APF有源電力濾波器分析及控制方法綜述

蔣正榮，李童雪

（北方工業(yè)大學 電氣與控制工程學院，北京，100144）

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子設備被廣泛應用于電力工業(yè)中，然而，作為非線性負載的電力電子設備產(chǎn)生了大量的諧波與無功[1]，與此同時，高精密的電子儀器與對電源對電網(wǎng)質(zhì)量的要求也越來越高，有源電力濾波器的出現(xiàn)，有效地彌補了無源濾波器所具有的只針對特定次諧波有效，受系統(tǒng)阻抗變化影響大且易引發(fā)諧振的缺點，能夠?qū)μ囟ù沃C波和無功電流進行跟蹤和補償，是一種理想的改善電能質(zhì)量的裝置，近年來引起了廣泛關注。

1 APF的基本工作原理

由于串聯(lián)有源濾波器存在絕緣度高、難以適應線路故障條件以及無法進行無功功率動態(tài)補償?shù)娜秉c[2]，目前使用的多為并聯(lián)型APF。并聯(lián)型APF系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，負載為諧波源，變流器與其相連的電感和直流側(cè)儲能元件共同構(gòu)成APF的主電路。并聯(lián)型APF可以跟蹤諧波源產(chǎn)生的諧波電流，并生成與之相反的補償電流，適用于補償電流型諧波源。

圖1 并聯(lián)型APF結(jié)構(gòu)圖

但在APF運行過程中，會產(chǎn)生與補償電流開關頻率附近的諧波，目前，APF的通常采用L型濾波器，L型濾波器雖然結(jié)構(gòu)簡單控制方便，但其濾波效果受電感值的大小影響，當對波形質(zhì)量要求較高時，只能增加電感值，但電感值的增加會導致體積增加和成本上升，也會產(chǎn)生額外的損耗。因此，LCL型濾波器開始被應用。與L型濾波器相比，LCL型濾波器在頻率越高的情況下，阻抗越小，因此可以更好地抑制高頻諧波分量。為此，當濾除諧波含量相同的情況下，LCL型濾波器與L型濾波器相比，可以降低總的電感取值，節(jié)約成本且降低裝置體積[3]。

LCL濾波器作為一個三階系統(tǒng)，其缺陷在于，其含有的諧振尖峰會導致系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，為保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠工作，需要通過改變LCL型濾波器的支路結(jié)構(gòu)或者利用控制框圖等效法在控制策略中實現(xiàn)等效阻尼來抑制LCL型濾波器的諧振尖峰，分別稱之為無源阻尼和有源阻尼技術(shù)[4]。

無源阻尼是通過在LCL電容支路引入無源元件，從而達到使系統(tǒng)穩(wěn)定的目的。其優(yōu)點是方法簡單，穩(wěn)定可靠，但由于無源元件的加入，使得系統(tǒng)的損耗增大。有源阻尼是通過改進控制算法，實現(xiàn)阻尼的效果，繼而消除由LCL型濾波器引起的系統(tǒng)諧振。目前有源阻尼的控制方法有狀態(tài)變量反饋法，虛擬電阻法等。

此外，為了進一步提高波形質(zhì)量，提高裝置的經(jīng)濟性，文獻[5]提出了一種LLCL型濾波器，在LCL型濾波器的濾波電容支路上，串入了一個小電感，從而實現(xiàn)電容支路以在開關頻率處的串聯(lián)諧振。文獻[6]提出一種LCCL型濾波器，在網(wǎng)側(cè)電感支路，將一個小電容與網(wǎng)側(cè)電感并聯(lián)，利用網(wǎng)側(cè)電感與該并聯(lián)電容在開關頻率處產(chǎn)生的并聯(lián)諧振，抑制開關頻率附近的諧波，與LLCL型濾波器相比，LCCL型濾波器可以更好地實現(xiàn)抑制參數(shù)變化。同時，在設計基于電容電流反饋法有源阻尼的控制時，LCCL型濾波器比LLCL型濾波器更加合理。

2 并聯(lián)型APF拓撲分類

變流器作為APF的核心部件，其拓撲結(jié)構(gòu)的研究是APF研究領域的重要組成部分，目前主要分為：兩電平，三電平，多電平等。

2.1 兩電平

圖2為兩電平變流器的結(jié)構(gòu)圖。通過三組開關器件的通斷組合，控制直流側(cè)的電容電壓，將其與交流測電源電壓的差值作用在電感，得到補償電流。兩電平變流器具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低的優(yōu)點，但輸出的電流紋波較大，不適用于高電壓大功率場合。

