有源电力滤波器控制策略综述

有源电力滤波器控制策略综述

李圣清，何伟华，罗

飞

（湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲４１２００８）

摘要：有源电力滤波器能否按照其工作原理达到预期的谐波治理效果，除了谐波检测算法速度快、精度

高等以外，很大程度上还依赖于控制器的控制策略。对有源电力滤波器的控制策略进行了分类，对其几种常用控制策略的控制效果进行了深入分析，总结出了它们的优缺点。其中复合控制方式综合了检测负载谐波电流控制方式和检测电网谐波电流控制方式的优点，是一种比较理想的控制方式。

关键词：有源电力滤波器；控制策略；综述

中图分类号：ＴＭ７１　　　　　　　　　　　　　　　　　　文献标识码：Ａ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　文章编号：１６７３－９８３３（２００７）０４－００７２－０５

Ｔｈｅ　Ｏｖｅｒｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｆｏｒ　Ａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆｉｌｔｅｒｓ

Ｌｉ　Ｓｈｅｎｇｑｉｎｇ，Ｈｅ　Ｗｅｉｈｕａ，Ｌｕｏ　Ｆｅｉ

（　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　　Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｕｚｈｏｕ　Ｈｕｎａｎ　４１２００８，Ｃｈｉｎａ　）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｈｅｔｈｅｒ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ　ｃａｎ　ｒｅａｃｈ　ｉｔｓ　ｅｘｐｅｃｔｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｒ　ｎｏｔ，ｉｔ　ｄｅｐｅｎｄｓ　ｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ，ｆａｓｔ　ｓｐｅｅｄ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｏｆ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．　Ｉｔ　ｃｌａｓｓｉｆｉｅｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ　ｏｆ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｅｓ　ｄｅｅｐｌｙ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　　ｃｏｍｍｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ，ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ　ｔｈｅｉｒ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ．　Ａｍｏｎｇ　ｔｈｅｍ，ｔｈｅ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｉｓ　ａｎ　ｉｄｅａｌ　ｗａｙ，ｂｅｃａｕｓｅ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｌｏａｄｈａｒｍｏｎｉｃ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｒｅ　ｓｕｍｅｄ　ｕｐ．

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ；ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ；ｏｖｅｒｖｉｅｗ

０引言为了使有源电力滤波器得到理想的补偿效果，必

流的目的。Ｋ值越接近滤波器支路谐波阻抗，滤波器支路的等效谐波阻抗越小，电网支路的等效谐波阻抗越大，谐波抑制效果越好。其缺点为：一是控制的有效性依赖于参数Ｋ和滤波器支路谐波阻抗的关系；二是Ｋ的取值范围较窄。控制策略２）谐波抑制效果只与参数Ｋ的大小有关，不再依赖于参数Ｋ与无源滤波器谐波阻抗之间的关系，因而Ｋ的取值范围比较宽，使得该控制方式的灵活度大大增大。其缺点是当无源滤波器采取较大的电感值和较小的电容值的时候，无源滤波器在非调谐频率下的阻抗更大。在这些谐波频率下，有源电力滤波器的补偿效果就十分有限。控制策略３）也称为复合控制方式，它综合了前２种方式的

须对其进行有效地控制，它将关系到有源电力滤波器的容量要求、控制系统的稳定性和有效性等，并能有效地抑制电网电感和无源滤波器电感、电容可能导致的串、并联谐振等。常用的控制策略有以下几种

［１－３］

：

１）检测负载谐波电流，控制逆变器输出电压；２）检测电网谐波电流，控制逆变器输出电压；３）同时检测负载谐波电流和电网谐波电流，控制逆变器输出电压。其中的控制策略１）通过控制参数Ｋ值，增加滤波器支路和电网支路的分流比，达到减少电网谐波电

