有源滤波器技术综述

一、引言
近几十年来电力电子技术不断发展并广泛应用于工业、民用、军事等各领域。电力电子设备的大量应用产生引入了大量的谐波及无功电流成分，造成负载电流的不平衡及零序电流的增加，使得系统的效率降低电网的功率因数下降。同时大量电力电子设备的应用还产生电磁干扰问题，对其它用电设备造成影响甚至使得其它用电设备无法正常工作。
上世纪70年代前国内外大量采用无源L-C滤波器进行谐波抑制、无功补偿、功率因数的提高。但无源L-C滤波器有其固有的缺陷，如补偿谐波次数固定、体积大、存在谐振现象。在谐波污染日益严重的情况下研究人员希望找到一种能动态、灵活补偿谐波及无功电流的解决方案。上世纪70年代提出了应用电力电子装置进行谐波及无功补偿的方法，这就是有源滤波器(active power filter，简写为APF)。其基本原理是通过对电网电压及负载电流的分析计算得到与负载电流谐波和无功分量相同的补偿电流，通过变换器向电网注入补偿电流提供给负载使用，使得电源电流的谐波和无功分量为零从而提高系统的功率因数。APF与传统的无源滤波器相比有体积小，补偿灵活等优点。
APF发展初期由于受到功率理论及功率器件、集成电路发展的约束并没有取得较大的突破，仅局限于应用模拟器件设计。功率理论、功率器件和微控制器及大规模集成电路技术的发展大力推动了APF技术的发展。
二、有源滤波器的分类
有源滤波器的分类可基于变换器储能元件的类型、功率电路的拓扑结构及所应用的供电系统，这些分类也存在着一定的交叉。
1、基于变换器储能元件形式的分类
在APF的发展过程中有两种储能形式的APF变换器。电流源型脉宽调制APF如图1所示，该APF的储能元件为电感。电流源型APF作为非线性电流源补偿非线性负载产生的谐波电流，其结构简单、性能稳定，但损耗较大不适用于大功率场合。由于无法级联且单台的容量不大所以应用较少。
另一种为电压源型宽调制APF如图2所示，该APF的储能元件是直流侧的电容。该种APF直流侧并联电容逆变桥损耗较小。由于是电压源的形式，所以容易实现并联从而可降低单台APF的容量。电压源形式的APF技术较成熟、完善目前使用较多。
2、基于拓扑结构的分类
基于拓扑结构APF可分为并联型APF、串联型APF、串联与并联相结合的综合型APF、有源与无源相结合的混合APF。
图1、图2所示为一典型的并联型APF，其输出与负载输入端相并联。输出电流与负载谐波或无功电流大小相同，向负载提供谐波或无功电流(静态无功补偿)，从而使得电源电流正弦化提高电源功率因数。并联型APF即可消谐波也
可发出无功或两者同时进行。通常并联型APF安装在负载端。
图3所示为串联型APF，其输出与负载和电源相串联。输出电压与负载电压之和等于电源电压。从而可以控制输出电压抑制电源电压波动、消除电源电压谐波、平衡终端电压。
图4所示为串联与并联相结合的综合型APF，在该种拓扑结构中串联型APF与并联型APF共用一直流测电容。该种拓扑的APF被认为是一种较理想的APF，该种APF即可补偿电流的谐波和无功分量又可补偿电压的谐波分量抑制电压波动平衡终端电压。但也有固有的缺陷，如控制复杂，投入较大。随着电力电子元器件容量的不断增加价格的不断下降及DSP技术的不断发展该种拓扑结构有很好的发展前景。
图5所示为有源串联滤波器与无源滤波器相结合的混合型APF。负载谐波中较低次的谐波含量较高，采用无源滤波器主要用于滤除较低次数的谐波补偿大部分的无功。这样与之相结合的有源滤波器容量大大减小，投入可大大降低。
以上几种拓扑为基本的拓扑形式，近几年来也有人提出新的拓扑形式。
