有源滤波器的主要类型、控制策略及经济技术指标

摘要：在非线性负载的两线（单相）、三线（三相无中线）和四线（三相有中线）的交流电网中，有源滤波已成为谐波和无功功率补偿的一项成熟技术。本文全面地回顾了有源滤波器(AF)的主要类型、控制策略及相关的经济技术指标，向致力于改善电能质量的研究人员全面展望AF技术的发展状况和最新成果。

关键词：有源滤波器谐波和无功功率补偿电能质量

The Configurations, Control Strategies, and Economic and Technical Considerations of Active Filters

HU Zong-bo, ZHANG Bo

(ASTEC Power Supply Lab. in Electric Engineering College of South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Abstract: Active filtering of electric power has now become a mature technology for harmonic and reactive power compensation in two-wire (single phase), three-wire (three phase without neutral), and four-wire (three phase with neutral) AC power networks with nonlinear loads. This paper presents a comprehensive review of active filter (AF) configurations, control strategies, and other related economic and technical considerations. It aims to provide a broad perspective on the status and new trends of AF technology to researchers and application engineers dealing with power quality issues, the prospects of the application of AF as well.

Key words: active power filters harmonics and reactive power compensation power quality

1 引言

采用晶闸管和其它半导体大功率开关器件的交流固态控制已广泛应用于对电子负载的馈电控制中。作为非线性负载，固态变换器从交流母线吸收电流谐波和无功功率。在三相供电系统中，固态变换器导致三相不对称运行并产生大的中线电流。电网谐波、无功功率负荷、不对称运行以及大的中线电流导致系统效率和功率因数的降低，并干扰其它用电设备。上述问题集中体现为电能质量日益恶化。电力质量问题已经引起了致力于发展快速动态响应，采用可控装置解决该问题的电力电子和电力系统工程师的广泛关注。这种装置就是有源滤波器(AF)，也被称作有源线路调节器(APLC)、瞬态无功功率补偿器(IRPC)、电力有源滤波器(APF)或有源电能质量调节器(APQC)[1]。

2 有源滤波器的主要类型

目前，采用AF技术进行谐波治理、无功功率和中线电流补偿不断成熟。AF技术包括研究不同的拓扑结构、控制策略和固态开关器件。1971年以来，多种不同拓扑结构的单相AF，比如串联有源滤波器[2]、并联有源滤波器[3-5]以及串并联混合滤波器[6]，得到了很大的发展。储能元件为电感的电流源变换器和储能元件为电容的电压源变换器都用来改善单相AF的性能。1976年以来，展开了对三相三线AF的研究，其中并联型、串联型、串并联型（也称为有源电能质量调节器）[7, 8]以及带无源滤波器的串联（或并联）型，都是典型的应用。控制策略是实现有源滤波器的关键，瞬态无功功率理论[9]、同步理论[10]、同步检测方法[11]以及凹陷滤波方法等许多控制理论和方法都被用于研究三相AF。因为负载不对称，三相四线系统常出现中线电流过大的现象。对此，人们进行了许多尝试，主要包括：消除（或降低）中线电流、进行谐波补偿、负载对称、无功功率补偿等[12, 13]。

AF的分类方法多种多样，本文按照供电和负载系统是单相（两线）还是三相（三线或四线）系统对AF进行分类。在实际应用中，有许多单相供电系统供电的非线性负载，也有一些三线供电系统供电的无中线三相非线性负载，还有大量三相四线供电系统供电的三相非线性负载。因此，AF可分为两线式AF、三线式AF和四线式AF三种类型。

两线式AF 两线（单相）式AF[14]分为串联有源[2, 15]、并联有源以及串并联相结合的统一线路调节器[6, 14, 15]三种形式。储能元件为电感的电流型PWM逆变器[4, 6, 14, 15]和储能元件为电容的电压型PWM逆变器[3-5, 14, 15]都可以用于研制两线式AF电路。在有些情况下，电能转换也使用有源滤波技术，以改善供电端的输出特性[16]。

(a) 串联AF

(b) 并联AF

图1 两线式AF

图1(a)-(c)分别是储能元件为电感的电流源逆变器型串联AF，并联AF和串并联AF的拓扑构图。电压反馈变换器型串联AF可以去掉变压器，将负载和无源L-C滤波器直接并联[2]。串联AF常用于消除电压谐波、降低尖峰电压、减小电压降等，并联AF常用于消除电流谐波和无功功率补偿。