圖2 兩電平拓撲結(jié)構(gòu)圖

2.2 三電平

與兩電平變流器相比，三電平變流器具有器件開關頻率低，損耗少的優(yōu)點，有效地提高了APF的電壓等級和輸出電流的波形質(zhì)量。目前，三電平變流器包括二極管鉗位型，T型，飛跨電容型，H橋級聯(lián)型等。

圖3所示為二極管鉗位型的結(jié)構(gòu)圖，每相橋臂增加一對鉗位二極管，每一對二極管的中點與直流側(cè)電容中點相連，但是，一些開關狀態(tài)會使電流流入或流出中點，會造成中點電位不平衡的問題[1]。

圖3 二極管鉗位型拓撲結(jié)構(gòu)圖

目前，中點電位控制的主要方法有：載波調(diào)制算法，空間電壓矢量調(diào)制算法和虛擬空間矢量調(diào)制算法。文獻[7]提出了一種基于載波調(diào)制的中點電位平衡控制策略，首先，根據(jù)電流和調(diào)制電壓得到零序電壓，注入電流環(huán)輸出的調(diào)制波，再將其與載波比較，得到驅(qū)動相對應的開關管的驅(qū)動波，確定相應的零電平的時間，從而實現(xiàn)對中點電流的控制。相較于空間矢量調(diào)制，該方法沒有復雜的分區(qū)和計算，易于實現(xiàn)。文獻[8]提出了一種基于空間電壓矢量調(diào)制算法的中點電位平衡控制策略。已知大矢量和零矢量對中點電位平衡沒有影響，正負小矢量對中點電位的影響可以互補。所以可以通過引入平衡因子，根據(jù)當前的中點電位偏差，調(diào)節(jié)小矢量的作用時間，實現(xiàn)中點電位平衡。文獻[9]在虛擬空間矢量調(diào)制算法的基礎上，通過零矢量、中矢量和大矢量對虛擬小矢量和中矢量重新定義，使得到的虛擬矢量產(chǎn)生的共模電壓為傳統(tǒng)虛擬空間矢量調(diào)制算法產(chǎn)生的共模電壓的二分之一，再通過選取虛擬中矢量分配系數(shù)的最優(yōu)值，使虛擬矢量產(chǎn)生的中點電流向減小中點電壓波動的方向流動。

圖4所示為T型拓撲。T型逆變器的每相橋臂通過反向串聯(lián)的開關管來實現(xiàn)中電鉗位，使其輸出電壓具有三種電平，該拓撲與二極管鉗位型相比，免去了鉗位二極管，所以器件更少，損耗更小，輸出電壓諧波更小，有效地提高了逆變器的效率，節(jié)約了成本[10]。

圖4 T型拓撲結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)在，有一種三相兩橋臂的拓撲被應用于電力電子設備，在這種拓撲結(jié)構(gòu)的基礎上，許多不同的調(diào)制策略和控制方案被應用，可以實現(xiàn)相同目的下更緊湊的設計[11]。與傳統(tǒng)三電平拓撲相比，減少了四個開關器件，因此可以省去四個驅(qū)動電路，傳導損耗也可以減少為原來的三分之二。

圖5所示為飛跨電容型拓撲。飛跨電容型逆變器通過直流側(cè)上下兩個電容的串聯(lián)進行鉗位，但是對于高壓系統(tǒng)而言，大量電容的使用會增加系統(tǒng)成本，而且電容具有使用壽命短，可靠性差的缺點，所以其實際應用并不廣泛。

圖5 飛跨電容型拓撲結(jié)構(gòu)圖

圖6所示為級聯(lián)型拓撲[12]。與前面幾種拓撲結(jié)構(gòu)相比，級聯(lián)型拓撲沒有中性點電位不平衡的問題，因此不需要鉗位二極管和飛跨電容來實現(xiàn)中性點電位控制，降低了成本，目前已經(jīng)成為三電平APF的研究重點。

圖6 級聯(lián)型拓撲結(jié)構(gòu)圖

2.3 多電平

圖7所示為模塊化多電平拓撲。模塊化多電平（MMC）是一種基本的多電平電路，與其他多級電路相比，它具有更高的模塊化、更低的輸出THD和更高的電壓可擴展性等優(yōu)點。MMC每相分為上下兩個橋臂，每個橋臂都由n個子模塊和用于限制短路沖擊電流和相間環(huán)流的電感L組成。文獻[13]以MMC拓撲為基礎，提出了一種改進的無負載并聯(lián)型有源濾波器預測諧波電流控制（PHCC）方法。控制算法由有功/無功功率控制和預測諧波控制組成，它既能使電壓穩(wěn)定相等，又能實現(xiàn)諧波濾波。

圖7 多電平拓撲結(jié)構(gòu)圖

3 APF關鍵性技術(shù)

3.1 諧波電流檢測技術(shù)

