文章摘要：與無源濾波器相比，有源電力濾波器具有高度可控性和快速響應(yīng)性，其具體特點(diǎn)如下： （1）具有自適應(yīng)功能，實現(xiàn)了動態(tài)補(bǔ)償，可對頻率和大小都變化的諧波及變化的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，對補(bǔ)償?shù)膶ο笥袠O快的響應(yīng)。 （2）可同時對諧波和無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償無功功

與無源濾波器相比，有源電力濾波器具有高度可控性和快速響應(yīng)性，其具體特點(diǎn)如下：
（1）具有自適應(yīng)功能，實現(xiàn)了動態(tài)補(bǔ)償，可對頻率和大小都變化的諧波及變化的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，對補(bǔ)償?shù)膶ο笥袠O快的響應(yīng)。
（2）可同時對諧波和無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償無功功率時不需要儲能元件，補(bǔ)償諧波時所需儲能元件容量不大，且補(bǔ)償無功功率的大小可以做到連續(xù)調(diào)節(jié)。
（3）受電網(wǎng)阻抗的影響不大，不容易和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振；且可以跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，故補(bǔ)償性能不受電網(wǎng)頻率變化的影響。
盡管有源電力濾波器有著無源濾波器所不具備的巨大技術(shù)優(yōu)勢，但目前要想在電力系統(tǒng)中完全取代無源濾波器還不太現(xiàn)實。這是因為與無源濾波器相比較，有源電力濾波器的成本較高，這一點(diǎn)是限制有源電力濾波器推廣使用的關(guān)鍵。隨著電力電子工業(yè)的發(fā)展，器件的性價比將不斷提高，有源電力濾波器必然會得到廣泛應(yīng)用。
無源濾波器和有源濾波器的工程造價與諧波要求關(guān)系如圖6所示。
 
從圖6中可以看出，諧波標(biāo)準(zhǔn)要求越高，對無源濾波器而言，就是濾波支路增多，其硬件造價幾乎是以指數(shù)速率增長的。而對有源電力濾波器而言，主要是增加控制的難度和復(fù)雜度，硬件的造價基本不受影響。因此，對于電能質(zhì)量要求越來越嚴(yán)格的今天，采用有源電力濾波器作為諧波消除裝置的優(yōu)點(diǎn)正在越來越突出。
4.有源濾波器結(jié)構(gòu)及工作原理
無論有源電力濾波器如何分類，它都是由幾個共同的部分構(gòu)成，即諧波檢測環(huán)節(jié)、控制系統(tǒng)、主電路以及耦合變壓器四個主要的部分構(gòu)成。如圖7所示，基本工作原理為:首先通過諧波檢測環(huán)節(jié)檢測出系統(tǒng)中的諧波并給出需要補(bǔ)償諧波的參考值，然后通過控制系統(tǒng)根
據(jù)該參考值產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖，控制主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流或者電壓跟蹤該參考值，起到補(bǔ)償效果，有源電力濾波器通過耦合變壓器接入系統(tǒng)。

下面對有源濾波器的四個部分進(jìn)行介紹：
4.1 諧波檢測
諧波檢測環(huán)節(jié)的原理框圖如圖8所示
基本工作原理為：預(yù)處理環(huán)節(jié)將電壓或電流互感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波與放大（實際中總存在一定的高頻噪音，因此一般都要對信號進(jìn)行一定的濾波及進(jìn)行放大或縮�。�，有源電力濾波器對諧波信號的時間同時性要求較高，因此一般情況下應(yīng)該對所需信號進(jìn)行同步采樣，所以需要加采樣保持電路，即在同一時刻對輸入信號進(jìn)行采樣。將采樣信號保持起來，然后分別進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。
4.2 控制系統(tǒng)
有源電力濾波器的控制系統(tǒng)及選用的控制算法是其濾波效果好壞的關(guān)鍵。有源電力濾波器的控制系統(tǒng)主要有模擬控制系統(tǒng)、數(shù)字控制系統(tǒng)以及數(shù)字模擬混合控制系統(tǒng)三類。近年來隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，各種數(shù)字處理芯片的性能大大提高，因此有源電力濾波器的控制系統(tǒng)逐步由模擬控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為模擬數(shù)字混合控制系統(tǒng)及純數(shù)字控制系統(tǒng)。下面主要介紹有源電力濾波器的數(shù)字模擬混合控制系統(tǒng)與數(shù)字控制系統(tǒng)。
4.2.1數(shù)字模擬混合控制系統(tǒng)
有源電力濾波器的控制系統(tǒng)一般由兩個部分組成，即控制算法部分和觸發(fā)脈沖產(chǎn)生部分，如圖9所示。
 
