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有源电力滤波器电源电流直接控制的优化措施分析有源电力滤波器是在动态抑制谐波与无功补偿中应用较多的装置，是新型科技的电力电子产物，在不同频率域大小的谐波中反应较快，跟踪与补偿速度均较快，可以有效实现滤波的动态跟踪补偿，同时平衡谐波补偿与无功补偿。
本文根据有源电力滤波器的数字模型，直观分析有效优化措施。
标签：有源电力滤波器；电源电流直接控制；数字模型；优化措施随着我国电网中非线性装置电子设备的不断发展，电能质量受到了严重的资源威胁。
有源电力滤波器（即APF）具有无功补偿、控制谐波、负序电流等显著优势，且对贮能元件容量的需求较小，对电能质量的污染相对较轻，基于此，本文主要分析了有源电力滤波器电源电流直接控制的优化措施。
1. 有源电力滤波器电源电流控制的优化措施近年来提出的电源电流直接控制的APF控制方法因其不需要检测负载谐波电流和无功电流而引起广泛关注：1）目前尚未有文献推导出电源电流直接控制的APF数学模型，只是笼统地描述了控制思想。
2）在不检测负载电流的电源电流直接控制方法中虽然系统跟踪目标为直流量，但是负载电流此时变为系统的可测量干扰，如果不对负载电流进行检测，会导致无法对其进行前馈补偿校正[1]。
由于负载电流包含大量谐波电流，普通控制器难以对此干扰做到很好抑制，因此，同跟踪负载电流控制方式一样，设计一个无静差跟踪的控制器难度很大。
3）电网提供的有功电流绝大部分提供给电网中的非线性负载消耗，只有极小一部分被APF损耗和用于维持直流侧电压稳定。
在不检测负载电流的电源电流直接控制方法中，不能提取负载消耗的有功电流参考值，只能靠APF电压外环控制器调整输出使电源提供的有功电流达到期望值，这会导致控制器动态响应速度较慢。
4）不检测负载谐波电流意味着无法提取负载电流中的无功电流，因此，不检测负载电流的电源电流直接控制方法只能对负载的无功电流和谐波电流同时补偿，实用性比较差。
为此，本文提出一种改进的电源电流直接控制方法。
2009年5月电工技术学报Vol.24 No. 5 第24卷第5期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY May 2009串联谐振注入式混合型有源电力滤波器及滤波特性分析帅智康罗安刘定国涂春鸣（湖南大学电气与信息工程学院长沙 410082）摘要以工程应用为背景，结合注入式有源电力滤波设备在实际应用中存在的问题，提出了一种适用于中高压电力系统的串联谐振注入式混合型有源电力滤波器（SRIHAPF）的新型拓扑结构，该结构能够在电网电压畸变比较严重时仍然安全稳定工作，并通过基波谐振支路谐波分压和串联谐振支路谐波分流两个方面探讨了新型结构的优越性。
在分析了SRIHAPF基本工作原理的基础上，对其主要工作特性进行了研究，包括谐波补偿特性、谐振抑制特性以及SRIHAPF系统稳定性。
仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。
关键词：谐波电流谐波电压谐波治理无功补偿混合型有源电力滤波器中图分类号：TM48；TM76A Novel Hybrid Active Power Filter With Series Resonance CircuitShuai Zhikang Luo An Liu Dingguo Tu Chunming（Hunan University Changsha 410082 China）Abstract According to the requirement of harmonic suppression and reactive power compensation in power system, a novel HAPF with series resonance circuit (SRIHAPF) is proposed in this paper, which is suitable for applying in high-voltage system. And the APF achieves satisfying compensation result even if the PCC voltage is badly distorted. The advantages of SRIHAPF are discussed. Then the steady compensation characteristic of the compensation system, the resonance damping and the stability of the system are analyzed in detail. The feasibility of SRIHAPF is validated by the theoretic analysis and simulation results.Keywords：Harmonic current, harmonic voltage, harmonic elimination, reactive power compensation, hybrid active power filter1引言随着大量非线性负荷在工业中的广泛应用，电网的谐波污染问题日趋严重。
一种新型注入式混合有源电力滤波器丁士启;帅智康;罗安【摘要】As the additional injection type hybrid active power filter（IHAPF）may exist fundamental circulation between the active part and fundamental harmonic branch,a novel topology of injection type hybrid active power filter is proposed to enhance the safety of IHAPF in the paper.Firstly,this paper discusses the principle of fundamental circulation,and proposes a novel topological structure of