APF具有较高的性能价格比。由于主电路结构和参数设计时，APF的补偿性能、效率和造价之间存在矛盾，因此，折中考虑，并优化设计是低压配电网APF主电路研究的关键环节。主电路研究及优化设计主要包括以下几方面：

1）输出滤波器的优化设计

为了消除APF输出的高频谐波，通常在主电路结构上采用多电平技术及增加输出滤波器。多电平技术虽然可以消除逆变器输出的开关谐波，但其控制复杂、成本较高；输出滤波器以其简单的结构、良好的滤波性能逐渐成为APF高次谐波滤波的主要途径。但现有的文献大多定性的分析输出滤波器的结构，而没有给出具体的设计方法。

2）VSI的关键器件选型与外围电路设计

VSI是APF主电路的核心元件，通过控制VSI各桥臂的通断即可以控制APF的输出电流。由于VSI各桥臂的电力电子器件随着容量的增大所允许的开关频率却越来越低，而较低的开关频率又直接影响APF的补偿效果，解决电力电子器件开关频率与容量之间的矛盾，并合理设计电力电子器件的驱动电路、保护电路等其他外围电路是低压配电网APF主电路的重要研究方面。

四、结语

综上可知，有源电力滤波器的关键技术主要有两大部分，即电流检测环节和补偿电流发生环节。检测电路的作用是从负载电流中分离出谐波电流，如果需要对无功功率进行补偿还需要分离出无功电流。补偿电流发生环节的主要作用是根据检测出的谐波电流或无功电流发出驱动变电流器的控制信号。要改进有源电力滤波器的性能，其核心也就是对这两部分进行改进。对有源滤波器进行建模，建立起数学模型之后，对分析和设计有源电力滤波器就有了直接的参考依据，可以据此来设计有源电力滤波器的主要参数，如直流侧电容大小和滤波器电感等。

参考文献：

[1]张久，陈林.串入式串联混合有源电力滤波器控制策略及特性分析[J].科技创新与应用，2012，（26）：1-5.

[2]张坷坷.并联型电力有源滤波器控制算法的研究与实现[D].2015.

[3]金鑫.三相并联型有源电力滤波器控制系统的设计与研究[D].2014.