收稿日期：２００７－０６－２９

基金项目：湖南省科技厅基金资助项目（０５ＧＫ３０２２），中国包装总公司基金资助项目（０５ＺＢＫＪＡ０１４），株洲市科技局项目（株

科２００６２５）作者简介：李圣清（１９６１－），男，湖南永兴人，湖南工业大学教授，博士，硕士生导师，主要从事电力系统谐波的分析与治理，

电力电子技术及新型输变电技术的研究．

第４期李圣清，何伟华，罗飞　有源电力滤波器控制策略综述７３

优点，是一种比较理想的控制方式。

１检测负载谐波电流控制方式并联混合型有源电力滤波器（Ｐａｒａｌｌｅｌ　Ｈｙｂｒｉｄ　Ａｃｔｉｖｅ

图３　　检测负载谐波电流控制方式结构图Ｆｉｇ．　３　　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｆｉｇｕｒｅ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｌｏａｄ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｃｉｒｃｕｉｔｓＰｏｗｅｒ　Ｆｉｌｔｅｒ　简称为ＰＨＡＰＦ）的原理如图１所示，是由无源滤波器和有源滤波器２部分组成的。无源滤波器由５次、７次和高通滤波器组成，其中５　次、７次滤波器均由单调谐滤波器组成，主要起滤除谐波和实现无功补偿的作用。高通滤波器主要起滤除开关频率附近谐波的作用，通常采用二阶高通滤波器。有源滤波器由谐波检测、控制和补偿电路等组成，主要起提高、改善无源滤波器滤波效果作用。由于有源滤波器不是直接抑制和补偿谐波，由它所产生的补偿电压中不含基波电压，只含谐波电压，故其功率容量较小，因而滤波器的成本得以下降［３，４］。

还可求得此时电网谐波电流和有源电力滤波器支路谐波电流分别为：

，　　　　　　　　　　　　（３）

。　　　　　　　　　　（４）

式（３）、（４）中的分母ＺＰ＋ＺＳ＝（ＺＰ－Ｋ）＋（ＺＳ＋Ｋ），因此，这种控制方式实质上等效于加大电网支路的谐波阻抗，减小滤波器支路的谐波阻抗，其等值电路如图４所示。

图４检测负载谐波电流控制方式的等值电路Ｆｉｇ．　４Ｔｈｅ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｌｏａｄ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ图１并联混合滤波器原理图Ｆｉｇ．　１Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｆｉｇｕｒｅ　ｏｆ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｈｙｂｒｉｄａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ通过检测负载谐波电流，达到控制逆变器输出电压的控制策略称为检测负载谐波电流控制方式。在该方式中，逆变器的输出电压ＵＣ＝ＫｉＬｈ　［２，４］。

图１的单相谐波等效电路如图２所示，负载等效为一个谐波电流源，有源电力滤波器等效于一个受控电压源［２］，忽略电网谐波电压，ＺＰ为无源电力滤波器的阻抗。

图２单相谐波等效电路Ｆｉｇ．　２Ｔｈｅ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ　ｈａｒｍｏｎｉｃ该控制方式的特点为：

１）通过控制Ｋ值，增加滤波器支路和电网支路的分流比，达到减少电网谐波电流的目的。Ｋ值越接近ＺＰ，滤波器支路的等效谐波阻抗越小，电网支路的等效谐波阻抗越大，谐波抑制效果越好。参数Ｋ值满足０＜Ｋ≤ＺＰ；

２）当Ｋ＝ＺＰ时，滤波器支路的谐波阻抗为零，谐波电流全部分流至滤波器支路，电网谐波电流为零，达到理想工作状态。

该控制方式的缺点是：１）控制的有效性依赖于参数Ｋ和滤波器支路谐波阻抗ＺＰ的关系。由于在实际情况中，在不同的谐波频率下，ＺＰ的大小不同，且其值随电网频率的变化而变化，因而Ｋ的最优值很难在线确定。２）Ｋ的取值范围较窄，当ＺＰ＜Ｋ＜２ＺＰ时，虽然也能达到减小电网谐波电流的目的，但是，此时有源电力滤波器处于过补偿状态，势必增大了有源电力滤波器的容量，因此，Ｋ不应在此范围内取值。

由图２，根据基尔霍夫电流定律和电压定律可得：

ｉｃｈ＝ｉＬｈ－ｉｓｈ，　ｉｃｈＺＰ－ＫｉＬｈ＝ｉｓｈＺＳ。

图３所示［２，４］。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）　　　　　　　　　　　　　　（２）

