独立电源系统有源滤波器谐波和无功电流补偿策略研究

Abstract：This article first introduces the independent power supply system active filter harmonic and reactive current compensation principle. And then, when active filter output power can not meet the needs of the compensation of power system, and put forward the harmonic and reactive current compensation strategy, make active filter in a fixed compensation ability under the maximum compensation benefits, improve the active filter compensation performance. Through the analysis and comparison, it is shown that the compensation strategy has great advantages, and in actual active filter device got better application, it is proved that the strategy is correct and effective.

Keyword：supply system, Active filter, Harmonic, Compensation strateg

1 引言

独立电源系统是一个由负载和独立供电电源组成的独立可控系统，向当地提供电能，弥补了大电网供电不足，得到了广泛的使用[1-2]。独立电源的发电系统通常由柴油机等发动机作为原动机拖动发电机组成，并通过输出电缆将电能输送到各个用电设备。由于独立电源的参数有限、容量有限，电源中使用的大量由电力电子器件构成的非线性负载，很容易造成电源电压波形的严重畸变，电源中含有大量的谐波和无功电流。电力有源滤波器是电源系统中滤除谐波和无功电流的一种重要手段，受到了广泛的关注和研究。

独立电源系统供电电流由于受非线性负载变化的影响非常敏感，含有大量的谐波和无功电流。有源滤波器在补偿过程中由于受到装置补偿容量的限制，很可能无法满足电源系统的补偿需求，发生过流现象而无法投入使用。因此，对于有限容量的有源滤波器装置，如何使其补偿性能免受电源系统的影响，采用合理的补偿策略发挥其最大补偿能力，则是有源滤波器工程化过程中要研究解决的关键问题。文献[3]提出了利用截断限流的方法，使有源滤波器工作在最大补偿电流状态，但是没有对谐波和无功电流的协调进行研究;文献[4]提出了针对特定次谐波检测方法，并研究了补偿方法，但没有提出有关的补偿策略。本文提出了针对不同工况的补偿需求，选择不同的补偿策略，使有源滤波器能够发挥最大的补偿效益。通过实际工程化样机进行验证，说明该方法是正确且有效的。

2 有源滤波器的补偿原理

有源滤波器的补偿原理，是补偿装置APF主动向电源中注入与所需补偿电流的幅值相等、相位相反的电流，使电源为非线性负载只提供基波有功电流，从而滤除电源中的谐波电流和无功电流[5-6]。其原理框图如图1所示。

图1 有源滤波器的补偿原理框图

图1中有源滤波器控制部分，通过算法从负载侧电流中提取出谐波电流和无功电流，根据补偿需求，确定系统的补偿指令信号，调节监控单元依据指令信号和输出电流的反馈信号产生变化的驱动脉冲，调节IGBT逆变单元主动向电源中注入补偿电流，滤除电源中谐波电流和无功电流。图中：i1表示电源侧电流;i2表示非线性负载侧电流;i3表示有源滤波器的补偿电流，具有以下关系

i2=i1+i3 (1)

i2=i2h+i2b= i2h+i2bp+i2bq (2)

式中：i2h表示电源中的谐波电流;i2b表示电源中的基波电流;i2bp表示电源中的基波有功电流;i2bq表示电源中基波无功电流。

由式(1)和式(2)得：

i1+i3=i2h+i2bp+i2bq (3)

由式(3)可知：当有源滤波器的输出电流i3=i2h时，补偿谐波电流，电源为负载提供基波电流;当有源滤波器的输出电流i3= i2bq时，补偿无功电流，电源为负载提供基波有功电流和谐波电流;当有源滤波器的输出电流i3=i2h+i2bq时，同时补偿谐波电流和无功电流，电源为负载仅提供基波有功电流。有源滤波器可以实现谐波和无功电流的单独补偿，也可以对二者同时补偿。在补偿电源系统中的谐波电流时，既可以补偿全部的谐波电流，也可以补偿某次或某几次的谐波电流，以达到电源系统中对特定谐波电流滤除的目的。

3 有源滤波器的补偿策略

3.1 补偿策略的提出

有源滤波器补偿电源系统的谐波和无功电流，主要有以下3种工作方式。

3.1.1 单独补偿谐波电流

(1) 谐波电流单次补偿

有源滤波器通过设置参数可以实现针对某次谐波电流进行单独补偿，如果装置在未达到限流补偿运行时，所选择的谐波能够被完全补偿。否则，有源滤波器工作在限流补偿输出状态，此时该次谐波为原来的kj倍，即电源系统中该次谐波不能够被完全补偿。而kj=IAPF-ms/Ihj-ms，IAPF-ms为有源滤波器的输出电流有效值，Ihj-ms为第j次谐波电流的有效值，kj随着该次谐波含量的多少而不断变化。因此，在有源滤波器工作过程中，系统将通过循环计算对其不断更新。

(2) 谐波电流的部分补偿

有源滤波器可以实现对(2~25)次谐波内的任意多次谐波同时补偿，以方便对电源中的多次谐波电流进行针对性补偿，满足不同工况的实际需求。在谐波次数选择时，所选择的谐波电流次数将按照优先级进行排序，先选择的补偿谐波次数优先级高，后者次之，依此类推。如果有源滤波器能够满足所选需要补偿的谐波电流，则将全部补偿所选择的谐波电流。否则，有源滤波器在补偿时必须工作在限流补偿输出状态，不能完全补偿所选择的谐波电流，对其补偿次数及补偿电流大小有两种选择策略。