图6将三电平逆变器技术应用于并联型APF中可使APF自身产生的谐波电流减少。由于电平数的增加开关器件的耐压会大大减小同时可增大APF的容量。同样该拓扑也可用于串联型APF中。
图7拓扑中采用耐压较高开关频率较低的IGBT逆变桥用于电压谐波的补偿和基波无功电流的补偿。采用耐压较低但开关频率较高的MOSFET逆变桥则用于谐波电流的补偿。MOSFET逆变桥利用IGBT逆变桥中直流侧部分直流电容电压。由于采用了IGBT与MOSFET的混合结构使得IGBT的容量得到了有效的降低。与传统的APF拓扑结构相比该种结构的APF可补偿的谐波电流次数更高范围更广泛，直流侧电压降低逆变桥损耗减小。
3、基于供电系统的分类
基于APF所应用的供电系统，APF可分为用于单相两线制的APF，用于三相三线制的APF，用于三相四线制的APF，用于直流系统的APF。
    电流源型APF、电压源型APF、并联型APF、串联型APF、综合型APF、混合型APF都可用于单相两线制、三相三线制、三相四线制供电系统中、用于直流电源的APF。
4、拓扑电路的发展方向
现阶段并联型APF拓扑仍然是研究的热点，主要关注如何进一步降低直流测的电压，如何能采用较小容量的功率器件，如何减少逆变器的损耗。串联型APF的研究相对较少。但随着功率器件额定电压、额定电流的不断提高，微控制器速度及功能的不断强大，控制教复杂的综合型APF的拓扑结构研究将得到大量的关注。该种电路的拓扑将是电力电子研究的发展方向。随着软开关技术的引入采用软开关技术的拓扑结构必将也是今后的研究热点。
三、基准电流的产生方法
在整个APF中基准电流的产生方法是核心环节，只有产生正确的基准电流信号才能很好的补偿谐波和无功电流。当只是补偿谐波电流时只需获取负载电流中的谐波分量即可，当补偿谐波及无功时除了要获取谐波电流信号外还需获取基波电流中的无功分量。
基准电流信号的产生主要分频域和时域两方面。
1、频域中基准电流信号的产生
频域中基准电流信号的产生方法分为模拟器件实现和数字实现。其中模拟器件实现即采用模拟带通或带阻滤波器滤除预定次数的电流分量。如补偿谐波电流时将基波分量滤除后用负载电流减去基波电流便得到谐波分量，按此基准电流输出便可补偿负载谐波电流提高功率因数。
数字实现方法采用单片机或数字处理芯片对采样电流进行快速傅立叶分解，从中分离出需要的谐波分量作为补偿电流的基准信号。该方法是建立在Fourier分析的基础之上因此对信号的周期性要求很强。将一个周期的电流信号进行分解，得到各次谐波分量幅值及相位系数，通过带通滤波器得到所需的谐波分量信号再将信号经FFT反变换便得到所需补偿电流信号。其优点是可补偿任意次的谐波分量具有较高的灵活性。但该方法也有其缺陷，由于需要进行FFT变换及FFT反变换所以有较大的延时，采用TI公司的TMS320C6201X系列DSP执行一次1024点的FFT需要近66μs。
2、时域中基准电流信号的产生
     时域中基准电流的产生一直是APF研究领域中的热点问题。相比频域中基准电流信号的产生而言时域方法更加容易采用单片机及数字信号处理器实现。
(1)瞬时无功功率理论及基于瞬时无功的一系列改进方法
在APF领域中应用最为广泛的是由日本学者赤目泰文于1984年提出的瞬时无功功率理论p-q法，该方法只适用于电网电压对称正弦的情况，电网电压畸变时出现偏差，这是由于p、q的直流分量中含有电压与电流相同频率的谐波有功的成分。
经改进后又产生了ip-iq法、dq0法。ip-iq法在电网电压对称畸变时仍能检测出负载的谐波分量但当电网电压或负载电流不对称时则存在误差。ip-iq法要求准确地捕获电压的过零点，一但出现偏差就会造成下一步旋转坐标变换时基频电流出现误差产生错误的补偿谐波电流基准信号。