２检测电网谐波电流控制方式检测电网谐波电流ｉ

ｓｈ

，控制逆变器输出电压

由式（１）和（２）可得该控制方式的数学模型，如

ＵＣ＝Ｋ・ｉｓｈ，这种控制策略称为检测电网谐波电流控制方式。那么，仍然由图２可得［２，４］：

７４湖南工业大学　学　报２００７年

ｉｃｈ＝ｉＬｈ－ｉｓｈ，

ｉｃｈＺＰ－Ｋｉｓｈ＝ＺＳｉｓｈ。　　　　　　　　　　　　

图５所示［２，４］。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（５）

（６）

ｉｓｈ＝０，

ｉｃｈ＝ｉＬｈ，　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１１）

（１２）　（１３）

　　　　　　　　　　　　　　　　　（１４）

由式（５）、（６）可得该种控制方式的数学模型如

ｕＬｈ＝ｕｓｈ，　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｕｃ＝ＺＰｉＬｈ＋ｕｓｈ。

但是，实际应用中并不是Ｋ值越大越好，Ｋ值过大，会加大检测和控制电路引入的延时和惯性对系统稳定性的影响，因此，只能根据实际情况取有限值。

图５检测电网谐波电流控制方式结构图Ｆｉｇ．　５Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｆｉｇｕｒｅ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ这种控制方式的缺点是：在无源滤波器非谐振频率下，难以满足Ｋ　＞＞ＺＰ的条件，尤其是当无源滤波器采取较大的电感值和较小的电容值的时候，无源滤波器在非调谐频率下的阻抗更大。在这些谐波频率下，有源电力滤波器的补偿效果就十分有限。通常采用以下２种措施来缓解这个问题：

１）对不同频率的谐波，采用不同的Ｋ值。这样做的优点是可分开考虑系统惯性和延时对不同频率谐波补偿的影响；其缺点是当电网谐波电流组成比较复杂时，采用这种方法，谐波检测的计算量较大。

２）仍对所有谐波频率采用相同的Ｋ值，无源滤波器使用多个单调谐滤波器，分别调谐在电网的主要谐波频率处，从而大大减小无源滤波器阻抗，达到满足

此时，电网谐波电流和有源电力滤波器支路谐波电流分别为［２］：

，　　　　　　。

　　　　　（７）　　　　　　　　　　　（８）

滤波器安装点处的谐波电压和有源电力滤波器的输出电压分别为：

，

　　　　　　　　　　　（９）

Ｋ＞＞ＺＰ的条件。

。　　　　　　　　　　　　（１０）

３同时检测负载和电网谐波电流控同时检测负载和电网谐波电流控制方式也称为复

这种控制方式的等值电路如图６所示。电网阻抗由原来的ＺＳ增加到ＺＳ＋Ｋ，滤波器支路的谐波阻抗不变。因此，该控制方式实质上等效于增加电网支路的谐波阻抗，将有助于减弱电网支路的谐波分流能力，从而增大了滤波器支路的谐波分流能力，达到补偿谐波的目的。

制方式合控制方式，该方式综合了前２种方式的优点，是一种比较理想的控制方式。这种控制方式中，指令电流信号主要来自负载电流，可以对负载中的谐波电流进行很好的补偿。而检测电源谐波电流的作用主要是抑制高通滤波器和电网阻抗之间的谐振，有利于提高系统的稳定性。

复合控制方式指令信号为

ｕｃ＝ｕＬｈ＋Ｋｉｓｈ，

　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１５）

式中ｕＬｈ仍为滤波器安装点的谐波电压。

考虑电网谐波电压ｕｓｈ的单相谐波电流等效电路如

图６检测电网谐波电流控制方式等值电路Ｆｉｇ．　６Ｔｈｅ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ图７所示。

该控制方式的优点为：

１）谐波抑制效果只与参数Ｋ的大小有关，不再依赖于参数Ｋ与无源滤波器谐波阻抗ＺＰ之间的关系。由式（７）可知，Ｋ越大，电网谐波电流越小，有源电力滤波器的谐波抑制效果越好；

２）由于谐波抑制效果只与参数Ｋ的大小有关，因而Ｋ的取值范围比较宽，使得该控制方式的灵活度增大；

３）当Ｋ为无穷大时，混合滤波系统达到理想的滤波特性，这时有：

图７考虑电网谐波电压的单相谐波电流等效电路Ｆｉｇ．　７Ｔｈｅ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ　ｈａｒｍｏｎｉｃｃｉｒｃｕｉｔｓ　ｏｆ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｖｏｌｔａｇｅ由ＫＣＬ和ＫＶＬ定律可得：

ｉｓｈ＝ｉＬｈ－ｉｃｈ，　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　（１６）

第４期李圣清，何伟华，罗飞　有源电力滤波器控制策略综述７５

ｕｃ－ｕＬｈ＝ＺＰｉｃｈ，　　　　　　　　　　　　　　　　ｕＬｈ＝ｕｓｈ－ＺＳｉｓｈ。　　　　　　　　　　　　　　　　

如图８所示。

（１７）　（１８）　

网侧谐波电压均与Ｋ值有关，而且Ｋ值越大滤波效果越好。还可得出以下结论：

１）当Ｋ　＞＞ＺＰ、ＺＳ时，由式（１９）可知电网谐波电流得到了较好的控制。由式（２０）可知右边的第１项也得到了较好的控制；

２）当Ｋ值趋近于无穷大时，电网谐波电流趋近于０，负载谐波电压得到了有效地控制，其中由负载谐波电流产生的谐波电压趋近于０，但却不能有效地抑制电网谐波电压对负载谐波电压的影响；

