有源滤波器结构及工作原理

文章摘要：与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性，其具体特点如下： （1）具有自适应功能，实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波及变化的无功功率进行补偿，对补偿的对象有极快的响应。 （2）可同时对谐波和无功功率进行补偿，补偿无功功

与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性，其具体特点如下：
（1）具有自适应功能，实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波及变化的无功功率进行补偿，对补偿的对象有极快的响应。
（2）可同时对谐波和无功功率进行补偿，补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需储能元件容量不大，且补偿无功功率的大小可以做到连续调节。
（3）受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振；且可以跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。
尽管有源电力滤波器有着无源滤波器所不具备的巨大技术优势，但目前要想在电力系统中完全取代无源滤波器还不太现实。这是因为与无源滤波器相比较，有源电力滤波器的成本较高，这一点是限制有源电力滤波器推广使用的关键。随着电力电子工业的发展，器件的性价比将不断提高，有源电力滤波器必然会得到广泛应用。
无源滤波器和有源滤波器的工程造价与谐波要求关系如图6所示。
 
从图6中可以看出，谐波标准要求越高，对无源滤波器而言，就是滤波支路增多，其硬件造价几乎是以指数速率增长的。而对有源电力滤波器而言，主要是增加控制的难度和复杂度，硬件的造价基本不受影响。因此，对于电能质量要求越来越严格的今天，采用有源电力滤波器作为谐波消除装置的优点正在越来越突出。
4.有源滤波器结构及工作原理
无论有源电力滤波器如何分类，它都是由几个共同的部分构成，即谐波检测环节、控制系统、主电路以及耦合变压器四个主要的部分构成。如图7所示，基本工作原理为:首先通过谐波检测环节检测出系统中的谐波并给出需要补偿谐波的参考值，然后通过控制系统根
据该参考值产生相应的脉冲，控制主电路产生补偿电流或者电压跟踪该参考值，起到补偿效果，有源电力滤波器通过耦合变压器接入系统。

下面对有源滤波器的四个部分进行介绍：
4.1 谐波检测
谐波检测环节的原理框图如图8所示
基本工作原理为：预处理环节将电压或电流互感器输出的电流信号转化为电压信号并进行适当的滤波与放大（实际中总存在一定的高频噪音，因此一般都要对信号进行一定的滤波及进行放大或缩小），有源电力滤波器对谐波信号的时间同时性要求较高，因此一般情况下应该对所需信号进行同步采样，所以需要加采样保持电路，即在同一时刻对输入信号进行采样。将采样信号保持起来，然后分别进行A/D转换，将模拟量转化为数字量。
4.2 控制系统
有源电力滤波器的控制系统及选用的控制算法是其滤波效果好坏的关键。有源电力滤波器的控制系统主要有模拟控制系统、数字控制系统以及数字模拟混合控制系统三类。近年来随着微电子技术的快速发展，各种数字处理芯片的性能大大提高，因此有源电力滤波器的控制系统逐步由模拟控制系统转化为模拟数字混合控制系统及纯数字控制系统。下面主要介绍有源电力滤波器的数字模拟混合控制系统与数字控制系统。
4.2.1数字模拟混合控制系统
有源电力滤波器的控制系统一般由两个部分组成，即控制算法部分和触发脉冲产生部分，如图9所示。
 
其中控制算法处理部分对谐波检测环节送来的数字信号进行处理，采用谐波检测算法，快速检测出需要的谐波与有源滤波器产生的谐波进行比较，根据其差值采用一定的控制方法产生触发脉冲信号送给触发脉冲发生部分。而触发脉冲发生部分根据该信号产生适当的驱动脉冲去驱动有源电力滤波器的变流器，使其产生的谐波电流或电压与所需的谐波电流或电压相同，从而达到谐波补偿的效果。所谓数字模拟混合控制就是通过数字电路检测并产生所需补偿的参考谐波信号，获得参考谐波信号后，通过模拟电路实现谐波跟踪（通常为比例积分PI控制）和PWM脉冲控制具有更快的速度和更高的分辨率。
 
图10给出了在并联型有源电力滤波器中经常采用的一种数字模拟混合控制器的模拟部分。其中参考电流信号由微处理器通过D/A转换变成模拟信号送到模拟控制部分。有源电力滤波器的补偿电流与参考电流进行比较，通过比例积分环节后成为调整信号，与三角波发生电路产生的作为载波信号的三角波进行比较，获得驱动有源滤波器逆变器的PWM驱动脉冲。
此类控制器中滞环比较器由于产生的补偿电流参考信号能够快速准确地跟踪谐波电流变化，具有很好的实时性，所以在有源滤波器中得到了广泛的应用。滞环比较器的控制框图如图11所示。
 
