有源電力濾波器概述

　　隨著各種非線性、不平衡負載的出現，電網中產生了大量的諧波和無功，使得電網能量損耗增加，電能質量下降，供用電設備壽命縮短。因此，解決電力系統諧波抑制及無功補償問題變得日益迫切。傳統的方法是使用無源電力濾波器[1]，其優點是結構簡單，可靠性高。但由于存在只能消除特定次諧波、易受系統參數影響發生諧振的缺點，在20世紀80年代以后APF逐漸取代無源濾波器成為抑制諧波、補償無功的主要手段。APF[2]通過向電網注入與負載諧波和無功電流大小相等、方向相反的補償電流，使電網的諧波和無功為零。它能夠動態的補償任意次諧波和無功，且運行時不易受系統參數的影響，安全可靠性高。

　　目前，對APF的研究主要集中在拓撲結構[3-7]、電流的檢測方法[8-13]和電壓電流的跟蹤控制方法[14-25]上。本文對這幾個方向的研究現狀分別進行了敘述,并在此基礎上闡述了APF的發展趨勢，提出將憶阻器應用到有源電力濾波器中的設想，對有源電力濾波器的研究具有理論指導意義。

　　1 APF的拓撲結構

　　隨著APF技術的發展，已出現了多種拓撲結構：單獨型(串聯型，并聯型);混合型(APF與無源濾波器混合)，串-并聯型APF。

　　(1) 并聯APF：APF與負載并聯接入系統，通過產生與諧波電流大小相等，方向相反的補償電流，使負載電流為正弦波。它能夠對電流源型非線性負載和平衡三相系統進行諧波抑制和無功補償。但由于APF需要承受基波電壓，限制了它在大功率場合的應用，另外傳統的并聯型APF使用單個大電感濾波器，大電感必然導致較大的輸出阻抗，影響補償性能。用電感和電容組合成LCL濾波器取代電路中的電感，能夠使電路獲得較高的高頻衰減率，改善系統性能，是目前的研究熱點。

　　(2) 串聯型APF：串聯型APF通過變壓器與負載串聯，能夠消除三相不平衡和電壓敏感性負載的電壓諧波。但由于有很高的負載電流流過APF，會使變壓器的額定參數上升，損耗增加，限制了其應用。文獻[5]提出將APF串聯到直流側，通過控制兩個有源開關，改變儲能電容的極性，實現對電感電流的連續控制，從而達到抑制諧波的功能。并且2個有源開關管工作在同一頻率下，能夠使控制電路和驅動電路得到簡化，降低成本。

　　(3) APF與無源濾波器(passive filter，PF)混合型：串聯APF與并聯PF混合型和并聯APF與并聯PF混合型是兩種基本結構，其中PF分擔大部分諧波，APF只起到補償所需各次諧波和改善系統性能的作用，從而可以提高系統的容量等級, 降低系統成本。APF與PF串聯后并聯接入，系統相當于電流控制電壓源，APF只需產生與諧波電壓成比例的補償電壓，適合于高壓系統。且注入變壓器連接在PF的中性點上，使得絕緣和維護比較方便。串聯諧振注入式APF和并聯諧振注入式APF都是利用電容、電感在基波頻率處發生諧振的特性，使APF承受的電網基波電壓降低。但是為了能夠具有較好的諧波注入能力，就會選擇較大注入電容，容易造成無功過多，影響電網運行。文獻[6]提出一種混合結構，使有源部分通過耦合變壓器與由L2、C2構成的串聯諧振支路并聯再與L1、C1構成的并聯諧振注入支路串連接入電網。在諧波域有源部分只承受L2、C2上分到的很小的諧波電壓，從而有效降低有源部分模塊的容量，降低了系統成本。

　　(4) 串-并聯型APF：系統由串聯APF和并聯APF組成，它兼具串聯和并聯APF的特點，并聯APF主要用于諧波抑制和無功補償，串聯APF主要用作隔離和電壓調節。又被稱作統一電能質量調節器，是現階段APF研究的熱點。但是系統結構復雜、控制困難，有待進一步研究。

　　(5) 開關電容濾波器：這是一種新的電路結構，它將開關器件和容量較小的電容、電感進行組合，通過控制開關的通斷，可以濾除諧波、向系統提供無功，從而取代傳統的APF主電路中大儲能元件和變流器，有效簡化了電路結構，減小了體積，降低了成本和電路容量。

