有源电力滤波器在配网电能质量控制中的应用

有源电力滤波器在配网电能质量控制中的应用

王晓杰

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摘要：对于整个电网而言，当非线性电力用户负荷出现后会产生谐波电流，电网电压发生畸形的几率较高，严重影响了同线路相关用户的电力质量。长时间以来，在电力系统中谐波治理问题都是一项十分关键的任务。传统谐波治理处理方式，主要是采用以LC无源元件为核心的谐振装置，将其进行并联，利用无源支路完全吸收低阻特性的谐波。谐振条件对线路阻抗的影响较为深刻，很容易因为失谐致使滤波效果差强人意。随着PWM技术、全控性电力半导体器件的日益成熟，各种新型电力谐波治理装置不断涌现，其中具有代表性的是有源滤波器（APF）。重复控制这种控制算法主要是以内模原理为基础，其可以精准跟踪周期性的参考信号，具有实现难度小、结构简单的特点，因此积极运用于有源电力滤波器中。

关键词：有源电力滤波器；配网；电能质量；应用

1有源电力滤波器

有源电力滤波器是一种谐波电流滤波装置，它将补偿后的谐波电流引入电网，用于抵消负载形成的谐波电流。它具有高机动性和快速响应，可以实现适度补偿，并且不会改善电网的电容性组件。它比无源滤波器具有更好的滤波效果，但成本较高。与无源滤波器（下称功率因数）相比，有源滤波器（下称APF）具有以下优点：

a） 滤波特性不受系统软件特性阻抗的影响。

b） 与系统特性阻抗不易产生串联或串联谐振，系统结构的变化不会影响修复的实际效果。

c） 原则上，它比功率因数更优秀，可以用一个设备完成对每个谐波的处理。

d） 动态调节已经完成，可以快速响应谐波数量和大小的变化。

e） 因为设备本身可以完成输出限制，所以即使谐波分量扩大，也不会加载。

f） 它具有各种补偿功能，可以补偿无功负载和负序。

g） 能够对多个谐波源进行统一调节。

2有源电力滤波器在配网电能质量控制中的应用

2.1单相并联型APF的设计

2.1.1基于变换器直流侧电压的谐波电流检测法

并联型APF的变换器直流侧都有一个大电容，用于储存电能，其大小影响补偿效果。基于变换器直流侧电压的谐波电流检测法的思路是，将电容电压与设定的参考电压相比较，得到含有扰动量的信号，将该信号馈送到一个PI控制器中，该控制器能调整输入信号得到无扰动的输出信号，该输出信号就是负载电流基波分量的幅值。电压源的单位矢量是从系统（电源）得到的，负载电流基波分量的幅值乘以电压源单位矢量得到负载电流基波的参考信号，将该参考信号与负载检测电流相比较即可获得补偿电流。这种方法的优点在于通过适当调整PI控制器参数直接生成负载电流基波分量的幅值。

2.1.2滞环控制法

滞环控制法（Hysteresisbandcontroltechnique）是滞环比较跟踪控制技术的简称，也叫作bang-bang控制或纹波调节器控制，该方法把输出电气量（电压或电流）维持在内部参考电气量为中心的滞环公差h内。

APF中滞环控制法工作原理是：先对实际补偿电流信号与参考电流信号进行实时的比较，之后再根据产生的偏差进行判断；偏差值为正时，补偿电流减少；偏差值为负时，补偿电流增加；进而产生PWM信号，控制开关器件的关断。这种方式下，改变PWM的占空比，就可以改变输出的补偿电流的幅值大小。