諧波電流檢測是APF諧波補償技術(shù)的關鍵環(huán)節(jié)，應用于APF的諧波檢測方法分為時域和頻域兩類：

3.1.1 時域法

目前廣泛采用的時域法是基于瞬時無功理論的p-q法和ip-iq法，p-q法通過采樣網(wǎng)側(cè)的三相電壓和電流，經(jīng)過Clark變換得到eα、eβ和iα、iβ，得到三相電路的此刻的有功功率和無功功率，經(jīng)過低通濾波器獲得直流分量由于p為基波有功電流與電壓作用產(chǎn)生，q為基波無功電流與電壓作用產(chǎn)生，所以可由此得到電流的基波分量，再通過Clark反變換，即可得到三相電流的基波分量和諧波分量。ip-iq法則需要用到鎖相環(huán)（PLL）和一個正余弦發(fā)生電路，得到與eα同相的相位信號，再根據(jù)定義可以得到三相電路的瞬時有功電流ip和無功電流iq，經(jīng)過低通濾波器獲得直流分量，再通過Clark反變換，即可將電流的基波分量和諧波分量分別提取出來。但由于ip-iq法需要用到鎖相環(huán)和正余弦發(fā)生電路，其檢測精度會受到鎖相環(huán)的輸出相位誤差的影響，而且低通濾波器會導致時間延遲，因此文獻[14]在ip-iq法的研究基礎上，針對鎖相環(huán)精度造成誤差和低通濾波器引起延遲的問題，提出了一種改進的無鎖相環(huán)的諧波檢測方法，采用能實現(xiàn)加快系統(tǒng)動態(tài)響應和提高對特征次諧波的濾除效果的滑動平均濾波器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的低通濾波器，與ip-iq法檢測相比，此方法精度和響應速度都有所提升。

3.1.2 頻域法

頻域法主要在傅里葉分析的基礎上得來的離散傅里葉變換（DFT），快速傅里葉變換（FFT），和滑窗迭代DFT，頻域分析的方法可以選擇性消除所需的任意諧波次數(shù)。一般情況下，DFT比FFT的計算量要大，但在應用于APF時，更多的是用于特定次諧波的選擇，DFT可以單獨計算特定次諧波，而FFT需要計算全部頻譜后才能獲得所需的部分頻譜，所以在實際應用時，DFT的計算量會小于FFT。DFT與FFT相比，變換點數(shù)或采樣率選擇更靈活、實時性更好。滑窗迭代比DFT的實時性更好，每一次采樣，滑窗迭代DFT都會加上最新數(shù)據(jù)減去上個周期的舊數(shù)據(jù)，相當于每次都做一個DFT，因為只涉及幾個加減和簡單的乘法運算，所以計算時間短，實時性好[15]。

3.2 電流跟蹤控制技術(shù)

3.2.1 PI控制

PI控制可以實現(xiàn)對直流信號的無靜差跟蹤，但是由APF的原理可知，其參考信號為一系列不同頻率的諧波，傳統(tǒng)的PI控制器增益和控制帶寬有限，參數(shù)無法實時調(diào)整，導致補償精度會受到影響，所以，目前的改進策略是將PI控制與其他控制方法結(jié)合。 文獻[16]給出了一種BP神經(jīng)網(wǎng)絡遞推積分PI-重復控制策略，在傳統(tǒng)PI控制算法的基礎上，引進BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法和遞推積分函數(shù)，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡自學習及不斷調(diào)節(jié)權(quán)值，跟蹤誤差變化實時調(diào)節(jié)PI控制參數(shù)，彌補了PI控制不能實時調(diào)整參數(shù)的缺陷，進而滿足最優(yōu)化要求。

3.2.2 PR控制

為了實現(xiàn)不同頻率的諧波補償，PR控制被應用于APF的控制中，由于PR控制在諧振頻率處的增益表現(xiàn)為無窮大，所以PR控制可以選擇性的對不同頻率的諧波進行補償，但是當需要補償?shù)闹C波次數(shù)較多時，其補償帶寬不足。文獻[17]提出了一種改進的準PR控制器，準PR控制器增益由Kr決定，通過調(diào)節(jié)Kr，可以使其有足夠大的增益，從而保證高精度的指令跟蹤，與傳統(tǒng)的PR控制器相比，增加了補償帶寬，提高了系統(tǒng)抗電網(wǎng)波動的能力，同時在控制器中增加積分環(huán)節(jié)，有效地提高了低頻增益。