　　2 APF中的諧波檢測算法

　　最早的檢測方法是通過模擬電路實現的，但模擬電路存在只能濾除固定頻率的諧波、對頻率時變信號的諧波檢測誤差較大、對元件參數變化十分敏感的缺點，使得其應用受到了限制，隨著計算機和電子技術的飛速進步，數字檢測算法得到了廣泛的發展。根據其發展過程可以將算法分為頻域、時域、現代智能控制三類。下面分別介紹這些算法

　　(1) 傅里葉及其改進算法：傳統的傅里葉檢測法是將檢測電流進行傅里葉變換，從而得到基波和整數次諧波電流。但該方法計算量大、實時性較差，所以衍生出了改進算法，包括快速傅里葉變換、離散傅里葉變換和遞歸離散傅里葉變換。這三種改進方法在一定程度上提高了檢測精度，減少了計算量，但都需要嚴格的同步采樣，限制了其應用。

　　(2) 卡爾曼濾波器：此算法是以最小均方誤差為準則的最優線性估計，根據前一個觀測數據和最近一個觀測數據，利用狀態方程和遞推方法，對當前過程狀態進行實時估計。動態噪聲和飽和現象是影響濾波器性能的兩個重要因素，如何確定這兩個量是應用卡爾曼濾波器的難點。

　　(3) 基于小波理論的檢測法：對檢測電流進行小波變換，利用帶通特性，將信號分解到各個頻率上去，同時保留信號各分量的時間信息。小波檢測法對于信號特征量的提取具有很好的特性，但選擇小波母函數時，還沒有統一的理論依據，有待進一步研究。文獻[12]提出基于小波變換的時變諧波檢測方法，利用小波變換將時變諧波幅值的估計問題轉化為常系數估計, 可以準確檢測時變諧波并且具有較快的跟蹤速度。

　　以上三種方法是基于頻域的諧波檢測法，對于穩定信號的諧波檢測有很好的效果，但對于時變和非周期的信號，諧波檢測能力就會有所降低，所以就需要基于時域的諧波檢測法進行補充。

　　(4) 同步檢測算法：該算法基于平均功率，按照補償分量的不同，可分為等功率法、等電流法和等電阻法，即分別使補償后各相的功率、電流和電阻相等，且電壓電流同相位。該方法可以有效消除無功和諧波，減少線路損耗，平衡線路電流。但三相電壓不平衡時，會使補償后的電流不平衡、時間延時增大，限制了其應用。

　　(5) 基于瞬時無功功率的檢測算法：主要包括基于瞬時有功功率和瞬時無功功率的檢測算法(p-q法)、基于瞬時有功電流和瞬時無功電流的檢測算法(ip-iq法)、基于同步旋轉坐標的算法(d-q法)。這三種算法主要通過坐標變換，得到相應坐標系下的基波和諧波分量，再經過反變換即可得到計算所需的量。p-q方法參與運算的量為三相瞬時相電壓和瞬時線電流，而ip-iq方法參與運算的是三相對稱單位正弦量和余弦量。在硬件實現上后者的電路簡單，實現容易。d-q法能夠實現對指定次諧波的補償，但是用模擬電路實現時需要的低通濾波器過多，會增加系統的復雜程度。

　　(6) 基于Fryze的諧波檢測算法：該方法是把實際電路中的負載等效為理想電導元件，認為電路中的功率都消耗在這個等效電導上，根據等效電導對電流進行分解，討論各電流分量的性質。可分為直接法和間接法，直接法是用電源電壓的波形來分析電流，分別得到基波有功分量和基波無功分量，從而檢測出諧波電流分量;間接法是用鎖相環來生成與電源電壓同相位的參考電壓，在計算過程中代替實際的電壓，從而準確檢測出各電流分量。這種方法應用范圍廣，并能檢測出基波以及任意次諧波電流。

　　除以上幾種方法外，基于時域的諧波檢測方法還有直流側電壓控制算法、廣義積分算法、單位功率因數算法等，這些算法對于時變的負載電流有很好的檢測能力，但是存在著計算復雜，精確度不高的缺點，隨著現代智能控制的發展有望解決這些問題。

　　(7) 自適應檢測法：該方法基于自適應干擾抵消原理，將電壓作為參考輸入，負載電流作為原始輸入，從負載電流中消去與電壓波形相同的有功分量，得到需要補償的諧波與無功分量。在電壓波形畸變情況下也具有較好的自適應能力，缺點是動態響應速度較慢。

