APF有源电力滤波器分析及控制方法综述

2023-01-11蒋正荣李童雪

电子制作 2022年22期

蒋正荣，李童雪

（北方工业大学电气与控制工程学院，北京，100144）

0 引言

随着电力电子技术的发展，电力电子设备被广泛应用于电力工业中，然而，作为非线性负载的电力电子设备产生了大量的谐波与无功[1]，与此同时，高精密的电子仪器与对电源对电网质量的要求也越来越高，有源电力滤波器的出现，有效地弥补了无源滤波器所具有的只针对特定次谐波有效，受系统阻抗变化影响大且易引发谐振的缺点，能够对特定次谐波和无功电流进行跟踪和补偿，是一种理想的改善电能质量的装置，近年来引起了广泛关注。

1 APF的基本工作原理

由于串联有源滤波器存在绝缘度高、难以适应线路故障条件以及无法进行无功功率动态补偿的缺点[2]，目前使用的多为并联型APF。并联型APF系统的结构如图1所示。图中，负载为谐波源，变流器与其相连的电感和直流侧储能元件共同构成APF的主电路。并联型APF可以跟踪谐波源产生的谐波电流，并生成与之相反的补偿电流，适用于补偿电流型谐波源。

图1 并联型APF结构图

但在APF运行过程中，会产生与补偿电流开关频率附近的谐波，目前，APF的通常采用L型滤波器，L型滤波器虽然结构简单控制方便，但其滤波效果受电感值的大小影响，当对波形质量要求较高时，只能增加电感值，但电感值的增加会导致体积增加和成本上升，也会产生额外的损耗。因此，LCL型滤波器开始被应用。与L型滤波器相比，LCL型滤波器在频率越高的情况下，阻抗越小，因此可以更好地抑制高频谐波分量。为此，当滤除谐波含量相同的情况下，LCL型滤波器与L型滤波器相比，可以降低总的电感取值，节约成本且降低装置体积[3]。

LCL滤波器作为一个三阶系统，其缺陷在于，其含有的谐振尖峰会导致系统产生振荡现象，为保证系统能够稳定可靠工作，需要通过改变LCL型滤波器的支路结构或者利用控制框图等效法在控制策略中实现等效阻尼来抑制LCL型滤波器的谐振尖峰，分别称之为无源阻尼和有源阻尼技术[4]。

无源阻尼是通过在LCL电容支路引入无源元件，从而达到使系统稳定的目的。其优点是方法简单，稳定可靠，但由于无源元件的加入，使得系统的损耗增大。有源阻尼是通过改进控制算法，实现阻尼的效果，继而消除由LCL型滤波器引起的系统谐振。目前有源阻尼的控制方法有状态变量反馈法，虚拟电阻法等。

此外，为了进一步提高波形质量，提高装置的经济性，文献[5]提出了一种LLCL型滤波器，在LCL型滤波器的滤波电容支路上，串入了一个小电感，从而实现电容支路以在开关频率处的串联谐振。文献[6]提出一种LCCL型滤波器，在网侧电感支路，将一个小电容与网侧电感并联，利用网侧电感与该并联电容在开关频率处产生的并联谐振，抑制开关频率附近的谐波，与LLCL型滤波器相比，LCCL型滤波器可以更好地实现抑制参数变化。同时，在设计基于电容电流反馈法有源阻尼的控制时，LCCL型滤波器比LLCL型滤波器更加合理。

2 并联型APF拓扑分类

变流器作为APF的核心部件，其拓扑结构的研究是APF研究领域的重要组成部分，目前主要分为：两电平，三电平，多电平等。

2.1 两电平

图2为两电平变流器的结构图。通过三组开关器件的通断组合，控制直流侧的电容电压，将其与交流测电源电压的差值作用在电感，得到补偿电流。两电平变流器具有结构简单，成本低的优点，但输出的电流纹波较大，不适用于高电压大功率场合。

图2 两电平拓扑结构图

2.2 三电平

与两电平变流器相比，三电平变流器具有器件开关频率低，损耗少的优点，有效地提高了APF的电压等级和输出电流的波形质量。目前，三电平变流器包括二极管钳位型，T型，飞跨电容型，H桥级联型等。

图3所示为二极管钳位型的结构图，每相桥臂增加一对钳位二极管，每一对二极管的中点与直流侧电容中点相连，但是，一些开关状态会使电流流入或流出中点，会造成中点电位不平衡的问题[1]。