IHAPF which can improve the safety of system.Secondly,this paper discusses the advantage of the novel structure on harmonic voltage of series resonant subcircuit and harmonic current of parallel resonant subcircuit.Finally,Simulation and experimental results indicate that the structure can effectly solve the problem of great reactive power compensation and harmonic suppression in high voltage system,as well as fundamental circulation suppression in traditional injected circuit structure.Therefore the safe reliability is greatly improved.%针对传统的注入式混合型有源电力滤波器（IHAPF）的有源部分与基波谐振支路间会产生很大基波环流的问题,本文提出了一种新型注入式混合型有源电力滤波器拓扑结构以提高系统的安全性。
一种用于电铁谐波治理方法的研究作者：肖文英来源：《科技资讯》 2012年第15期肖文英(湖南工学院电气与信息工程系湖南衡阳 421002)摘要:从分析无源电力滤波器和有源电力滤波器各自滤波的特点入手,提出了一种将无源电力滤波器与有源电力滤波器相结合的混合型电力滤波器,通过对电路的分析和实验,验证了本新型混合电力滤波器用于电铁谐波治理的显著效果。
关键词:电铁谐波无源滤波器有源滤波器混合滤波器中图分类号:U223 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)05(C)-0112-03随着电气化铁道的迅速发展,电铁负荷向电网注入的高次谐波和负序电流也日趋严重,谐波电流注入电网,会引起三相电力系统波形畸变,严重影响供电质量。
对其进行有效治理,对电力系统和牵引供电系统具有着十分重要意义。
电铁负荷产生的谐波具有以下特点。
(1)非线性,高次谐波含量大。
(2)单相独立性和不对称性,在电力系统中产生负序分量。
(3)随机波动性,使电力系统电压波动。
(4)相位分布广,功率因数低,无功功率消耗大。
因此,鉴于电气化铁道产生谐波的特点,我们应该有针对性地采取有效措施,加强对电铁谐波的治理。
1 无源电力滤波器和有源电力滤波器1.1 无源电力滤波器无源电力滤波器是最早用于谐波治理的装置,由LC等被动元件构成,将其设计为某频率下极低阻抗,对相应频率谐波电流进行分流,其行为模式为提供被动式谐波电流旁路通道。
其特点如下6点。
(1)只能滤除固定次数的谐波。
(2)受系统阻抗影响严重,易与电网阻抗发生谐振。
(3)频率变化时,谐振点偏移,滤波效果变差。
(4)负载量增加时,可能因为超载而被损坏。
(5)滤波效果随负载的变化而变化。
(6)结构较简单,造价较低。
1.2 有源电力滤波器有源电力滤波器由电力电子元件和DSP等构成的电能变换装置,检测负载谐波电流并主动提供对应的补偿电流,补偿后的源电流几乎纯正弦波,其行为模式为主动式电流源输出。
2004年11月电工技术学报Vol.19 No.11 第19卷第11期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Nov. 2004新型注入式混合有源滤波器的研究唐欣1罗安2涂春鸣2（1. 中南大学信息科学与工程学院长沙 4100832. 湖南大学电气与信息工程学院长沙 410082）摘要提出了一种新型混合有源滤波器的拓扑结构。
其基本思想是根据分流原理，对有源部分进行适当控制来等效增大系统支路的谐波阻抗，提高无源滤波器的滤波效果；将有源部分与基波谐振电路并联来减小有源部分容量，同时将基波谐振电路作为一组单调谐无源滤波器的部分和其他无源滤波器组一起构成分流支路；无源部分还可以提供很大无功补偿容量，而且不影响有源部分的容量。
仿真和实验结果证明了所提出的混合有源滤波器的可行性和正确性。
关键词：混合有源滤波器拓扑结构基波串联谐振无功补偿中图分类号：TM48Study of New Injection Type Hybrid Active Power FilterTang Xin1 Luo An2 Tu Chunming2（1. Central South University Changsha 410083 China2. Hunan University Changsha 410082 China）Abstract This paper proposes a new type hybrid active power filter. The basic idea is that the valid control of active filter is equivalent to increase the system harmonic impedance to enhance the performance of passive filters. One advantage of this is to reduce the power of the active filter by installing active filter in parallel of fundamental series resonance circuits. Besides, the fundamental series resonance circuits as parts of a set of passive filters with other passive filters construct the shunt circuits. Another advantage is that passive filters can supply high reactive power and this do not enlarge the capacitance of active filter. Simulations and experiment results have verified the effectiveness of the proposed topology.Keywords：Hybrid active power filter，topology，fundamental series resonance，reactive power compensation1引言随着电力电子设备的发展，谐波污染日趋严重。