　　(8) 神經網絡檢測法：神經網絡諧波電流檢測法通過自適應性或訓練權重來檢測諧波電流。不但避免了對于給定補償電流的復雜計算，而且有廣泛的適應性，可以同時檢測出諧波電流、無功電流、基波負序和零序電流。

　　(9) 預測控制算法：利用當前采樣時刻的狀態信息，預測下一個采樣周期補償電流的軌跡，從而確定逆變器的開關函數，使補償電流跟隨電流參考值變化，實現諧波電流預測控制。將其與神經網絡或自適應相結合，可構成復合算法，實現諧波電流的快速、精確檢測。

　　智能控制算法在檢測精度和計算速度上都有明顯的優勢，但是目前的技術水平還不能使這些算法應用到實際中，有待進一步的研究。

　　3 APF的控制算法

　　當APF主電路結構和電流檢測算法均已確定后，控制系統就成為影響APF性能和效率的關鍵環節。控制方法可以概括為兩大類:一是傳統的控制方法，如滯環電流控制，空間矢量控制，單周控制，無差拍控制法，三角波比較法，基于坐標變換的線性控制法，直接控制算法。二是新型智能控制方法，包括自適應控制，模糊控制法，神經網絡控制法，迭代自學習控制法，重復控制法，預測控制法，滑模變結構控制法，瞬時電流控制算法，基于李雅普諾夫函數的控制算法。

　　(1) 單周控制算法：其基本思想是控制開關占空比，在每個周期內使逆變器開關變量的平均值與控制參考值相等或成一定比例，從而消除穩態和瞬態誤差。它具精度高、電路簡單、對系統參數變化不敏感等優點。但這種方法難以精確獲得APF與諧波負載并聯的等效阻抗，只適合諧波和無功同時補償的情況。

　　(2) 無差拍控制算法：這是一種能夠全數字實現的預測控制算法，它根據K時刻的負載電流和補償電流，計算第K+1時刻的指令電流值及各種可能開關狀態下補償電流的預測值，然后選擇使電流誤差最小的開關狀態，作為K+1時刻開關狀態的選擇依據。利用灰色系統理論可以將預測拓展到第K+2步，對K+2步的諧波參考電流和可能的輸出電流進行預測和比較，綜合后確定K+1步的開關狀態。該方法能快速響應電流的突然變化，特別適合快速暫態控制。但存在計算量大，對參數依賴性高的缺點。

　　(3) 電壓空間矢量控制算法：從電動機的角度出發，把逆變器和電機看作一個整體，通過控制與參考矢量最接近的三個開關矢量的作用時間，使一個控制周期內開關矢量輸出的平均效果逼近基準圓磁通。它的電壓利用率高、能夠很好的抑制電流過調，但是，控制算法復雜，需要很長的運算時間。文獻[15]提出了基于電壓空間矢量的滯環電流控制方法，利用電流誤差矢量與參考電壓矢量的空間分布給出最佳的電壓矢量切換時間，使電流誤差控制在滯環寬度以內。可以有效消除相間影響，并且其實現簡單，無需復雜的矢量變換。

　　(4) 直接控制算法：此算法基于直流側電容電壓控制和補償電流反饋控制, 從瞬時有功和無功功率在系統中傳遞的角度出發, 以調節電網輸入APF的有功功率為目標, 直接對輸入的電流進行控制, 省略了檢測有功和無功電流分量的繁瑣過程, 使系統得到簡化。

　　傳統的控制方法在實際中的應用已經很多，具有很快的反應速度、簡單的控制電路、良好的控制精度。但傳統的控制方法存在的一些固有缺點，限制了其進一步的應用，需要新型智能控制方法的補充。

　　(5) 滑模變結構控制法：其原理是依靠高頻轉換強制閉環系統到達并保持在所設計的滑動面上，通過判別跟蹤誤差在曲面兩側中的哪一側，直接選取開關模式。但現有的滑模變結構控制中，均是以跟蹤誤差為零構造切換曲面，會造成調節誤差。并且逆變器開關頻率不固定，開關諧波的頻率范圍廣而且不容易被濾除，有待進一步的研究。