三线式AF 目前，许多三相三线非线性负载在设计中前置AF[1]。图2(a)和(b)所示的分别是电流反馈型AF、单极电压反馈型AF；图3(a)-(c)所示的分别是串联型AF、统一电能质量调节器、有源串联和无源并联混合AF。这些基本三相三线拓扑结构都发展为交流侧为三线，直流侧为两线的三线式AF。目前已经设计出带隔离变压器，具有电压匹配、独立相位控制以及不对称补偿功能的单相AF[17]。串联型AF则出现了图3(a)所示的并联无源AF独立模块和图3(c)所示的带并联无源滤波器的混合模块。混合模块体积小、成本低，应用广泛。串联有源滤波技术和并联有源滤波技术相互结合，应用于统一电能质量调节器和通用滤波器[7, 8, 14]。

(a) 电流反馈型AF

(b) 单极电压反馈型AF

图2 电流电压反馈型AF

(a) 串联型AF

(b) 统一电能质量调节器

图3 串并联AF

四线式AF 大量单相负载是由带中线的三相供电系统供电的。这些单相负载产生过大的中线电流、谐波、无功功率负荷以及不对称等问题。为了减少这类问题造成的影响，人们尝试使用四线式AF。四线式AF的研究方向有：(1)电流反馈式[18]和电压反馈式[13, 19]的并联有源滤波型；(2)串联有源滤波型[13, 20]；(3)串联有源和并联无源的混合型[21]。图4是一种典型的并联AF拓扑结构，也被称为电容中点型AF，用于较小容量的情况。因为全部中线电流流过电容器，因此必须使用大电容。

图4 电容中点型四线并联AF

3 有源滤波器的控制策略

控制策略是AF的核心部分，它由三部分组成：第一部分，使用电力变压器(PT)、电流互感器(CT)、霍尔效应传感器和隔离放大器，检测出基本的电压电流信号，获得准确的系统信息；第二部分，基于不同的控制策略和拓扑结构，得到一定电流电压等级的补偿指令；第三部分，利用PWM、滞环、滑模以及模糊逻辑控制技术，产生AF开关元件的门极驱动信号。实现AF控制策略的是离散模拟（或数字）装置以及单片机、数字信号处理器(DPS)等微电子装置[1]。

采集系统信号为了实现控制算法，需要多路瞬态电压电流信号去监控、测量和记录总谐波畸变(THD)、功率因数、有功和无功功率、波形因数等特性参数。典型的电压信号包括交流输出电压、AF的直流母线电压以及串联元件的导通降。电流信号包括负载电流、电源电流、补偿电流以及AF直流端电流等。PT、霍尔效应电压传感器以及隔离变压器用于电压信号的检测。电流信号的检测使用CT或霍尔效应电流传感器。为了降低噪音，要对电压和电流信号进行滤波。滤波器有基于硬件（模拟）的，也有基于软件（数字）的低通、高通或带通滤波器。

补偿信号的获取电压或电流补偿信号的获取是AF控制的重要部分，它影响到AF的容量确定、瞬态特性和稳态特性。产生补偿指令的控制策略是基于频域或时域校正技术。

(1)频域补偿。频域控制策略是基于畸变电压电流信号的傅立叶分析，得到补偿指令[22-24]。利用傅立叶变换，从污染的谐波信号中分离出补偿谐波量，补偿谐波和污染的谐波共同产生补偿指令。AF开关频率通常高于两倍的补偿谐波最高频率。傅立叶变换的在线应用，计算过程复杂，响应时间长。在单片机运算速度不快的情况下，这一点是影响AF发展的主要制约因素。

(2)时域补偿。时域控制是从畸变的和受污染的谐波电压电流信号中推导出电压电流补偿指令。时域控制策略多种多样，主要有瞬态理论[9, 25]、同步坐标法[14, 26]、同步检测法[12]、磁通控制法[27]、凹陷滤波法[19, 21]、P-I控制法[ 28]、滑模控制法[29]等。