３）复合控制方式还能在有源电力滤波器产生的谐波补偿电压转化成谐波补偿电流时，不再受电网阻抗的影响；

４）有利于进一步降低有源电力滤波器的容量。

由式（１５）￣（１８）可得复合控制方式的数学模型，

图８复合控制方式原理图Ｆｉｇ．　８Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｆｉｇｕｒｅ　ｏｆ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｅｌ同时考虑负载谐波电流和电网谐波电压影响时，电网谐波电流和负载谐波电压分别由下列各式决定：

４，　。

（　１９）

仿真结果分析采用ｐｓｐｉｃｅ软件进行了仿真，电源线电压为３８０　Ｖ，

　（２０）

频率为５０　Ｈｚ，不可控三相整流桥带电阻性负载，ＲＬ＝１０　Ω。Ｋ取不同值、采用不同的控制方法时，并联混合型有源电力滤波器对谐波补偿效果的仿真结果如图９￣１１示。

由式（１９）、（２０）可得，电网谐波电流和负载电

ａ）　　原电流波形

ｂ）　　Ｋ＝０

ｃ）　　Ｋ＝０．０２

ｄ）　　Ｋ＝１５

图９检测负载谐波电流控制方法的补偿效果Ｆｉｇ．　９Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｌｏａｄ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｃｉｒｃｕｉｔｓａ）　　原电流波形

　　ｂ）　　Ｋ＝０

ｃ）　　Ｋ＝５

　图１０检测电网谐波电流控制方法的补偿效果ｄ）　Ｋ＝１５

　Ｆｉｇ．　１０Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｃｉｒｃｕｉｔｓ７６湖南工业大学　学　报２００７年

ａ）　　原电流波形　　ｂ）　　Ｋ＝０

ｃ）　　Ｋ＝５

ｄ）　Ｋ＝１５

　图１１复合控制方法的补偿效果　Ｆｉｇ．　１１Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｏｆ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｅｌ图９给出了检测负载谐波电流控制方法的补偿效果。图９ａ）为补偿前电网电流波形，图９ｂ）、ｃ）、ｄ）分别为　Ｋ＝０、Ｋ＝０．０２和Ｋ＝１５时的补偿效果。由图可知，当Ｋ＝０．０２时，整套有源滤波系统的滤波效果比Ｋ＝０时有些改善；当Ｋ＝１５时，整个滤波系统的滤波效果不但没有得到改善，反而比只投入无源滤波器，即Ｋ＝０时的滤波效果更差了，说明电网谐波被放大，电网谐波状况反而变差。

图１０给出了检测电网谐波电流控制方法的补偿效果。在图１０中，给出了补偿前电网电流波形，以及Ｋ＝０、Ｋ＝５和Ｋ＝１５时的仿真结果。由图可知，当Ｋ＝５时，整套有源滤波系统的滤波效果比Ｋ＝０时有比较明显的改善。当Ｋ＝１５时，整个滤波系统的滤波效果得到进一步改善。

图１１给出了复合控制方式的补偿效果。在图１１中，给出了Ｋ＝０，以及Ｋ＝５和Ｋ＝１５电网电流波形，由图可知，其补偿效果均优于前面的２种方法。

在无源滤波器非谐振频率下，难以满足Ｋ＞＞ＺＰ的条件，这时有源电力滤波器的补偿效果就十分有限。复合控制方式综合了前２种方式的优点，是一种比较理想的控制方式。参考文献：

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朱鹏程，李勋，康勇，等．统一电能质量控制器控制策略研究［Ｍ］．中国电机工程学报，２００４，２４（８）：６７－７３．李圣清，朱英浩，周有庆，等．　基于瞬时无功功率理论的四相输电谐波电流检测方法［Ｊ］．　中国电机工程学报，２００４，２４（３）：１２－１７．

５结论本文的理论分析和仿真结果均表明了有源电力滤

波器会因采用不同的控制策略而有不同的谐波补偿效果。检测负载谐波电流控制方式的有效性依赖于参数Ｋ和滤波器支路谐波阻抗ＺＰ的关系，Ｋ值取值范围较窄，因而滤波效果欠佳。检测电网谐波电流控制方式，Ｋ的有效值域明显扩大，还能显著改善无源滤波器在所有频段的谐波抑制效果，因而滤波效果较好。但是，