其中控制算法處理部分對諧波檢測環(huán)節(jié)送來的數(shù)字信號進(jìn)行處理，采用諧波檢測算法，快速檢測出需要的諧波與有源濾波器產(chǎn)生的諧波進(jìn)行比較，根據(jù)其差值采用一定的控制方法產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號送給觸發(fā)脈沖發(fā)生部分。而觸發(fā)脈沖發(fā)生部分根據(jù)該信號產(chǎn)生適當(dāng)?shù)尿?qū)動脈沖去驅(qū)動有源電力濾波器的變流器，使其產(chǎn)生的諧波電流或電壓與所需的諧波電流或電壓相同，從而達(dá)到諧波補(bǔ)償?shù)男Ч�。所謂數(shù)字模擬混合控制就是通過數(shù)字電路檢測并產(chǎn)生所需補(bǔ)償?shù)膮⒖贾C波信號，獲得參考諧波信號后，通過模擬電路實現(xiàn)諧波跟蹤（通常為比例積分PI控制）和PWM脈沖控制具有更快的速度和更高的分辨率。
 
圖10給出了在并聯(lián)型有源電力濾波器中經(jīng)常采用的一種數(shù)字模擬混合控制器的模擬部分。其中參考電流信號由微處理器通過D/A轉(zhuǎn)換變成模擬信號送到模擬控制部分。有源電力濾波器的補(bǔ)償電流與參考電流進(jìn)行比較，通過比例積分環(huán)節(jié)后成為調(diào)整信號，與三角波發(fā)生電路產(chǎn)生的作為載波信號的三角波進(jìn)行比較，獲得驅(qū)動有源濾波器逆變器的PWM驅(qū)動脈沖。
此類控制器中滯環(huán)比較器由于產(chǎn)生的補(bǔ)償電流參考信號能夠快速準(zhǔn)確地跟蹤諧波電流變化，具有很好的實時性，所以在有源濾波器中得到了廣泛的應(yīng)用。滯環(huán)比較器的控制框圖如圖11所示。
 
滯環(huán)比較控制采用滯環(huán)比較器，把檢測出的補(bǔ)償電流信號與實際產(chǎn)生的補(bǔ)償電流進(jìn)行比較，兩者的偏差作為滯環(huán)比較器的輸入，通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路中開關(guān)通斷的PWM信號，從而控制補(bǔ)償電流的變化。
 
滯環(huán)比較控制的原理如圖12所示。和是兩個開關(guān)，E1和E2等效于直流側(cè)電壓源。對于和不同的開關(guān)狀態(tài)，有不同的電壓源E1和E2接入回路，從而控制電流i的變化。在具體的操作中，當(dāng)產(chǎn)生的實際補(bǔ)償電流低于參考電流時，閉合，打開，加在電感L上的電壓為正，i增加；當(dāng)產(chǎn)生的實際補(bǔ)償電流高于參考電流時，加在電感L上的電壓為負(fù)，i減少。通過控制和的開關(guān)狀態(tài)來控制注入電流的變化。
4.2.2數(shù)字控制系統(tǒng)
隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，產(chǎn)生PWM脈沖的數(shù)字電路和具有可編程功能的器件快速發(fā)展因而通過專門電路或通過可編程邏輯器件實現(xiàn)PWM脈沖發(fā)生器已非常方便而且在速度和分辨率方面有看顯著的提高，因此有源電力濾波器的控制系統(tǒng)已經(jīng)逐步變成純數(shù)字的控制系統(tǒng)。與其他的電力電子裝置類似，根據(jù)有源濾波器控制算法的復(fù)雜性我們可以選擇不同的數(shù)字控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。通常的控制系統(tǒng)一般有基于單數(shù)字信號處理芯片的帶有PWM信號的控制系統(tǒng)，即如圖13所示的控制系統(tǒng)。由于DSP本身帶有PWM脈沖產(chǎn)生部分，因此采用單片的DSP就可以實現(xiàn)有源電力濾波器的控制系統(tǒng)。
   當(dāng)然，由于DSP芯片既要處理控制算法又要產(chǎn)生脈沖，因此只能實現(xiàn)簡單的控制算法。如果要實現(xiàn)更加復(fù)雜與先進(jìn)的算法，采用多DSP芯片的控制系統(tǒng)或者DSP+FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯陣列）的通用控制系統(tǒng)。具體的控制系統(tǒng)這里不做介紹。
4.3主電路
有源電力濾波器的主電路型式多種多樣，有很多種分類方法。按照電力系統(tǒng)應(yīng)用的需要一般可以分為三相三線制結(jié)構(gòu)和三相四線制結(jié)構(gòu)兩種，而在三相三線制與三相四線制結(jié)構(gòu)中又有許多其他的結(jié)構(gòu)，下面簡單的介紹并指出其特點(diǎn)與優(yōu)缺點(diǎn)，可以根據(jù)電力系統(tǒng)的實際情況加以選用。
由于許多負(fù)荷本身只是三相三線制接線，因此針對此類負(fù)荷的有源電力濾波器也只需采用三相三線制主電路即可。目前大量功率開關(guān)模塊都已經(jīng)讓三相三橋臂結(jié)構(gòu)制作，因此實現(xiàn)三相三線制主電路結(jié)構(gòu)非常方便。圖14所示為三相三線制結(jié)構(gòu)的有源電力濾波器。
 