3.2.3 滯環(huán)控制

滯環(huán)控制是一種非線性控制方法，其原理是通過滯環(huán)比較器將電流誤差經(jīng)過比較后輸出。滯環(huán)控制器結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應快，且具備較強的抗干擾性能，但系統(tǒng)的補償精度和開關頻率會受到滯環(huán)比較器環(huán)寬的影響。為了改善上述問題，提出了定頻滯環(huán)控制[18]，用一組滯環(huán)比較器判斷參考電壓矢量的區(qū)域，從而選擇優(yōu)化電壓矢量去控制電流，但其受諧波影響較大，電流控制誤差較大，且補償效果較差，因此文獻[19]提出了一種基于混沌算法的電力濾波器定頻滯環(huán)電流控制，利用混沌算法遍歷性、隨機性以及全局性的特征，為定頻滯環(huán)電流控制提供更加精準的分析數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)方法相比，該方法誤差較小，補償效果以及開關頻率控制效果較好。

3.2.4 重復控制

重復控制是在內(nèi)模原理的基礎上提出的，該控制策略可以無靜差的追蹤周期信號，具有結(jié)構(gòu)簡單，運算量小的優(yōu)點，但是重復控制需要加入一個延遲環(huán)節(jié)從而在特定頻率處取得較高增益，所以其動態(tài)性能較差，文獻[20]提出了一種雙閉環(huán)PI+重復控制的復合控制策略，可以有效地解決重復控制動態(tài)性能較差的問題。

3.2.5 滑膜控制

滑膜控制是一種非線性控制方法，該控制策略可以在系統(tǒng)在運行的同時，根據(jù)系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)做出調(diào)整，從而使系統(tǒng)運行在既定的軌跡上，具有響應速度快，受系統(tǒng)參數(shù)影響小的優(yōu)點，但是當系統(tǒng)的運行軌跡到達滑模面時，會產(chǎn)生抖振問題。針對上述問題，文獻[21]提出了一種滑模變結(jié)構(gòu)的新型控制策略，采用變指數(shù)趨近率的方法，對APF進行了離散化處理，實現(xiàn)了對三電平APF的電流的實時控制，并降低了抖振問題造成的影響。

3.2.6 預測控制

預測控制是通過采集當下時刻的狀態(tài)信號，來預測下一時刻的控制信號，選擇最有效的電壓矢量，從而使系統(tǒng)獲得最優(yōu)控制，具有良好的動態(tài)性能。根據(jù)優(yōu)化方法的不同，模型預測控制主要分為兩大類：有限集模型預測控制和連續(xù)集模型預測控制。

連續(xù)集模型預測控制需要加入PWM調(diào)制器，很難實現(xiàn)對開關頻率的優(yōu)化控制，且控制目標單一。有限集模型預測控制不含有PWM調(diào)制器，因此能夠?qū)崿F(xiàn)對開關頻率的控制，而且可以通過引入權(quán)重因子實現(xiàn)多目標控制。有限集模型預測控制可以分為：單矢量，雙矢量和多矢量。傳統(tǒng)的單矢量有限集模型預測控制存在電壓矢量方向固定、幅值固定、尋優(yōu)次數(shù)少等問題，控制后電流的脈動依然很大。針對這一問題，文獻[22]提出了在一個開關控制周期內(nèi)使用一個非零矢量和零矢量組合替代傳統(tǒng)的單一矢量，并推導了占空比計算公式，提出一種計算非零矢量和零矢量的作用時間的簡單方法，與傳統(tǒng)的單矢量模型預測控制相比，在相同采樣頻率下，該方法可以獲得更低的功率脈動和諧波含量。文獻[23]提出了一種三矢量模型預測功率控制，通過構(gòu)建預測功率模型，在每個控制周期進行兩次電壓矢量選擇，首先選定第一個最優(yōu)電壓矢量，然后再從相鄰的有效電壓矢量中選取兩個，再連同零矢量與第一個最優(yōu)電壓矢量分別組合，合成期望電壓矢量，將這兩個電壓矢量代入價值函數(shù)，選取最優(yōu)解，最后將得到的最優(yōu)電壓矢量進行空間矢量調(diào)制得到驅(qū)動信號，在相同開關頻率下，改善了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，提高了電流質(zhì)量和控制精度。

4 總結(jié)

本文主要從拓撲結(jié)構(gòu)，諧波檢測，控制策略三個方面對并聯(lián)型APF目前的研究現(xiàn)狀進行了歸類和分析，得出了以下結(jié)論：

(1)在開關頻率相同時，三電平輸出的電流紋波更小，補償性能更優(yōu)越，但三電平拓撲存在中點電位不平衡的問題是當前三電平APF需解決的關鍵性問題及難點。

(2)諧波檢測是APF的重要環(huán)節(jié)，因此，提高諧波檢測的精度和實時性，可以有效提高APF的補償效果。

(3)針對單一控制策略不同的優(yōu)點和缺點，復合控制通過綜合不同控制方法的優(yōu)點，對單一控制策略的缺點進行改善，提高系統(tǒng)靜態(tài)及動態(tài)特性，成為當前的研究熱點。