　　(6) 瞬時電流控制算法：該算法通過分析并網型逆變器不同開關狀態對瞬時電流的直接控制作用，得出一組瞬時電流位移因子算式。在調控輸出電流時，采用脈寬調制方法選擇不同位移因子并控制其作用時間，完成當前電流向下一時刻指令電流的轉移，從而達到輸出電流跟蹤指令電流的控制目標。該方法僅用單數字信號處理器(DSP)即可實現有源電力濾波器的高性能快速檢測與控制，簡單實用，并且能夠有效減小輸出電感量。

　　(7) 基于李雅普諾夫函數的控制算法：利用坐標變換對有源電力濾波器系統進行建模，利用李雅普諾夫函數理論建立模型的控制算法，對系統進行調節。該方法的諧波檢測環節簡單，計算量少;控制策略不依靠電路參數;計算過程中可消除耦合關系，省去了PI 控制器解耦環節，使電路結構簡化。

　　(8) 重復控制算法：將作用于系統外部信號的動力學模型植入控制器以構成高精度反饋控制系統，在系統周期不變的前提下，將上一周期的控制誤差應用到當前控制量的生成中，使其對周期性擾動具有良好的抑制能力。文獻[24]提出將PI控制和重復控制相并聯的控制方法，利用重復控制提高APF的穩態精度，通過PI控制保證APF的動態性能，能夠使系統獲得良好的穩定性。

　　(9) 神經網絡算法：此算法是對大腦處理和檢索信息功能的模仿，能夠很好的解決控制系統中的大規模實時計算問題，且對復雜不確定問題具有自適應和學習能力。應用在APF中，該方法可以根據負載電流的信息直接獲取逆變器的開關模式，使系統的穩定性和快速性得到提升。文獻[25]提出基于神經網絡的遞推PI控制算法，算法在變學習率的前向通道誤差反傳調整權值的基礎上，引入粒子群算法的對權值進行修正，使PI 控制器的比例、積分參數得到優化。

　　智能控制方法盡管已經大量地用于有源電力濾波器的研究，但現階段還不能將這些技術實際應用。將智能控制引人到傳統控制方法中，利用智能控制的優點來改善傳統控制方法的不足，從而提高控制性能，是目前研究的熱點。

　　4 發展趨勢

　　透過目前的研究現狀和應用水平可以看出，APF的研究大多還處于仿真和實驗階段，如何將已有的研究成果進一步完善并用于實際中，需要我們在未來的研究中進一步完善諧波檢測理論，使系統的補償特性，電流檢測方法得到改善;應用模塊化、多重化技術，以提高系統的可靠性，降低開關損耗;改善變流器的控制方式和結構形式，為提高APF性能提供有效途徑;將DSP應用到APF系統中，使諧波電流的檢測和控制實現全數字化;擴展APF的功能，在消除諧波的基礎上實現補償無功、消除電壓不平衡以及閃變等功能，使電力系統諧波治理朝著動態、智能、經濟效益好的方向發展。

　　另外，一些新技術的出現也將為APF的發展提供新的方向。2008年惠普實驗室研制出具有憶阻器效應的納米級元件，使憶阻器成為目前的研究熱點。將憶阻器[26]與電感、電容相結合，組合成具有濾波性質的器件，加到APF中，構成混合型APF，可有效提高系統的電壓等級，并且由于憶阻器屬于納米級元件，其應用將使得APF的模塊化和多重化變的更加容易。另外應用憶阻器有望構建出神經網絡模型，把神經網絡控制變成現實，使APF的穩定性得到改善。壓縮感知[27]是一種新的采樣理論，一經提出，就引起學術界和工業界的廣泛關注，被美國科技評論評為2007年度十大科技進展。它通過開發信號的稀疏特性，在遠小于奈奎斯特采樣率的條件下，用隨機采樣獲取信號的離散樣本，然后通過非線性重建算法完美的重建信號。它能夠舍去大部分無用數據的中間過程, 從而有效緩解了高速采樣實現的壓力, 減少了處理、存儲和傳輸的成本。使用壓縮感知理論檢測負載諧波和無功，對于突變信號和非平穩信號都有實時、精確的分析能力，可以有效提升諧波檢測的速度和精度，將會進一步提高有源濾波器的工作性能。

　　5 結論

　　本文介紹了有源電力濾波器的研究現狀，分析了一些結構和算法的基本原理，比較了各自的優缺點，并展望了該領域今后的發展方向。隨著APF技術的進一步完善并應用于實際中，它必將為提高我國的電能質量、還電網一個潔凈的電氣環境、營造“綠色電網"做出貢獻。