图3 二极管钳位型拓扑结构图

目前，中点电位控制的主要方法有：载波调制算法，空间电压矢量调制算法和虚拟空间矢量调制算法。文献[7]提出了一种基于载波调制的中点电位平衡控制策略，首先，根据电流和调制电压得到零序电压，注入电流环输出的调制波，再将其与载波比较，得到驱动相对应的开关管的驱动波，确定相应的零电平的时间，从而实现对中点电流的控制。相较于空间矢量调制，该方法没有复杂的分区和计算，易于实现。文献[8]提出了一种基于空间电压矢量调制算法的中点电位平衡控制策略。已知大矢量和零矢量对中点电位平衡没有影响，正负小矢量对中点电位的影响可以互补。所以可以通过引入平衡因子，根据当前的中点电位偏差，调节小矢量的作用时间，实现中点电位平衡。文献[9]在虚拟空间矢量调制算法的基础上，通过零矢量、中矢量和大矢量对虚拟小矢量和中矢量重新定义，使得到的虚拟矢量产生的共模电压为传统虚拟空间矢量调制算法产生的共模电压的二分之一，再通过选取虚拟中矢量分配系数的最优值，使虚拟矢量产生的中点电流向减小中点电压波动的方向流动。

图4所示为T型拓扑。T型逆变器的每相桥臂通过反向串联的开关管来实现中电钳位，使其输出电压具有三种电平，该拓扑与二极管钳位型相比，免去了钳位二极管，所以器件更少，损耗更小，输出电压谐波更小，有效地提高了逆变器的效率，节约了成本[10]。

图4 T型拓扑结构图

现在，有一种三相两桥臂的拓扑被应用于电力电子设备，在这种拓扑结构的基础上，许多不同的调制策略和控制方案被应用，可以实现相同目的下更紧凑的设计[11]。与传统三电平拓扑相比，减少了四个开关器件，因此可以省去四个驱动电路，传导损耗也可以减少为原来的三分之二。

图5所示为飞跨电容型拓扑。飞跨电容型逆变器通过直流侧上下两个电容的串联进行钳位，但是对于高压系统而言，大量电容的使用会增加系统成本，而且电容具有使用寿命短，可靠性差的缺点，所以其实际应用并不广泛。

图5 飞跨电容型拓扑结构图

图6所示为级联型拓扑[12]。与前面几种拓扑结构相比，级联型拓扑没有中性点电位不平衡的问题，因此不需要钳位二极管和飞跨电容来实现中性点电位控制，降低了成本，目前已经成为三电平APF的研究重点。

图6 级联型拓扑结构图

2.3 多电平

图7所示为模块化多电平拓扑。模块化多电平（MMC）是一种基本的多电平电路，与其他多级电路相比，它具有更高的模块化、更低的输出THD和更高的电压可扩展性等优点。MMC每相分为上下两个桥臂，每个桥臂都由n个子模块和用于限制短路冲击电流和相间环流的电感L组成。文献[13]以MMC拓扑为基础，提出了一种改进的无负载并联型有源滤波器预测谐波电流控制（PHCC）方法。控制算法由有功/无功功率控制和预测谐波控制组成，它既能使电压稳定相等，又能实现谐波滤波。

图7 多电平拓扑结构图

3 APF关键性技术

3.1 谐波电流检测技术

谐波电流检测是APF谐波补偿技术的关键环节，应用于APF的谐波检测方法分为时域和频域两类：

3.1.1 时域法

目前广泛采用的时域法是基于瞬时无功理论的p-q法和ip-iq法，p-q法通过采样网侧的三相电压和电流，经过Clark变换得到eα、eβ和iα、iβ，得到三相电路的此刻的有功功率和无功功率，经过低通滤波器获得直流分量由于p为基波有功电流与电压作用产生，q为基波无功电流与电压作用产生，所以可由此得到电流的基波分量，再通过Clark反变换，即可得到三相电流的基波分量和谐波分量。ip-iq法则需要用到锁相环（PLL）和一个正余弦发生电路，得到与eα同相的相位信号，再根据定义可以得到三相电路的瞬时有功电流ip和无功电流iq，经过低通滤波器获得直流分量，再通过Clark反变换，即可将电流的基波分量和谐波分量分别提取出来。但由于ip-iq法需要用到锁相环和正余弦发生电路，其检测精度会受到锁相环的输出相位误差的影响，而且低通滤波器会导致时间延迟，因此文献[14]在ip-iq法的研究基础上，针对锁相环精度造成误差和低通滤波器引起延迟的问题，提出了一种改进的无锁相环的谐波检测方法，采用能实现加快系统动态响应和提高对特征次谐波的滤除效果的滑动平均滤波器代替传统的低通滤波器，与ip-iq法检测相比，此方法精度和响应速度都有所提升。

3.1.2 频域法

频域法主要在傅里叶分析的基础上得来的离散傅里叶变换（DFT），快速傅里叶变换（FFT），和滑窗迭代DFT，频域分析的方法可以选择性消除所需的任意谐波次数。一般情况下，DFT比FFT的计算量要大，但在应用于APF时，更多的是用于特定次谐波的选择，DFT可以单独计算特定次谐波，而FFT需要计算全部频谱后才能获得所需的部分频谱，所以在实际应用时，DFT的计算量会小于FFT。DFT与FFT相比，变换点数或采样率选择更灵活、实时性更好。滑窗迭代比DFT的实时性更好，每一次采样，滑窗迭代DFT都会加上最新数据减去上个周期的旧数据，相当于每次都做一个DFT，因为只涉及几个加减和简单的乘法运算，所以计算时间短，实时性好[15]。