(2)基于Fryze时域分析及序分量分解的有功电流检测法
该方法要求APF在一个周期内既不发出也不吸收有功，其目的是使补偿后的电源电流与电源电压基波正序分量完全一致。
该种方法的缺点是需要正序电压的幅值及一个周期内电源功率直流分量，因此存在至少一个周期的延时，故不适合负载变化较频繁的场合。由于该方法的目的是使补偿后的电源电流与电源电压基波正序分量完全一致，所以无法达到全无功补偿。
(3)瞬时有功电流法
瞬时有功电流法要求补偿过程中有源滤波器在一个周期内本身不发出和消耗有功功率，为了保证系统通过补偿在每个周期内只消耗有功功率，从电流分量中找出瞬时的有功电流。对于三相四线不平衡非正弦电源电压系统，可以先将电压电流变换到 坐标系中，根据文献中的定义，将系统的三相瞬时有功功率定义为三相电压和三相电流的内积，无功功率矢量为三相电压和三相电流的外积。通过有功、无功功率及电压计算得有功电流分量，从负载电流中减去有功电流分量得到补偿电流。该种方法的物理意义明确与Fryze时域分析相符。
(4)神经元自适应谐波电流检测法
    文献提出了一种应用于APF的神经元自适应谐波电流检测法。该方法的基本原理是将电源电压作为参考信号，负载电流作为输入信号。当只作谐波补偿时将负载电流分解成两部分一部分是与电源电压频率相同的基波分量另一部分则是谐波分量。以此谐波分量作为指令电流输出便可达到对谐波电流的补偿效果。
由于实际生物神经系统是连续的系统，与数字式的离散工作状态有所区别，文献将其应用于模拟电路仿真中并取得了一定成果。但用于实际系统有待研究。
四、有源滤波器的控制策略
APF的关键技术之一是输出电流控制策略即逆变器的脉冲宽度调制技术。目前常用的有以下几种。
1、三角波调制法
三角波调制法是逆变器控制中常用的一种方法，该方法将逆变器的输出电流和指令电流的差值经PI调节后输出与三角调制波相交截得到控制开关管的脉冲信号。该方法简单易行，有较好的动态特性，固定的开关频率。
2、滞环电流控制
滞环电流控制是一种简单的bang-bang控制，具有较好的动态特性能快速跟随指令电流的变化。其基本原理是在指令电流附近形成一定的带宽，当输出补偿电流在带宽内时变换器不改变前一时刻的开关状态，一但超出环宽则改变变换器的开关状态使输出补偿电流回到误差范围内。
3、空间矢量控制策略
空间电压矢量法(SVPWM)最初是用于控制逆变器向电机供电的领域中。近一阶段也又将其用于对APF输出补偿电流的控制之中。
4、神经网络控制
神经控制是随着神经控制理论在控制系统中的应用不断发展而形成的一种新型智能控制手段。理论上神经网络可以实现任意非线性的映射。
5、滑模变结构控制
20世纪50年代在前苏联发展起来的变结构控制理论，由于对系统的变化和外部的干扰不敏感，具有较强的鲁棒性，今年来也被用于APF的控制之中。由于APF的变换器的主电路为电压性逆变器，通过控制开关器件的通断实现对电流的控制，其结构本身是变化的，因此可以将滑模变结构控制应用于其中。
五、小结
有源滤波器的拓扑结构从单一的并联、串联发展到混合型、综合型电路结构不断完善，但现阶段功率电路主要为硬开关型电路这就使得带有软开关技术的拓扑结构必将时今后研究的热点。另一方面主功率电路必将向较低的直流电压、低损耗方向发展。
基准指令电流的产生从最初的模拟器件的直接滤波法发展到以瞬时无功功率理论为指导的数字电路实现方法。检测的准确度、实时型不断提高。现阶段及今后热点必将是寻找新的功率理论方法。
PWM波的产生从三角波交截控制、滞环电流控制到空间矢量控制、神经网络控制控制方法越来越优越。随之微控制器的不断发展控制领域的许多新方法将大量应用到PWM波的产生中数字化控制将取代模拟控制。