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(xué) 電氣與控制工程學(xué)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(shè)備被廣泛應(yīng)用于電力工業(yè)中，然而，作為非線性負(fù)載的電力電子設(shè)備產(chǎn)生了大量的諧波與無(wú)功[1]，與此同時(shí)，高精密的電子儀器與對(duì)電源對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量的要求也越來(lái)越高，有源電力濾波器的出現(xiàn)，有效地彌補(bǔ)了無(wú)源濾波器所具有的只針對(duì)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(diǎn)，能夠?qū)μ囟ù沃C波和無(wú)功電流進(jìn)行跟蹤和補(bǔ)償，是一種理想的改善電能質(zhì)量的裝置，近年來(lái)引起了廣泛關(guān)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(yīng)線路故障條件以及無(wú)法進(jìn)行無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)[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(fù)載為諧波源，變流器與其相連的電感和直流側(cè)儲(chǔ)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(bǔ)償電流，適用于補(bǔ)償電流型諧波源。

圖1 并聯(lián)型APF結(jié)構(gòu)圖

但在APF運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生與補(bǔ)償電流開(kāi)關(guān)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(jiǎn)單控制方便，但其濾波效果受電感值的大小影響，當(dāng)對(duì)波形質(zhì)量要求較高時(shí)，只能增加電感值，但電感值的增加會(huì)導(dǎo)致體積增加和成本上升，也會(huì)產(chǎn)生額外的損耗。因此，LCL型濾波器開(kāi)始被應(yīng)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(dāng)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(gè)三階系統(tǒng)，其缺陷在于，其含有的諧振尖峰會(huì)導(dǎo)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(guò)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(shí)現(xiàn)等效阻尼來(lái)抑制LCL型濾波器的諧振尖峰，分別稱(chēng)之為無(wú)源阻尼和有源阻尼技術(shù)[4]。

無(wú)源阻尼是通過(guò)在LCL電容支路引入無(wú)源元件，從而達(dá)到使系統(tǒng)穩(wěn)定的目的。其優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，但由于無(wú)源元件的加入，使得系統(tǒng)的損耗增大。有源阻尼是通過(guò)改進(jìn)控制算法，實(shí)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(jìn)一步提高波形質(zhì)量，提高裝置的經(jīng)濟(jì)性，文獻(xiàn)[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(gè)小電感，從而實(shí)現(xiàn)電容支路以在開(kāi)關(guān)頻率處的串聯(lián)諧振。文獻(xiàn)[6]提出一種LCCL型濾波器，在網(wǎng)側(cè)電感支路，將一個(gè)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(kāi)關(guān)頻率處產(chǎn)生的并聯(lián)諧振，抑制開(kāi)關(guān)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(shí)現(xiàn)抑制參數(shù)變化。同時(shí)，在設(shè)計(jì)基于電容電流反饋法有源阻尼的控制時(shí)，LCCL型濾波器比LLCL型濾波器更加合理。

2 并聯(lián)型APF拓?fù)浞诸?lèi)

變流器作為APF的核心部件，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究是APF研究領(lǐng)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(guò)三組開(kāi)關(guān)器件的通斷組合，控制直流側(cè)的電容電壓，將其與交流測(cè)電源電壓的差值作用在電感，得到補(bǔ)償電流。兩電平變流器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低的優(yōu)點(diǎn)，但輸出的電流紋波較大，不適用于高電壓大功率場(chǎng)合。

圖2 兩電平拓?fù)浣Y(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(kāi)關(guān)頻率低，損耗少的優(yōu)點(diǎn)，有效地提高了APF的電壓等級(jí)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(jí)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(duì)鉗位二極管，每一對(duì)二極管的中點(diǎn)與直流側(cè)電容中點(diǎn)相連，但是，一些開(kāi)關(guān)狀態(tài)會(huì)使電流流入或流出中點(diǎn)，會(huì)造成中點(diǎn)電位不平衡的問(wèn)題[1]。