瞬态有功和无功功率( )理论基于电压电流信号的变换，得到补偿信号。利用变换后的电压电流信号计算瞬态有功和无功功率。使用低通和变通滤波器，可以从瞬态有功和无功功率中吸收谐波有功和无功功率。利用逆变换，可以从谐波有功和无功功率中得出电压电流补偿指令。在同步坐标法和磁通控制法中，把电压电流信号变换为瞬态旋转量，然后得到谐波补偿指令。在凹陷滤波法中，对畸变电压或电流信号滤波，得到补偿信号。在P-I控制法和滑移控制法中，直流母线电压或直流母线电流保持在设定值，得到电源电流的参考值序列。从参考电源电流中减去负载电流，就得到补偿指令。

AF门极驱动信号的产生 AF控制的第三部分是基于电压电流补偿指令产生AF固态开关元件的门极驱动信号。滞环电流控制、PWM电流（或电压）控制、无差拍控制、滑模电流控制、模糊电流控制等控制策略，都是通过硬件或软件得到AF开关元件的控制信号。

4 经济技术指标

1971年日本学者首次提出AF技术[30]，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。1976年，美国西屋电气公司利用大功率晶体管组成的PWM逆变器构成AF消除电网谐波。80年代以来，随着电力电子技术的飞速发展，大功率可关断器件(GTR，GTO，IGBT等)的相继出现，以及对非线性条件下无功功率补偿理论的深入研究，特别是瞬时无功功率理论的提出，AF在工业上得到了广泛的应用。但实际上，AF作为改善供电质量的一项关键技术，只在日本、美国、德国等少数工业发达国家得到广泛应用。目前，世界上AF的主要生产厂家有ABB、东芝、富士、三菱、西屋等公司[1]。与国外发达国家广泛应用AF相比，我国的AF还处在研究试验阶段，只有少数样机投入工业应用，这与我国谐波污染日益严重点状况极不适应。实际上，影响AF应用的最大障碍就是AF的经济技术指标。

AF技术指标主要取决于拓扑结构和元件参数的选择。根据不同的应用要求，选择合适的拓扑结构。在AF出现的早期，出现过很多拓扑结构。因为这些拓扑结构复杂、成本高，所以在商业上未得到进一步的发展。目前，AF可以快速地补偿高次谐波（最高可达到25次谐波），但实际上高次谐波量很少，仅仅使用无源滤波器就可以实现补偿。因此在AF中引入了辅助无源滤波技术，其中无源滤波器用来消除高次谐波，AF用来补偿低次谐波分量。这就实现了在未降低滤波器整体性能的情况下，减少了AF的容量，从而降低了成本。

在选定拓扑结构后，元件参数的选择就成为改善AF特性的主要因素。AF中的主要元件都是固态开关元件。MOSFET和BJT先后应用于小容量的AF，IGBT应用于中等容量的AF，GTO应用于较大容量的AF。在AF技术发展初期，固态开关元件的价格是一个重要的考虑因素。但现在，随着半导体器件制造水平的迅速发展，尤其是IGBT的广泛应用，引入辅助无源滤波技术的AF系统低成本优势逐渐消失。同时，串并联AF以其强大功能、高性价比，日益受到重视。除大功率开关器件之外，逆变器输入端的串联电感和AF的直流母线电容的选择也很重要。逆变器输入端的串联电感可看作电源输入端和PWM之间的缓冲器。AF性能主要取决于该电感值的大小。如果较小，那么大的开关纹波注入到电源电流中。如果较小，就不能跟踪设定的补偿电流。因此选择合适的LC就显得特别重要了。AF的直流母线电容是另外一个重要元件。当的值较小时，直流母线电压在稳态时有较大纹波，在瞬态时有电压波动。当的值较大时，可以降低直流母线电压纹波和波动，但增加了系统的成本和体积。

固态电力控制使用的增多导致谐波污染的加重。从长远的观点来看，电力公司将按照IEEE-519等推荐的工业标准，引导非线性负载用户使用AF，以确保电能质量。目前，电力系统谐波污染的不断加重，促使了对AF需求的逐步增长。在未来的几年里，AF的应用会越来越广泛。

5 结束语

本文全面回顾了AF的拓扑结构、控制策略和经济技术指标，向从事AF技术研究的工程师和技术人员展望了AF应用现状和发展前景。随着我国电能质量治理工作的深入开展，AF技术会得到越来越广泛的应用，蕴藏着巨大的市场前景。

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