江苏自动化研究所 孙日明 陆 阳

目前，电力设备数量大、种类多，其中各类交变流电力设备的应用，降低了供电网络的电能质量，此时若直接用该电网给精密的电子设备供电，则可能影响设备的正常工作甚至损坏设备，由此可见，如何抑制供电网络中的谐波电流是个值得研究的问题。

1 有源电力滤波器

上世纪60年代，有源电力滤波器理论（APF）由J.F.Marsh与B.M.Bird共同提出，其是一种新型谐波处理方式，采用向供电网络输入和谐波电流幅值相等、相位相反的补偿电流的方式来抑制谐波电流，从而提升供电网络的电能质量；上个世纪70年代初，日本研究人员H.Sasaki和T.Machida详细系统地概括了APF的工作原理；此后，美国研究人员L.Gyugyi等人提出了一种逆变电路可以满足APF对主电路的需求，但受到彼时技术发展水平限制，APF仍然处在理论研究阶段，没有实际设备面世。直到上个世纪80年代，由于电力电子技术的发展，尤其是各种全新的电力电子器件投入市场，加之谐波检测方法的进步，都加速了APF的发展。

2 有源电力滤波器分类

本文将从三个不同的角度对APF进行分类。

2.1 按照接入供电网络电网的方式

依据有源电力滤波器接入供电网络的不同方式，可以将其分类为：串联型、并联型和串-并联型有源电力滤波器。

串联型有源电力滤波器通常用于处理谐波电压污染，其必须串联耦合变压器间接接入供电网络。当APF工作时，耦合变压器流过的电流等于总负载电流，因此对变压器容量的要求很高，并且该类APF在投切和保护方面的措施也很复杂，导致成本难以降低。

并联型有源电力滤波器通常用于处理谐波电流污染，相较于串联型，该类有源电力滤波器直接接入供电网络而不必通过耦合变压器，对原电路不存在干扰，并且该类APF的投切与设备保护措施也容易实现。该类有源电力滤波器对电力电子器件的容量需求仍较高，但可以通过有源电力滤波器并联的方式来实现扩充容量。

串-并联型有源电力滤波器保留了并联型APF、串联型APF的优势，不但具备处理谐波电压污染的能力，也可以有效处理谐波电流污染，能够应对供电网络中大多数的电能质量问题，因此该类有源电力滤波器也被称为万能滤波器。但该类APF的控制器结构复杂且造价较高，导致其推广受到了阻碍。

串联型、并联型APF既可以独立使用，也可以组合无源电力滤波器来共同处理谐波污染，将二者的组合称为混合型APF。在混合型APF中，无源电力滤波器承担了大部分谐波的抑制任务，能够有效减小APF的容量要求，达到电力滤波器容量扩充的作用。

2.2 按照逆变电路的直流端储能元件

依据APF逆变电路直流侧储能元件的不同，将APF分为电压源型和电流源型。电压源型APF主电路储能元件为电容，电流源型APF主电路直流侧储能元件是电感。

电流源型APF具备处理谐波电流污染的能力，等效于受控电流源，其可以实现稳定工作且不易受到干扰；同时，当谐波电流发生波动时，电流源型APF也能快速的做出反应。因为电流源型有源电力滤波器逆变电路的直流侧储能元件为大容量电感，所以其能耗高，且其逆变电路的驱动技术成熟度不高，都阻碍了电流源型APF的应用。

电压源型APF具备处理谐波电压污染的能力，等效于受控电压源，其能够以较小的电能损耗实现对谐波电压的抑制；同时，可以通过多电平技术来实现APF的容量扩充。因为仅可通过改变电压来实现对电流的控制，所以电压型APF的应对谐波波动的性能弱于电流源型APF。当前，投入市场应用的有源电力滤波器基本都是电压源型的。

综上所述，电压源型APF的推广价值更高。

2.3 按照补偿电流的相数

按照APF补偿电流（或补偿电压）相数的不同，将其划分成单相APF和三相APF，三相APF又可划分成三相三线制APF和三相四线制APF。

APF相数可依据实际应用环境来确定。一般情况下，写字楼、小型工厂等是使用单相有源电力滤波器；大型加工厂、电气化铁路等大功率应用环境，一般使用三相三线制有源电力滤波器；三相四线制有源电力滤波器一般运用于居民小区等应用环境。

3 有源电力滤波器电流控制策略研究现状

有源电力滤波器抑制谐波性能的好坏取决于电流跟踪策略的优劣，因此众多学者将电流跟踪控制策略作为APF的主要研究方向。提升指令电流跟踪控制策略的性能，有助于增强APF的实时性和控制力，进而提高APF抑制谐波的效果。目前，典型的有源电力滤波器电流跟踪控制策略有滞环控制法、PI控制、谐振控制、重复控制等。