圖3 二極管鉗位型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

目前，中點(diǎn)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(xiàn)[7]提出了一種基于載波調(diào)制的中點(diǎn)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(dòng)相對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波，確定相應(yīng)的零電平的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)中點(diǎn)電流的控制。相較于空間矢量調(diào)制，該方法沒(méi)有復(fù)雜的分區(qū)和計(jì)算，易于實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于空間電壓矢量調(diào)制算法的中點(diǎn)電位平衡控制策略。已知大矢量和零矢量對(duì)中點(diǎn)電位平衡沒(méi)有影響，正負(fù)小矢量對(duì)中點(diǎn)電位的影響可以互補(bǔ)。所以可以通過(guò)引入平衡因子，根據(jù)當(dāng)前的中點(diǎn)電位偏差，調(diào)節(jié)小矢量的作用時(shí)間，實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位平衡。文獻(xiàn)[9]在虛擬空間矢量調(diào)制算法的基礎(chǔ)上，通過(guò)零矢量、中矢量和大矢量對(duì)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(guò)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(diǎn)電流向減小中點(diǎn)電壓波動(dòng)的方向流動(dòng)。

圖4所示為T(mén)型拓?fù)?。T型逆變器的每相橋臂通過(guò)反向串聯(lián)的開(kāi)關(guān)管來(lái)實(shí)現(xiàn)中電鉗位，使其輸出電壓具有三種電平，該拓?fù)渑c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?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)在，有一種三相兩橋臂的拓?fù)浔粦?yīng)用于電力電子設(shè)備，在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，許多不同的調(diào)制策略和控制方案被應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)相同目的下更緊湊的設(shè)計(jì)[11]。與傳統(tǒng)三電平拓?fù)湎啾?，減少了四個(gè)開(kāi)關(guān)器件，因此可以省去四個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，傳導(dǎo)損耗也可以減少為原來(lái)的三分之二。

圖5所示為飛跨電容型拓?fù)洹ｏw跨電容型逆變器通過(guò)直流側(cè)上下兩個(gè)電容的串聯(lián)進(jìn)行鉗位，但是對(duì)于高壓系統(tǒng)而言，大量電容的使用會(huì)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(diǎn)，所以其實(shí)際應(yīng)用并不廣泛。

圖5 飛跨電容型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖6所示為級(jí)聯(lián)型拓?fù)鋄12]。與前面幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，級(jí)聯(lián)型拓?fù)錄](méi)有中性點(diǎn)電位不平衡的問(wèn)題，因此不需要鉗位二極管和飛跨電容來(lái)實(shí)現(xiàn)中性點(diǎn)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(diǎn)。

圖6 級(jí)聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.3 多電平

圖7所示為模塊化多電平拓?fù)洹ＤK化多電平（MMC）是一種基本的多電平電路，與其他多級(jí)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(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)。MMC每相分為上下兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂都由n個(gè)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(xiàn)[13]以MMC拓?fù)錇榛A(chǔ)，提出了一種改進(jìn)的無(wú)負(fù)載并聯(lián)型有源濾波器預(yù)測(cè)諧波電流控制（PHCC）方法?？刂扑惴ㄓ捎泄?無(wú)功功率控制和預(yù)測(cè)諧波控制組成，它既能使電壓穩(wěn)定相等，又能實(shí)現(xiàn)諧波濾波。

圖7 多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3 APF關(guān)鍵性技術(shù)

3.1 諧波電流檢測(cè)技術(shù)

諧波電流檢測(cè)是APF諧波補(bǔ)償技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)用于APF的諧波檢測(cè)方法分為時(shí)域和頻域兩類(lèi)：

