有源濾波器技術綜述仇鋒郭濤吳睿
作者：power**：網路點選：
103日期：2007-09-02
一、引言
近幾十年來電力電子技術不斷發展並廣泛應用於工業、民用、軍事等各領域。電力電子裝置的大量應用產生引入了大量的諧波及無功電流成分，造成負載電流的不平衡及零序電流的增加，使得系統的效率降低電網的功率因數下降。同時大量電力電子裝置的應用還產生電磁干擾問題，對其它用電裝置造成影響甚至使得其它用電裝置無法正常工作。
上世紀70年代前國內外大量採用無源l-c濾波器進行諧波抑制、無功補償、功率因數的提高。但無源l-c濾波器有其固有的缺陷，如補償諧波次數固定、體積大、存在諧振現象。在諧波汙染日益嚴重的情況下研究人員希望找到一種能動態、靈活補償諧波及無功電流的解決方案。
上世紀70年代提出了應用電力電子裝置進行諧波及無功補償的方法，這就是有源濾波器(activepowerfilter，簡寫為apf)。其基本原理是通過對電網電壓及負載電流的分析計算得到與負載電流諧波和無功分量相同的補償電流，通過變換器向電網注入補償電流提供給負載使用，使得電源電流的諧波和無功分量為零從而提高系統的功率因數。apf與傳統的無源濾波器相比有體積小，補償靈活等優點。
apf發展初期由於受到功率理論及功率器件、積體電路發展的約束並沒有取得較大的突破，僅侷限於應用模擬器件設計。功率理論、功率器件和微控制器及大規模積體電路技術的發展大力推動了apf技術的發展。二、有源濾波器的分類
有源濾波器的分類可基於變換器儲能元件的型別、功率電路的拓撲結構及所應用的供電系統，這些分類也存在著一定的交叉。1、基於變換器儲能元件形式的分類
在apf的發展過程中有兩種儲能形式的apf變換器。電流源型脈寬調變apf如圖1所示，該apf的儲能元件為電感。電流源型apf作為非線性電流源補償非線性負載產生的諧波電流，其結構簡單、效能穩定，但損耗較大不適用於大功率場合。
由於無法級聯且單台的容量不大所以應用較少。
另一種為電壓源型寬調製apf如圖2所示，該apf的儲能元件是直流側的電容。該種apf直流側併聯電容逆變橋損耗較小。由於是電壓源的形式，所以容易實現併聯從而可降低單台apf的容量。
電壓源形式的apf技術較成熟、完善目前使用較多。2、基於拓撲結構的分類
基於拓撲結構apf可分為併聯型apf、串聯型apf、串聯與併聯相結合的綜合型apf、有源與無源相結合的混合apf。
圖1、圖2所示為一典型的併聯型apf，其輸出與負載輸入端相併聯。輸出電流與負載諧波或無功電流大小相同，向負載提供諧波或無功電流(靜態無功補償)，從而使得電源電流正弦化提高電源功率因數。併聯型apf即可消諧波也
可發出無功或兩者同時進行。通常併聯型apf安裝在負載端。
圖3所示為串聯型apf，其輸出與負載和電源相串聯。輸出電壓與負載電壓之和等於電源電壓。從而可以控制輸出電壓抑制電源電壓波動、消除電源電壓諧波、平衡終端電壓。
圖4所示為串聯與併聯相結合的綜合型apf，在該種拓撲結構中串聯型apf與併聯型apf共用一直流測電容。該種拓撲的apf被認為是一種較理想的apf，該種apf即可補償電流的諧波和無功分量又可補償電壓的諧波分量抑制電壓波動平衡終端電壓。但也有固有的缺陷，如控制複雜，投入較大。
隨著電力電子元器件容量的不斷增加**的不斷下降及dsp
技術的不斷發展該種拓撲結構有很好的發展前景。
圖5所示為有源串聯濾波器與無源濾波器相結合的混合型apf。負載諧波中較低次的諧波含量較高，採用無源濾波器主要用於濾除較低次數的諧波補償大部分的無功。這樣與之相結合的有源濾波器容量大大減小，投入可大大降低。
以上幾種拓撲為基本的拓撲形式，近幾年來也有人提出新的拓撲形式。
圖6將三電平逆變器技術應用於併聯型apf中可使apf自身產生的諧波電流減少。由於電平數的增加開關器件的耐壓會大大減小同時可增大apf的容量。同樣該拓撲也可用於串聯型apf中。
圖7拓撲中採用耐壓較高開關頻率較低的igbt逆變橋用於電壓諧波的補償和基波無功電流的補償。採用耐壓較低但開關頻率較高的mosfet逆變橋則用於諧波電流的補償。mosfet逆變橋利用igbt逆變橋中直流側部分直流電容電壓。