2.2复合控制

要想确保重复控制展现出最佳效果，需与其他控制方式关联，然后应用到有源电力滤波器中。其一，与无差拍控制相结合，对无差拍形成的控制偏差进行修正，进而顺利获取到下一拍的输出电压，采取滞环、双滞环控制方式，有效解决重复控制动态性能不足的情况；其二，与带积分状态反馈结合，然后设计输出电压控制方案，可确保动态特性、精确度；其三，与有源阻尼结合形成的控制方式，能够在确保系统稳定以及稳态精度的基础上，制定科学合理的设计方案；其四，与PI控制并联，且巧妙地使用到有源电力滤波器中。如果指令电流突然出现变化，PI控制会第一时间做出响应，跟踪指令，并重复控制，以此来有效避免稳态误差的出现，这样除了能够展现出重复控制稳态精度高的特点之外，还能够彰显出PI控制动态速度迅速的特征。这一种复合控制方法值得广泛推广。

2.3基于串联型APF的谐波抑制方法

2.3.1串联APF的结构和原理

在三相对称系统中，为了便于研究，选择了一个综合的单相电气闭合电路来分析串联有源滤波器。脉宽调制逆变器电源用作有源电力滤波器的主电路，并通过变压器串联连接到电网。控制电路用于产生与检测到的谐波电压成反比的谐波电压。输出端口电感器L、电容器C和电阻R构成LCD高次谐波滤波器，可以滤除电力电子设备的电源开关脉冲。控制电路的有效性主要包括电压谐波的检测和计算、补偿电压命令的生成、主电路控制信号的形成以及开关器件的推广。换言之，控制电路必须实时监测每个人的谐波电压，以在uc中产生补偿电压命令，然后驱动主电路，使逆变器电源立即产生与乌什成正比的谐波电压并从而达到实时跟踪和补偿谐波变化的效果。

2.3.2输出电压反馈的控制系统

串联APF的主电路控制模式主要包括反馈动作模式和电压反馈调节模式。虽然反馈函数具有快速的动态响应时间和简单的控制措施，但它只能在一定范围内满足电压补偿的要求。根据由电压反馈调节的输出电压的瞬时值操作，可以调节参考电压的瞬时电压值与输出电压之间的差值，从而大大改善导出电压的响应时间和动态特性。因此，本文选择了这种方法来执行电压操作。

2.4仿真与分析

2.4.1负载等效模型构建

整流电路在各类家用电器电路中最常见，其产生的波形含有高次谐波，可以代表智慧家庭中开关器件的动作特性；部分家用电器中会有电动机、继电器等器件，在启动过程中会有反电动势，因此负载等效模型构建时应该考虑反电动势的影响；大部分负载呈感性，都可以等效为阻感负载。在综合考虑以上因素的前提下，构建出虚线方框中的负载等效模型。为验证本文设计的APF性能，等效参数选择上要比实际情况裕度大一些，以期适应各种极端恶劣工况。负载在没有并入APF的条件下，电流波形严重畸变，含有大量高次谐波，直接接入配网，会导致配网的电流也含有大量高次谐波。

2.4.2系统仿真模型搭建

采用MATLAB/Simulink来搭建仿真模型，谐波电流检测方法采用了基于变换器直流侧电压的谐波电流检测法，控制方法采用了滞环控制法，二者的集成子系统模型命名为G。配网等效为电压源，工频50Hz，系统模型搭建中考虑了配网网损，APF通过滤波电感连接到家庭进户相线上，并联在等效负载两端，

结论

随着智能电器的普及，电力电子设备在配网中的接入数量不断增加，谐波问题也急剧加重。在此背景下，本文提出在智慧家庭入户进线相线上安装APF的方法，来降低接入配网的高次谐波含量，抑制谐波，减轻对配网的危害。首先，提出了一种基于变换器直流侧电压的谐波电流检测法，该方法不用计算有功功率，易于实施。之后，对应用单相并联型APF的实际场景进行了仿真模型搭建。基于模型仿真结果，对APF的性能进行了分析，发现安装APF后电源侧谐波总畸变率明显降低，高次谐波含量明显减少。由此可知，所设计的APF能为负载提供所需的谐波电流。

参考文献：

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