3.1.1 時(shí)域法

目前廣泛采用的時(shí)域法是基于瞬時(shí)無(wú)功理論的p-q法和ip-iq法，p-q法通過(guò)采樣網(wǎng)側(cè)的三相電壓和電流，經(jīng)過(guò)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(wú)功功率，經(jīng)過(guò)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(wú)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(guò)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(gè)正余弦發(fā)生電路，得到與eα同相的相位信號(hào)，再根據(jù)定義可以得到三相電路的瞬時(shí)有功電流ip和無(wú)功電流iq，經(jīng)過(guò)低通濾波器獲得直流分量，再通過(guò)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(lái)。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(cè)精度會(huì)受到鎖相環(huán)的輸出相位誤差的影響，而且低通濾波器會(huì)導(dǎo)致時(shí)間延遲，因此文獻(xiàn)[14]在ip-iq法的研究基礎(chǔ)上，針對(duì)鎖相環(huán)精度造成誤差和低通濾波器引起延遲的問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)的無(wú)鎖相環(huán)的諧波檢測(cè)方法，采用能實(shí)現(xiàn)加快系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和提高對(duì)特征次諧波的濾除效果的滑動(dòng)平均濾波器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的低通濾波器，與ip-iq法檢測(cè)相比，此方法精度和響應(yīng)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(chǔ)上得來(lái)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(jì)算量要大，但在應(yīng)用于APF時(shí)，更多的是用于特定次諧波的選擇，DFT可以單獨(dú)計(jì)算特定次諧波，而FFT需要計(jì)算全部頻譜后才能獲得所需的部分頻譜，所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，DFT的計(jì)算量會(huì)小于FFT。DFT與FFT相比，變換點(diǎn)數(shù)或采樣率選擇更靈活、實(shí)時(shí)性更好。滑窗迭代比DFT的實(shí)時(shí)性更好，每一次采樣，滑窗迭代DFT都會(huì)加上最新數(shù)據(jù)減去上個(gè)周期的舊數(shù)據(jù)，相當(dāng)于每次都做一個(gè)DFT，因?yàn)橹簧婕皫讉€(gè)加減和簡(jiǎn)單的乘法運(yùn)算，所以計(jì)算時(shí)間短，實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)直流信號(hào)的無(wú)靜差跟蹤，但是由APF的原理可知，其參考信號(hào)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(wú)法實(shí)時(shí)調(diào)整，導(dǎo)致補(bǔ)償精度會(huì)受到影響，所以，目前的改進(jìn)策略是將PI控制與其他控制方法結(jié)合。 文獻(xiàn)[16]給出了一種BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遞推積分PI-重復(fù)控制策略，在傳統(tǒng)PI控制算法的基礎(chǔ)上，引進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和遞推積分函數(shù)，通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)及不斷調(diào)節(jié)權(quán)值，跟蹤誤差變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)PI控制參數(shù)，彌補(bǔ)了PI控制不能實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)的缺陷，進(jìn)而滿(mǎn)足最優(yōu)化要求。

3.2.2 PR控制

為了實(shí)現(xiàn)不同頻率的諧波補(bǔ)償，PR控制被應(yīng)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(wú)窮大，所以PR控制可以選擇性的對(duì)不同頻率的諧波進(jìn)行補(bǔ)償，但是當(dāng)需要補(bǔ)償?shù)闹C波次數(shù)較多時(shí)，其補(bǔ)償帶寬不足。文獻(xiàn)[17]提出了一種改進(jìn)的準(zhǔn)PR控制器，準(zhǔn)PR控制器增益由Kr決定，通過(guò)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(bǔ)償帶寬，提高了系統(tǒng)抗電網(wǎng)波動(dòng)的能力，同時(shí)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(guò)滯環(huán)比較器將電流誤差經(jīng)過(guò)比較后輸出。滯環(huán)控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，且具備較強(qiáng)的抗干擾性能，但系統(tǒng)的補(bǔ)償精度和開(kāi)關(guān)頻率會(huì)受到滯環(huán)比較器環(huán)寬的影響。為了改善上述問(wèn)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(bǔ)償效果較差，因此文獻(xiàn)[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(jī)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(zhǔn)的分析數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)方法相比，該方法誤差較小，補(bǔ)償效果以及開(kāi)關(guān)頻率控制效果較好。