3.1 滞环控制法

滞环控制法把指令电流和APF输出电流作差后，通过比较器得出有源电力滤波器的主电路开关控制量。滞环控制法可以及时对电流波动做出反应，同时其静态性能好，具备较强的抗干扰性能。但其也存在明显缺点，例如：逆变电路所采用的元件的开关速度快、损耗大，并且运用于多电平的时候，将会引起直流侧两端电压不对称。肖丽平、童朝南等人将滞环控制算法与变环宽函数相结合，使得环宽的确定更加合理，提高了APF的谐波抑制效果。付泽勋、江友华等人将空间电压矢量和滞环控制策略相结合，减小了电力电子元件的开关速度。张竹、张代润等人设计了一种无需增设附加电路的定频滞环电流控制策略，保证了主电路电力电子器件开关速度的稳定。赵钢、邵广时将滞环电流控制策略运用到三电平APF中，设计了双滞环矢量控制策略，能够有效抑制谐波。

3.2 PI控制

PI控制策略具有结构简单的优点，同时应对谐波波动的能力强，且易于工程实现；但其对谐波的抑制效果较差，难以满足精度要求，且其对高次谐波的抑制能力十分有限，单纯应用PI电流控制策略的有源电力滤波器无法满足谐波补偿的要求。李国华、汪玉凤等人为了简化整个控制器的结构，省去了谐波电流检测环节，且无需采样APF输出电流，设计出一种PI网侧电流控制策略，但其也存在精度低的缺点。周娟、耿乙文为了消除APF相电流的相互干扰，设计了一种结合PI控制和前馈解耦的复合控制策略。陈曦、唐斌等人设计了结合复数积分和PI控制的电流控制算法，实现了对指令电流的无差跟踪。晏夏瑜、韦彬等人把PI控制和模糊控制相结合，使得参数可以自适应调节，从而提高了谐波的抑制性能。

3.3 谐振控制

从原理上讲，采用谐振原理的控制器可实现对特定频率的正弦波无稳态误差跟踪控制，且可针对特定次谐波电流进行抑制。但谐振控制策略必须对各次谐波单独设计一个控制器，造成整个控制器结构复杂、实际应用成本高。祝慧、周苗等人充分发挥谐振控制能抑制特定频率谐波的优势，结合PI控制，其中PI负责处理大部分谐波，谐振控制则处理谐波含量较高的特定频率谐波，获得了良好的综合抑制效果。马骏、时珊珊为了增加谐振电流控制策略的带宽，结合积分环节提出了一种新型谐振电流控制策略，同时其工作状态稳定、不易受到干扰。汪玉凤、王旭等人成功地把谐振电流控制策略运用到混合APF中，采用了一种比例谐振电流控制策略，简化了控制器结构，获得了良好的静态补偿精度和快速的动态响应。

3.4 重复控制

重复控制可以连续累加周期性的信号，如果输入值为0，仍会继续累加与上个周期相同的信号，可以将其当作任意波形发生器。重复控制可完成对指令信号的无差跟踪，具备控制器结构简单、实用性强的优点，但当谐波发生突变的时候，其应对速度较慢，至少经过一个基波周期方可做出反应。Demirdelen T,Kayaalp R等人改进了重复控制器的内模，实现了对某些次谐波的控制，具备完全抵消掉这些次谐波的能力。通常情况下，谐波电流的次数主要为6K±1次，Escobar G、Hernandez-Gomez M提出了可跟踪控制次数为6K±1谐波的内模，但同时其存在鲁棒性差的缺点。一般情况下，重复内模都是正反馈，所以当系统工作时会存在相位偏移的现象。就该现象，Boussaid A和Nemmour A L采用负反馈替换掉正反馈，提高了重复控制跟踪控制奇数次谐波的精度，但这种重复内模无法实现对偶数次谐波的跟踪控制。为加快重复控制系统的动态响应速度，张宸宇、梅军等人将无差拍思想与重复控制相结合，从而获得了良好的谐波抑制效果。

综上，滞环控制策略响应速度快、电流跟踪补偿精度高、工作状态稳定，但该方法开关频率大、损耗高且容易发生电流脉动，导致其实用性不高。即便PI控制策略的研究已十分成熟，但其先天的缺陷导致其无法独立承担谐波抑制的任务。现阶段，结合PI控制和其它控制策略的电流控制策略大量地被运用到有源电力滤波器中。采用谐振控制策略的有源电力滤波器能够有效抑制谐波，但针对各次谐波都需要单独设计一个谐振控制器，导致控制器结构较为复杂，且不易进行数字化。采用重复控制器的有源电力滤波器抑制谐波的静态性能很好，但其应对谐波波动的响应速度慢。此外，越来越多的智能控制算法被应用到APF领域，比如蝙蝠算法、神经网络、蚁群算法等。

结语：有源电力滤波器是一种能够有效处理谐波污染问题的设备，且具有使用维护成本较低等优点，因此被广泛应用到谐波污染的治理中。本文介绍了有源电力滤波器的分类，总结了有源电力滤波器电流控制策略的研究现状，并比较了不同控制策略的优缺点，未来有源电力滤波器将向着大容量、低成本、多电平的方向发展。