① 当谐波电流次数补偿优先级功能开启时，有源滤波器首先补偿优先级高的谐波电流。该电流完全补偿后，如果有源滤波器还未达到其限流输出，有源滤波器再依次补偿优先级较低的谐波电流，最终使有源滤波器的输出达到限流补偿状态。

② 当谐波电流次数补偿优先级功能关闭时，有源滤波器补偿所选择次数的谐波没有先后之分。将所有选择的谐波电流乘以一个小于1的比例系数，保持有源滤波器工作在限流补偿状态，因此所选的谐波不能被完全补偿。

(3)谐波电流的全部补偿

谐波电流全部补偿，相当于在谐波电流部分补偿时，将所有能够补偿的谐波电流全部选中。在该补偿状态下，如果将优先级功能打开，首先必须认为将所有次数谐波按照补偿优先级别高低进行分类。而后，有源滤波器根据谐波补偿次数的优先级别，首先补偿优先级较高的谐波电流，而后再补偿优先级次之的谐波电流，直到有源滤波器达到设定的限流输出值。因此，在工业化应用过程中，可以实现将有限的输出功率补偿用户需要补偿的谐波电流，以便用户在有源滤波器的谐波电流补偿功能与线路中其它设备补偿功能之间得到更好的匹配。

3.1.2 单独补偿无功电流

有源滤波器补偿独立电源系统中的无功电流，当有源滤波器设定的限流输出值大于需要补偿的无功电流时，电源中的无功电流能够被完全补偿。当有源滤波器设定的限流输出值不能满足全部无功功率补偿时，需要将无功电流乘以比例系数kq再进行补偿。此时，有源滤波器处理单元根据提取出无功电流不断计算比例系数kq，并在补偿过程中实时更新。其数学表达式为：

(4)

式中：Iout-q表示有源滤波器单独补偿无功时的输出补偿电流;Iq为非线性负载中的无功电流;Iq-ms为非线性负载中无功电流的有效值;k为有源滤波器额定补偿功率百分比;IAPF为有源滤波器额定补偿电流有效值。

3.1.3 谐波和无功电流同时补偿

独立电源系统有源滤波器，在谐波和无功电流同时补偿时有3种策略可以选择：谐波补偿优先、无功补偿优先和二者优先级相同。谐波补偿优先时，首先优先补偿电源系统中的谐波电流，当补偿需要的谐波电流后，如果有源滤波器还未达到限流补偿状态，即有源滤波器还有一定剩余的补偿容量，将其用于补偿系统的无功功率。无功补偿优先时，即当有源滤波器在补偿过程中，其补偿功率首先用于电源系统的无功电流补偿，而后，如果补偿系统还有剩余的补偿容量，则补偿电源系统中的谐波电流。谐波补偿和无功补偿优先级相同时，当有源滤波器的补偿容量满足二者全部补偿时，直接将二者同时输出补偿即可。否则，电源中的谐波和无功电流不能得到全部补偿，补偿电流需要乘以比例系数后再注入电网。

3.2 新型策略的补偿性能分析

针对该新型补偿策略的补偿性能，现以补偿电源中的谐波电流为例加以说明。如果电源系统接入非线性负载后，电源电流为380A，电源的总谐波电流畸变率THDi=32%。计算得出负载电流中的基波电流为362A，统计(2~25)次谐波内的谐波电流，其中5次、7次、11次、13次、17次谐波含量较大，其电流畸变率及谐波电流值如表1所示。

表1 非线性负载电流、畸变率及其各次谐波含量

如果设置谐波电流全部补偿，则需要有源滤波器的补偿电流为116A。由于有源滤波器的补偿能力仅为100A，谐波电流不能被全部补偿。对该表中所列次数的谐波电流进行分次补偿，且各次谐波电流之间没有优先级。补偿电流为其实际需求的90.7%，各次谐波电流的补偿电流、剩余电流及其谐波百分含量如表2所示。

表2 无优先级时，所选次数的谐波全部补偿电流及补偿后其各次谐波含量

由表2可知，经过无优先级的补偿后，仍有部分次谐波电流超过国家标准。当假设优先级顺序按照表2中由前至后，5次谐波电流优先级最高，17次优先级最低。利用本文提出的方法经过补偿后得到结果如表3所示。

表3 通过优先级算法后，需要补偿谐波电流的补偿效果表

比较表2和表3可知，固定补偿容量的有源滤波器通过优先级补偿算法后，各次谐波电流得到了有效的补偿，且均达到了规定标准，使得有源滤波器有效的补偿电流容量，在需要补偿的各次谐波电流中得到了更好的分配和合理的利用。同时，也方便用户实现对固定次谐波电流的有效滤除功能。同样，在单独补偿无功电流以及谐波和无功电流同时补偿时，本文提出的补偿策略均发挥了较好的补偿效果。

3.3补偿策略的软件实现

有源滤波器的补偿策略软件控制部分通过DSP实现，其补偿策略的选择框图如图2所示。由图中可以得知，针对不同的应用场合，有源滤波器选择不同的补偿策略，不但能够很好地满足实际工况的需求，并可提高有源滤波器的补偿效益。

图2 有源滤波器的补偿策略框图

针对有源滤波器工作在谐波和无功电流同时补偿时，其系统的软件流程框图如图3所示。