3.2 电流跟踪控制技术

3.2.1 PI控制

PI控制可以实现对直流信号的无静差跟踪，但是由APF的原理可知，其参考信号为一系列不同频率的谐波，传统的PI控制器增益和控制带宽有限，参数无法实时调整，导致补偿精度会受到影响，所以，目前的改进策略是将PI控制与其他控制方法结合。文献[16]给出了一种BP神经网络递推积分PI-重复控制策略，在传统PI控制算法的基础上，引进BP神经网络算法和递推积分函数，通过BP神经网络自学习及不断调节权值，跟踪误差变化实时调节PI控制参数，弥补了PI控制不能实时调整参数的缺陷，进而满足最优化要求。

3.2.2 PR控制

为了实现不同频率的谐波补偿，PR控制被应用于APF的控制中，由于PR控制在谐振频率处的增益表现为无穷大，所以PR控制可以选择性的对不同频率的谐波进行补偿，但是当需要补偿的谐波次数较多时，其补偿带宽不足。文献[17]提出了一种改进的准PR控制器，准PR控制器增益由Kr决定，通过调节Kr，可以使其有足够大的增益，从而保证高精度的指令跟踪，与传统的PR控制器相比，增加了补偿带宽，提高了系统抗电网波动的能力，同时在控制器中增加积分环节，有效地提高了低频增益。

3.2.3 滞环控制

滞环控制是一种非线性控制方法，其原理是通过滞环比较器将电流误差经过比较后输出。滞环控制器结构简单，动态响应快，且具备较强的抗干扰性能，但系统的补偿精度和开关频率会受到滞环比较器环宽的影响。为了改善上述问题，提出了定频滞环控制[18]，用一组滞环比较器判断参考电压矢量的区域，从而选择优化电压矢量去控制电流，但其受谐波影响较大，电流控制误差较大，且补偿效果较差，因此文献[19]提出了一种基于混沌算法的电力滤波器定频滞环电流控制，利用混沌算法遍历性、随机性以及全局性的特征，为定频滞环电流控制提供更加精准的分析数据。与传统方法相比，该方法误差较小，补偿效果以及开关频率控制效果较好。

3.2.4 重复控制

重复控制是在内模原理的基础上提出的，该控制策略可以无静差的追踪周期信号，具有结构简单，运算量小的优点，但是重复控制需要加入一个延迟环节从而在特定频率处取得较高增益，所以其动态性能较差，文献[20]提出了一种双闭环PI+重复控制的复合控制策略，可以有效地解决重复控制动态性能较差的问题。

3.2.5 滑膜控制

滑膜控制是一种非线性控制方法，该控制策略可以在系统在运行的同时，根据系统的实时运行状态做出调整，从而使系统运行在既定的轨迹上，具有响应速度快，受系统参数影响小的优点，但是当系统的运行轨迹到达滑模面时，会产生抖振问题。针对上述问题，文献[21]提出了一种滑模变结构的新型控制策略，采用变指数趋近率的方法，对APF进行了离散化处理，实现了对三电平APF的电流的实时控制，并降低了抖振问题造成的影响。

3.2.6 预测控制

预测控制是通过采集当下时刻的状态信号，来预测下一时刻的控制信号，选择最有效的电压矢量，从而使系统获得最优控制，具有良好的动态性能。根据优化方法的不同，模型预测控制主要分为两大类：有限集模型预测控制和连续集模型预测控制。

连续集模型预测控制需要加入PWM调制器，很难实现对开关频率的优化控制，且控制目标单一。有限集模型预测控制不含有PWM调制器，因此能够实现对开关频率的控制，而且可以通过引入权重因子实现多目标控制。有限集模型预测控制可以分为：单矢量，双矢量和多矢量。传统的单矢量有限集模型预测控制存在电压矢量方向固定、幅值固定、寻优次数少等问题，控制后电流的脉动依然很大。针对这一问题，文献[22]提出了在一个开关控制周期内使用一个非零矢量和零矢量组合替代传统的单一矢量，并推导了占空比计算公式，提出一种计算非零矢量和零矢量的作用时间的简单方法，与传统的单矢量模型预测控制相比，在相同采样频率下，该方法可以获得更低的功率脉动和谐波含量。文献[23]提出了一种三矢量模型预测功率控制，通过构建预测功率模型，在每个控制周期进行两次电压矢量选择，首先选定第一个最优电压矢量，然后再从相邻的有效电压矢量中选取两个，再连同零矢量与第一个最优电压矢量分别组合，合成期望电压矢量，将这两个电压矢量代入价值函数，选取最优解，最后将得到的最优电压矢量进行空间矢量调制得到驱动信号，在相同开关频率下，改善了系统的稳态性能，提高了电流质量和控制精度。