滞环比较控制采用滞环比较器，把检测出的补偿电流信号与实际产生的补偿电流进行比较，两者的偏差作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的PWM信号，从而控制补偿电流的变化。
 
滞环比较控制的原理如图12所示。和是两个开关，E1和E2等效于直流侧电压源。对于和不同的开关状态，有不同的电压源E1和E2接入回路，从而控制电流i的变化。在具体的操作中，当产生的实际补偿电流低于参考电流时，闭合，打开，加在电感L上的电压为正，i增加；当产生的实际补偿电流高于参考电流时，加在电感L上的电压为负，i减少。通过控制和的开关状态来控制注入电流的变化。
4.2.2数字控制系统
随着微电子技术的快速发展，产生PWM脉冲的数字电路和具有可编程功能的器件快速发展因而通过专门电路或通过可编程逻辑器件实现PWM脉冲发生器已非常方便而且在速度和分辨率方面有看显著的提高，因此有源电力滤波器的控制系统已经逐步变成纯数字的控制系统。与其他的电力电子装置类似，根据有源滤波器控制算法的复杂性我们可以选择不同的数字控制系统来实现。通常的控制系统一般有基于单数字信号处理芯片的带有PWM信号的控制系统，即如图13所示的控制系统。由于DSP本身带有PWM脉冲产生部分，因此采用单片的DSP就可以实现有源电力滤波器的控制系统。
   当然，由于DSP芯片既要处理控制算法又要产生脉冲，因此只能实现简单的控制算法。如果要实现更加复杂与先进的算法，采用多DSP芯片的控制系统或者DSP+FPGA（现场可编程逻辑阵列）的通用控制系统。具体的控制系统这里不做介绍。
4.3主电路
有源电力滤波器的主电路型式多种多样，有很多种分类方法。按照电力系统应用的需要一般可以分为三相三线制结构和三相四线制结构两种，而在三相三线制与三相四线制结构中又有许多其他的结构，下面简单的介绍并指出其特点与优缺点，可以根据电力系统的实际情况加以选用。
由于许多负荷本身只是三相三线制接线，因此针对此类负荷的有源电力滤波器也只需采用三相三线制主电路即可。目前大量功率开关模块都已经让三相三桥臂结构制作，因此实现三相三线制主电路结构非常方便。图14所示为三相三线制结构的有源电力滤波器。
 
我国380V系统均为三相四线制系统，而负荷通常也为三相四线制即存在中线，因而三相电流之和通常不为零即存在零序电流，零序电流中既可能存在零序基波分量也可能存在零序谐波分量，此时采用并联型三相三线制主电路的电力滤波器无法消除线路中的零序基波电流和谐波电流以及中线中的电流。在许多情况下，为了保持三相电流的平衡，在大型办公楼中通常会在三相中合理分配负荷，使三相电流尽量平衡。但是由于单相负荷如计算机、工作站等信息设备的大量使用，以及大量设备是后来增加的，因此实际中要合理的分配三相负荷是很难做到的。所以在许多大型的办公楼出现了三相电流严重不平衡，中线电流很大。并联型三相四线制有源电力滤波器就是解决这种非线性不平衡问题和谐波问题的有力手段，图15所示为目前常见的三相四线制结构的并联型有源电力滤波器。直流电容中线点与系统中线相连，全部的中线电流都流经直流侧的电容器，其数值较大。同时由于中线接在电容器中间，因此有源电力滤波器运行中还可能出现电容电压不平衡问题，所以在有源滤波器控制中还应该加入直流侧电容电压平衡控制。这种结构主要用于小容量系统。
 
4.4 耦合变压器
前面讲到的两种主电路结构都通过连接电抗直接接入系统。对于电压较高的情况，由于各种开关器件耐压水平的限制，变流器输出电压不可能太高，因此通常采用变压器接入方式。采用耦合变压器接入电力系统的好处有：
（1）可以灵活地改变逆变器的输出电压和电流，从而充分利用开关器件的电压与电流容量。
（2）可以提供绝缘隔离。变压器的电气与原副边的绝缘隔离可以防止出现不必要的电气连接，可以提高有源电力滤波器的可靠性，还可以防止电力系统中的各种干扰直接进入到有源电力滤波器中。


有源滤波器应用情况及前景展望:目前，有源滤波技术已在日本、美国等少数工业发达国家得到应用，有工业装置投入运行，其装置容量最高可达60MV.A；国内对有源电力滤波器的研究尚处于起步阶段。 现在有源电力滤波器在日本应用越来越广泛，1994年之前就有300多台投入使用，下表是投入使用的有源

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