3.2.4 重復(fù)控制

重復(fù)控制是在內(nèi)模原理的基礎(chǔ)上提出的，該控制策略可以無(wú)靜差的追蹤周期信號(hào)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)算量小的優(yōu)點(diǎn)，但是重復(fù)控制需要加入一個(gè)延遲環(huán)節(jié)從而在特定頻率處取得較高增益，所以其動(dòng)態(tài)性能較差，文獻(xiàn)[20]提出了一種雙閉環(huán)PI+重復(fù)控制的復(fù)合控制策略，可以有效地解決重復(fù)控制動(dòng)態(tài)性能較差的問(wèn)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(yùn)行的同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)做出調(diào)整，從而使系統(tǒng)運(yùn)行在既定的軌跡上，具有響應(yīng)速度快，受系統(tǒng)參數(shù)影響小的優(yōu)點(diǎn)，但是當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行軌跡到達(dá)滑模面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生抖振問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，文獻(xiàn)[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(duì)APF進(jìn)行了離散化處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)三電平APF的電流的實(shí)時(shí)控制，并降低了抖振問(wèn)題造成的影響。

3.2.6 預(yù)測(cè)控制

預(yù)測(cè)控制是通過(guò)采集當(dāng)下時(shí)刻的狀態(tài)信號(hào)，來(lái)預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的控制信號(hào)，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(dòng)態(tài)性能。根據(jù)優(yōu)化方法的不同，模型預(yù)測(cè)控制主要分為兩大類(lèi)：有限集模型預(yù)測(cè)控制和連續(xù)集模型預(yù)測(cè)控制。

連續(xù)集模型預(yù)測(cè)控制需要加入PWM調(diào)制器，很難實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)頻率的優(yōu)化控制，且控制目標(biāo)單一。有限集模型預(yù)測(cè)控制不含有PWM調(diào)制器，因此能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)頻率的控制，而且可以通過(guò)引入權(quán)重因子實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)控制。有限集模型預(yù)測(cè)控制可以分為：?jiǎn)问噶?，雙矢量和多矢量。傳統(tǒng)的單矢量有限集模型預(yù)測(cè)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(wèn)題，控制后電流的脈動(dòng)依然很大。針對(duì)這一問(wèn)題，文獻(xiàn)[22]提出了在一個(gè)開(kāi)關(guān)控制周期內(nèi)使用一個(gè)非零矢量和零矢量組合替代傳統(tǒng)的單一矢量，并推導(dǎo)了占空比計(jì)算公式，提出一種計(jì)算非零矢量和零矢量的作用時(shí)間的簡(jiǎn)單方法，與傳統(tǒng)的單矢量模型預(yù)測(cè)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(dòng)和諧波含量。文獻(xiàn)[23]提出了一種三矢量模型預(yù)測(cè)功率控制，通過(guò)構(gòu)建預(yù)測(cè)功率模型，在每個(gè)控制周期進(jìn)行兩次電壓矢量選擇，首先選定第一個(gè)最優(yōu)電壓矢量，然后再?gòu)南噜彽挠行щ妷菏噶恐羞x取兩個(gè)，再連同零矢量與第一個(gè)最優(yōu)電壓矢量分別組合，合成期望電壓矢量，將這兩個(gè)電壓矢量代入價(jià)值函數(shù)，選取最優(yōu)解，最后將得到的最優(yōu)電壓矢量進(jìn)行空間矢量調(diào)制得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)，在相同開(kāi)關(guān)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，諧波檢測(cè)，控制策略三個(gè)方面對(duì)并聯(lián)型APF目前的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了歸類(lèi)和分析，得出了以下結(jié)論：

(1)在開(kāi)關(guān)頻率相同時(shí)，三電平輸出的電流紋波更小，補(bǔ)償性能更優(yōu)越，但三電平拓?fù)浯嬖谥悬c(diǎn)電位不平衡的問(wèn)題是當(dāng)前三電平APF需解決的關(guān)鍵性問(wèn)題及難點(diǎn)。

(2)諧波檢測(cè)是APF的重要環(huán)節(jié)，因此，提高諧波檢測(cè)的精度和實(shí)時(shí)性，可以有效提高APF的補(bǔ)償效果。

(3)針對(duì)單一控制策略不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，復(fù)合控制通過(guò)綜合不同控制方法的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)單一控制策略的缺點(diǎn)進(jìn)行改善，提高系統(tǒng)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)特性，成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。