由於採用了igbt與mosfet的混合結構使得igbt的容量得到了有效的降低。與傳統的apf拓撲結構相比該種結構的apf可補償的諧波電流次數更高範圍更廣泛，直流側電壓降低逆變橋損耗減小。3、基於供電系統的分類
基於apf所應用的供電系統，apf可分為用於單相兩線制的apf，用於三相三線制的apf，用於三相四線制的apf，用於直流系統的apf。
電流源型apf、電壓源型apf、併聯型apf、串聯型apf、綜合型apf、混合型apf都可用於單相兩線制、三相三線制、三相四線制供電系統中、用於直流電源的apf。4、拓撲電路的發展方向
現階段併聯型apf拓撲仍然是研究的熱點，主要關注如何進一步降低直流測的電壓，如何能採用較小容量的功率器件，如何減少逆變器的損耗。串聯型apf的研究相對較少。但隨著功率器件額定電壓、額定電流的不斷提高，微控制器速度及功能的不斷強大，控制教複雜的綜合型apf的拓撲結構研究將得到大量的關注。
該種電路的拓撲將是電力電子研究的發展方向。隨著軟開關技術的引入採用軟開關技術的拓撲結構必將也是今後的研究熱點。三、基準電流的產生方法
在整個apf中基準電流的產生方法是核心環節，只有產生正確的基準電流訊號才能很好的補償諧波和無功電流。當只是補償諧波電流時只需獲取負載電流中的諧波分量即可，當補償諧波及無功時除了要獲取諧波電流訊號外還需獲取基波電流中的無功分量。基準電流訊號的產生主要分頻域和時域兩方面。
1、頻域中基準電流訊號的產生
頻域中基準電流訊號的產生方法分為模擬器件實現和數字實現。其中模擬器件實現即採用模擬帶通或帶阻濾波器濾除預定次數的電流分量。如補償諧波電流時將基波分量濾除後用負載電流減去基波電流便得到諧波分量，按此基準電流輸出便可補償負載諧波電流提高功率因數。
數字實現方法採用微控制器或數字處理晶元對取樣電流進行快速傅利葉分解，從中分離出需要的諧波分量作為補償電流的基準訊號。該方法是建立在fourier分析的基礎之上因此對訊號的週期性要求很強。將乙個週期的電流訊號進行分解，得到各次諧波分量幅值及相位係數，通過帶通濾波器得到所需的諧波分量訊號再將訊號經fft反變換便得到所需補償電流訊號。
其優點是可補償任意次的諧波分量具有較高的靈活性。但該方法也有其缺陷，由於需要進行fft變換及fft反變換所以有較大的延時，採用ti公司的tms320c6201x系列dsp執行一次1024點的fft需要近66μs。2、時域中基準電流訊號的產生
時域中基準電流的產生一直是apf研究領域中的熱點問題。相比頻域中基準電流訊號的產生而言時域方法更加容易採用微控制器及數字訊號處理器實現。
(1)瞬時無功功率理論及基於瞬時無功的一系列改進方法
在apf領域中應用最為廣泛的是由日本學者赤目泰文於2023年提出的瞬時無功功率理論p-q法，該方法只適用於電網電壓對稱正弦的情況，電網電壓畸變時出現偏差，這是由於p、q的直流分量中含有電壓與電流相同頻率的諧波有功的成分。
經改進後又產生了ip-iq法、dq0法。ip-iq法在電網電壓對稱畸變時仍能檢測出負載的諧波分量但當電網電壓或負載電流不對稱時則存在誤差。ip-iq法要求準確地捕獲電壓的過零點，一但出現偏差就會造成下一步旋轉座標變換時基頻電流出現誤差產生錯誤的補償諧波電流基準訊號。
(2)基於fryze時域分析及序分量分解的有功電流檢測法
該方法要求apf在乙個週期內既不發出也不吸收有功，其目的是使補償後的電源電流與電源電壓基波正序分量完全一致。
該種方法的缺點是需要正序電壓的幅值及乙個週期內電源功率直流分量，因此存在至少乙個週期的延時，故不適合負載變化較頻繁的場合。由於該方法的目的是使補償後的電源電流與電源電壓基波正序分量完全一致，所以無法達到全無功補償。(3)瞬時有功電流法
瞬時有功電流法要求補償過程中有源濾波器在乙個週期內本身不發出和消耗有功功率，為了保證系統通過補償在每個週期內只消耗有功功率，從電流分量中找出瞬時的有功電流。對於三相四線不平衡非正弦電源電壓系統，可以先將電壓電流變換到座標系中，根據文獻中的定義，將系統的三相瞬時有功功率定義為三相電壓和三相電流的內積，無功功率向量為三相電壓和三相電流的外積。通過有功、無功功率及電壓計算得有功電流分量，從負載電流中減去有功電流分量得到補償電流。