我國380V系統(tǒng)均為三相四線制系統(tǒng)，而負(fù)荷通常也為三相四線制即存在中線，因而三相電流之和通常不為零即存在零序電流，零序電流中既可能存在零序基波分量也可能存在零序諧波分量，此時采用并聯(lián)型三相三線制主電路的電力濾波器無法消除線路中的零序基波電流和諧波電流以及中線中的電流。在許多情況下，為了保持三相電流的平衡，在大型辦公樓中通常會在三相中合理分配負(fù)荷，使三相電流盡量平衡。但是由于單相負(fù)荷如計算機(jī)、工作站等信息設(shè)備的大量使用，以及大量設(shè)備是后來增加的，因此實際中要合理的分配三相負(fù)荷是很難做到的。所以在許多大型的辦公樓出現(xiàn)了三相電流嚴(yán)重不平衡，中線電流很大。并聯(lián)型三相四線制有源電力濾波器就是解決這種非線性不平衡問題和諧波問題的有力手段，圖15所示為目前常見的三相四線制結(jié)構(gòu)的并聯(lián)型有源電力濾波器。直流電容中線點(diǎn)與系統(tǒng)中線相連，全部的中線電流都流經(jīng)直流側(cè)的電容器，其數(shù)值較大。同時由于中線接在電容器中間，因此有源電力濾波器運(yùn)行中還可能出現(xiàn)電容電壓不平衡問題，所以在有源濾波器控制中還應(yīng)該加入直流側(cè)電容電壓平衡控制。這種結(jié)構(gòu)主要用于小容量系統(tǒng)。
 
4.4 耦合變壓器
前面講到的兩種主電路結(jié)構(gòu)都通過連接電抗直接接入系統(tǒng)。對于電壓較高的情況，由于各種開關(guān)器件耐壓水平的限制，變流器輸出電壓不可能太高，因此通常采用變壓器接入方式。采用耦合變壓器接入電力系統(tǒng)的好處有：
（1）可以靈活地改變逆變器的輸出電壓和電流，從而充分利用開關(guān)器件的電壓與電流容量。
（2）可以提供絕緣隔離。變壓器的電氣與原副邊的絕緣隔離可以防止出現(xiàn)不必要的電氣連接，可以提高有源電力濾波器的可靠性，還可以防止電力系統(tǒng)中的各種干擾直接進(jìn)入到有源電力濾波器中。


有源濾波器應(yīng)用情況及前景展望:目前，有源濾波技術(shù)已在日本、美國等少數(shù)工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到應(yīng)用，有工業(yè)裝置投入運(yùn)行，其裝置容量最高可達(dá)60MV.A；國內(nèi)對有源電力濾波器的研究尚處于起步階段。 現(xiàn)在有源電力濾波器在日本應(yīng)用越來越廣泛，1994年之前就有300多臺投入使用，下表是投入使用的有源

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