1、2023 1期 三相三线制有源电力滤波器的研究综述谢华北，金磊，宋朋骏，蔡雷，荆刘攀，吴升杰，吴红梅（西藏农牧学院西藏土木水利电力工程技术研究中心重点实验室，西藏 林芝 ）摘要：为了对电网中的谐波分量进行有效检测和抑制，在综合现有文献的基础上，介绍了有源电力滤波器的工作原理、多种谐波检测算法、谐波抑制策略及应用较为广泛的控制方法，并基于此提出有源电力滤波器的不足与改进。关键词：谐波；有源电力滤波器；检测算法；控制中图分类号：，（，）：，：；基金项目：国家自然科学基金项目（编号 ）收稿日期：作者简介：谢华北（），在读硕士研究生，从事新能源并网与控制技术研究工作；吴红梅（），通信作者，副教授，从事
2、微电网稳定运行及控制研究工作。引言电能是国家经济增长和社会发展必不可缺的重要能源，电能质量可从各个角度进行分类和解读，但其中最重要的是电压和电流质量。而对电流质量的研究，关键是对电网中的谐波分量进行检测和抑制。目前，国内外较为主流的电能质量控制装置包括有源滤波器（，）、无源滤波器（，）、统一电能质量调节器（）和静止同步补偿器（，）等。本文将对有源电力滤波器从谐波检测、谐波抑制、控制方法等方面进行阐述。有源电力滤波器的简述有源滤波器可称为任意波形发生器或可控非线性器件。其工作原理如图所示，通过算法运算检测谐波分量，经滞环控制或其他控制发出 信号，该信号控制 主电路产生一个与谐波大小相等、方向相反
3、的补偿电流，使系统中谐波分量被抵消。从理论上讲，有源滤波器可对任意谐波分量进行补偿。图 1 有源滤波器工作原理电源iGiFih谐波源主电路运算电路控制电路APF 滤波驱动电路指令电流运算电路 法图为 法工作原理图，具体运算过程如下。图 2 pq法工作原理uaubuciaibicC32C32uuiiCpqipiqLPFLPFi-pi-qC-1pqiFiFC23iaFibFicFiahibhich（）三相电流、线性变换为、：（）理论研究电工技术 中国电工网（）三相电压、线性变换为、：（）（）、与、经过运算转换为、：（）（）利 用 低 通 滤 波 器（）滤 除 高 次 谐 波 得 到、。（）将、转换
4、至、：（）（）将、线性变换为、，得到基波：（）（）由三相电流、减去基波、，得到谐波、：（）、法图为工作原理图，具体运算过程如下。图 3 ip-iq法工作原理iaibicC32iiCipiqLPFLPFi-pi-qCiFiFC23iaFibFicFiahibhichusincosPLL（）三相电压相位的提取和三相电流的引出；通过锁相环把相角锁定，用于后续计算。（）三相电流、线性变换为、：（）（）、转换为、，其中的正弦量与余弦量由（）中的锁相环加三角函数模块引出：（）（）利 用 低 通 滤 波 器（）滤 除 高 次 谐 波 得 到、。（）将、转换为、：（）（）将、线性变换为、，得到基波：（）（）由
5、三相电流、减去基波、，得到谐波、：（）法图为 法工作原理图，具体运算过程如下。iaibicCdqipiqLPFLPFi-di-qC-1dqiaFibFicFiahibhich图 4 dq法工作原理（）三相电压相位的提取和三相电流的引出；通过锁相环把相角锁定，用于后续计算。（）三相电流、线性变换为、：（）（）（）（）（）（）利用低通滤波器（）滤除高次谐波得到、。（）将、线性变换为、，得到基波：（）（）（）（）（）（）由三相电流、减去基波、，得到谐波、：（）电流跟踪控制电路 滞环控制图为采用滞环比较器的控制原理图。在滞环控制电工技术理论研究2023 1期 中，把检测得到的指令电流与 主电路中逆变器
6、发出的补偿电流 进行比较，两者的差值作为滞环比较器的输入。通过滞环比较器产生控制驱动电路开关器件通断的信号，该信号经驱动电路放大后控制主电路产生与谐波大小相等、方向相反的补偿电流 ，从而达到谐波分量相互抵消的效果。滞环比较器的输出特性如图所示。图 5 滞环控制原理补偿电流滞环比较驱动电路主电路iahibhichiacomibcomiccom图 6 滞环比较器的输出特性10t/s00.01 0.02 0.03 0.040.05 0.06 0.07 0.08 0.090.1从图可得出，滞环比较器的输出是一些宽度不同、分布无规律的脉冲序列，且脉冲宽度受滞环上下限的影响较大。三角波比较控制图为采用三角
7、波比较控制的原理图。在三角波比较控制中，把检测得到的指令信号与 主电路中逆变器发出的补偿电流 进行比较，两者的差值经 控制器后，再与三角波进行比较，以产生控制驱动电路中开关器件通断的信号，该信号经驱动电路放大后控制主电路产生与谐波大小相等、方向相反的补偿电流 ，从而达到谐波分量相互抵消的效果。图 7 三角波比较控制原理iahibhich驱动电路主电路iacomibcomiccom补偿电流三角波比较PI控制图为另一种采用三角波比较控制的原理图。这种方式与上一种三角波比较控制类似，指令电流与补偿电流 的差值经放大增益环节后再与三角波比较，其差值经滞环控制器产生控制驱动电路中开关器件通断的 信号，该