該種方法的物理意義明確與fryze時域分析相符。(4)神經元自適應諧波電流檢測法
文獻提出了一種應用於apf的神經元自適應諧波電流檢測法。該方法的基本原理是將電源電壓作為參考訊號，負載電流作為輸入訊號。當只作諧波補償時將負載電流分解成兩部分一部分是與電源電壓頻率相同的基波分量另一部分則是諧波分量。
以此諧波分量作為指令電流輸出便可達到對諧波電流的補償效果。
由於實際生物神經系統是連續的系統，與數字式的離散工作狀態有所區別，文獻將其應用於模擬電路**中並取得了一定成果。但用於實際系統有待研究。四、有源濾波器的控制策略
apf的關鍵技術之一是輸出電流控制策略即逆變器的脈衝寬度調製技術。目前常用的有以下幾種。
1、三角波調製法
三角波調製法是逆變器控制中常用的一種方法，該方法將逆變器的輸出電流和指令電流的差值經pi調節後輸出與三角調製波相交截得到控制開關管的脈衝訊號。該方法簡單易行，有較好的動態特性，固定的開關頻率。2、滯環電流控制
滯環電流控制是一種簡單的bang-bang控制，具有較好的動態特性能快速跟隨指令電流的變化。其基本原理是在指令電流附近形成一定的頻寬，當輸出補償電流在頻寬內時變換器不改變前一時刻的開關狀態，一但超出環寬則改變變換器的開關狀態使輸出補償電流回到誤差範圍內。
3、空間向量控制策略
空間電壓向量法(svpwm)最初是用於控制逆變器向電機供電的領域中。近一階段也又將其用於對apf輸出補償電流的控制之中。4、神經網路控制
神經控制是隨著神經控制理論在控制系統中的應用不斷發展而形成的一種新型智慧型控制手段。理論上神經網路可以實現任意非線性的對映。5、滑模變結構控制
20世紀50年代在前蘇聯發展起來的變結構控制理論，由於對系統的變化和外部的干擾不敏感，具有較強的魯棒性，今年來也被用於apf的控制之中。由於apf的變換器的主電路為電壓性逆變器，通過控制開關器件的通斷實現對電流的控制，其結構本身是變化的，因此可以將滑模變結構控制應用於其中。五、小結
有源濾波器的拓撲結構從單一的併聯、串聯發展到混合型、綜合型電路結構不斷完善，但現階段功率電路主要為硬開關型電路這就使得帶有軟開關技術的拓撲結構必將時今後研究的熱點。另一方面主功率電路必將向較低的直流電壓、低損耗方向發展。
基準指令電流的產生從最初的模擬器件的直接濾波法發展到以瞬時無功功率理論為指導的數位電路實現方法。檢測的準確度、實時型不斷提高。現階段及今後熱點必將是尋找新的功率理論方法。
pwm波的產生從三角波交截控制、滯環電流控制到空間向量控制、神經網路控制控制方法越來越優越。隨之微控制器的不斷發展控制領域的許多新方法將大量應用到pwm波的產生中數位化控制將取代模擬控制。
有源濾波器的介紹
有源濾波器叫apf,也可以叫maxsine 一產品的基礎知識 1 有源濾波器的組成？igbt的功率模組 dsp控制 dsp是一種獨特的微處理器，是以數碼訊號來處理大量資訊的器件。其工作原理是接收模擬訊號，轉換為0或1的數碼訊號 連線電抗器 可能就是電容跟電感組成的迴路，兩種負載應該併聯 控制系統。2...
無源濾波器和有源濾波器的區別
工作原理無源濾波器由lc等被動元件組成，將其設計為某頻率下極低阻抗，對相應頻率諧波電流進行分流，其行為模式為提供被動式諧波電流旁路通道 而有源濾波器由電力電子元件和dsp等構成的電能變換裝置，檢測負載諧波電流並主動提供對應的補償電流，補償後的源電流幾乎為純正弦波，其行為模式為主動式電流源輸出。諧波處...
開題報告 有源電力濾波器
上海工程技術大學 畢業設計 畢業 開題報告 任務規定 進行日期自 2011 年 2月 21日起，至 2011 年 6月 27日止 有源電力濾波器的設計 1 研究的意義與背景 隨著大容量電力電子裝置在高壓交流電力系統中日益廣泛的應用，諧波和無功等問題嚴重地威脅著系統自身的安全穩定執行。而傳統的lc濾波...