8、信号经驱动电路放大后控制主电路产生与谐波大小相等、方向相反的补偿电流 。该方式比较适合用于控制模拟电路。图 8 三角波比较控制原理iahibhich驱动电路主电路iacomibcomiccom补偿电流三角波比较增益放大滞环比较 基于最优矢量的无差拍控制无差拍控制是一种采用数字技术实现的预测控制，它以电流误差等于零为目标，依据当前时刻补偿电流的参考值和实际值，预测下一时刻电流的参考值及最优开关状态下的逆变器电流输出值。其中最优开关状态是使电流误差最小的开关模式，这样可保证在每一个采样时刻，参考值和给定值之差为零，而且由于外部扰动或非线性负荷引起的参考值与给定值之间的偏差，都可在一个采样周期内得到
9、校正，。定时控制图为采用定时控制的原理图。其原理与滞环控制类似，只是把滞环比较器替换成时钟。图 9 定时控制原理图iahibhich时钟比较驱动电路主电路iacomibcomiccom补偿电流 控制 （空间电压矢量脉宽调制）的主要思想是以三相对称电机定子理想磁链圆为参考标准，把三相逆变器不同的开关模式进行适当切换，从而形成波，以其形成的实际磁链矢量来追踪准确磁链圆。传统的 控制从电源的角度出发，生成一个可同时调频调压的正弦波电源，而 控制是将逆变过程和异步电机看作一个整体，以便于微处理器的实时控制。驱动电路与主电路图 为驱动电路与主电路原理图，由电压源电容（直流）、逆变器、万用表、主电路等效电
10、感电阻、断路器等组成。电流跟踪控制电路所产生的 信号作为逆变器的触发信号，使 主电路产生与谐波大小相等、方向相反的补偿波。图 10 驱动电路与主电路原理iacomibcomiccom补偿电流直流逆变器测量等效阻抗断路器不足与改进本文介绍的有源滤波器适用的是三相三线制系统，并不适用于三相四线制。若要用到三相三线制，则需对指令电流运算电路进行改进，加入零序电流的检测环节。在三相三线制系统中，如果发生电压畸变或不对称，那么 法由于需用到电压的计算而不再适用；如果发生电压不对称，那么、法和 法由于要检测单相的相位而忽略了其他两相的情况，也不再适用。若要用到电压畸理论研究电工技术 中国电工网变或不对称系
11、统，可对锁相的输入进行改进，相位不再由系统的某一相提取，而用检测得到的相基波正序电流代替相电网电压进行锁相得到的相位。在电流跟踪控制电路中，滞环控制由于脉冲宽度受滞环上下限的影响较大，因此需对滞环比较器的参数进行限定。对于误差、波动等情况的发生，可采用 控制，减少误差与波动，使波形平稳。三角波比较控制会给系统注入三角波的固有频率且响应慢，误差大。控制的直流侧电压的利用率高，但计算量繁重，结构复杂。其他的控制方式也由于其自身不可避免的缺陷而很少得到广泛应用。在有源电力滤波器系统中，唯一的延时发生在低通滤波器中。为了使电流跟踪更准确，减少延时，可采用积分滤波，如图 所示。目前，较先进的方法也可采用
12、模型预测控制。图 11 积分滤波原理延时T/2id/iqid/iqid/iqiq/id+-差值积分2/T增益结语本文通 过 介 绍 指 令 电 流 运 算 电 路（谐 波 的 检测）、电流跟踪控制电路（触发信号）、驱动电路与主电路（谐波的抑制），指出其适用场景，并提出不足与改进之处，旨在为后继初学者提供参考。参考文献 李林 型有源电力滤波器的电网同步与控制策略研究 哈尔滨：哈尔滨工业大学，陈国柱，吕征宇，钱照明有源电力滤波器的一般原理及应用 中国电机工程学报，（）：廖帅戈，蒋国旗，王玮，等一种新型构成 逆变主电路的 逆变器 现代电子技术，（）：罗伟胜 一种无功与谐波的综合补偿方案 电网技术，（
13、）：郭晓蓓 统一电能质量控制器中谐波与无功电流检测方法及控制策略的研究北京：北京交通大学，韩媛媛 基于全数字控制的有源滤波器的软件设计 天津：河北工业大学，董雪武无功和谐波综合补偿方案的研究北京：北京交通大学，孙志勇，唐杰，尹进田，等有源电力滤波器三角波比较方式 控制技 术 研 究 邵 阳 学 院 学 报（自 然 科 学 版），（）：罗邵屏，罗安，汤赐，等谐波治理的研究进展变流技术与电力牵引，（）：，王静有源电力滤波器单周控制方法的研究西安：西安理工大学，杨贵杰，孙力，崔乃政，等空间矢量脉宽调制方法的研究中国电机工程学报，（）：赵相宾，夏长亮，宋国兰变频调速技术的进展电力电子技术，（）：陈振棠
14、基于 的低压配电网电压不对称系统的电压波动控制研究红水河，（）：（上接第 页）张宏，陈钊，黄蓉，等风电光伏光热联合发电系统的模糊多目标优化模型 电源学报，（）：李正茂，张峰，梁军，等 含电热联合系统的微电网运行优化中国电机工程学报，（）：杜尔顺，张宁，康重庆，等 太阳能光热发电并网运行及优化规划研究综述与展望 中国电机工程学报，（）：孙骁强，汪莹，李海庆，等新型电力系统中光热电站完全替代火电规划研究 电网技术，（）：张腾飞，田书，郭成威考虑可控负荷的光热电站和风电系统调度策略电力系统及其自动化学报，（）：贠韫韵，董海鹰，马志程，等 考虑需求响应与光热电站参与的多源系统优化经济调度电力系统保护与控制，（）：崔明勇，宣名阳，卢志刚，等基于合作博弈的多综合能源服务商运行优化策略 中国电机工程学报，（）：赵玲霞，王兴贵，丁颖杰，等 考虑分时电价及光热电站参与的多 源 虚 拟 电 厂 优 化 调 度 电 力 建 设，（）：电工技术理论研究