无源滤波器（Passive Filter，PF）由于存在滤波特性受电网阻抗影响和容易与电网阻抗产生串并联谐振的缺点，而逐步被有源滤波器（Active Power Filter，APF）取代[1～8]。
单独使用的并联型有源滤波器[6]是最早期的有源滤波装置，它结构简单，可以通过不同的控制作用对谐波、无功、不平衡分量等进行动态补偿，但由于直接与电网相连，只适合于低压系统的应用，不宜于高压、大容量的谐波补偿。
为减小有源滤波器的容量，在有源滤波器单独使用方式的基础上发展出各种类型的混合有源滤波器（Hybrid Active Power Filter，HAPF）[1～3]。
无源和有源并联构成的HAPF利用无源滤波器滤除大部分的谐波电流，减小有源部分的容量，同时还可以提供一定容量的静态无功功率。
这种结构特别适合已有无源滤波器应用的场合，但由于有源部分仍然直接承受基波电压，所以不宜用于高压系统[6]。
无源和有源串联构成的混合型方式（Series PF and APF，SCAP）主要由无国家科技攻关项目（2002BA218C）。
收稿日期 2004-03-01 改稿日期 2004-07-13第19卷第11期唐欣等新型注入式混合有源滤波器的研究 51源滤波器滤除谐波电流，有源部分的作用是改善无源滤波器的性能，而且有源部分不直接承受电网基波电压，所以有源部分的容量小，且适合高压系统的应用。
但由于流过无源部分的基波电流会全部流入有源部分，因此这种方式不宜利用无源滤波器提供大容量的静态无功功率，这就造成了资源的浪费[2]。
串联谐振注入式有源滤波器利用串联谐振原理保证有源部分承受的基波电压非常小，适合于高压系统的应用，同时还可以利用注入支路提供一定的无功功率。
但这种方式存在滤波效果不够理想的缺点，目前工业上很少应用[7,8]。
本文根据早元变电站对谐波和无功的补偿要求，提出了一种新的HAPF拓扑结构。
所提出的串联谐振注入式混合有源滤波器（Series Resonance Injection Type Hybrid Active Power Filter, SRITHAPF）可以适用于高压、大容量谐波系统的补偿，且具有大容量的无功静补能力，同时有源部分的容量很小。
2SRITHAPF的工作原理图1为SRITHAPF的系统结构图，其中i S、i L、i F分别为电网电流、负载电流和滤波电流，i C为逆变器的输出电流，i R为流入基波串联谐振电路（Fundamental Series Resonance Circuit，FSRC）的电流，以下章节出现的下标h和f分别表示相应电流或电压的谐波分量和基波分量，对阻抗而言，则分别表示其谐波阻抗和基波阻抗，C1和电感L1构成在基波频率谐振的FSRC电路，C1、L1和C G构成在所需补偿谐波频率谐振的无源滤波支路。
图1 SRITHAPF的系统结构Fig.1 System configuration of SRITHAPF2.1SRITHAPF的滤波特性SRITHAPF的单相等效电路如图2所示。
谐波源可以被看作一个谐波电流源，SRITHAPF的有源图2 SRITHAPF的单相等效电路Fig.2 Single equivalent circuit of SRITHAPF 部分（即电压型逆变器）被控制为一个电流源，Z S、Z P、Z R、Z G分别为电网阻抗、SRITHAPF无源滤波器组的阻抗、FSRC支路阻抗和电容C G的阻抗。
电流滤波的基本原理是分流原理，那么提高滤波效果的途径为减小分流支路的阻抗和增大系统支路（即电网支路）阻抗。
为提高滤波效果，将SRITHAPF的有源部分控制为一个电流源i C=Ki Sh（1）当只考虑SRITHAPF对谐波源的谐波进行治理时，U S为零，则此时SRITHAPF的单相等效电路如图3a所示，可以得到LhShGhRhPhShRhGhRhPhRhGhSh)()()(IZZZZZKZZZZZZI++++++=（2）52电 工 技 术 学 报 2004年11月i Lh（a ）i Lh 作用时单相电路i Lh（b ）相对i Sh 的等效电路图3 i Lh 作用时单相等效电路Fig.3 Single equivalent circuit just considering i Lh对图3b 所示电路也可以得到上式，其中阻抗Z等于Gh Rh Ph PhRh Z Z Z Z KZ ++。
也就是说，对于谐波电流i Sh而言，图3a 与图3b 是等效的。
从图3b 可以看出，SRITHAPF 的有源部分相当于在电网支路串联了一个可控的谐波阻抗，当Z 足够大时，流入电网的谐波电流将会很小，接近于零；同时可以抑制无源部分与电网阻抗间的并联谐振。
假设电容C 1、L 1和C G 构成的无源滤波支路在G 次谐波频率谐振，无源滤波器组在P 次谐波频率谐振，那么对G 次谐波Z Rh +Z Gh 非常小，Z 约等于KZ Rh ，而对G 次谐波的Z Rh 非常大，因此，K 不需很大时，SRITHAPF 就能很好的滤除G 次谐波。
对P 次谐波Z Ph 非常小，Z约等于Gh Rh PhRh Z Z Z KZ +，由于等效频偏的存在，Z Ph 不会等于0，而且当频率大于G 次时，│Z Rh │总大于│Z Rh +Z Gh │，因此K 也不需很大时，SRITHAPF 同样能很好的滤除P 次谐波。
对于G 次和P 次以外的谐波，虽然分流支路的阻抗较大，但Z 的值也很大（即使K 值不是很大），所以SRITHAPF 对G 次和P 次以外的谐波还是有一定滤除能力。
电网电压中的谐波成份U Sh 单独作用下的等效电路如图4a 所示，可以得到Sh ShGh Rh Ph Sh Rh Gh Rh PhRh Gh Sh )()(U Z Z Z Z Z KZ Z Z Z Z Z I +++++++=（3）对图4b 所示电路也可以得到上式，其中阻抗Z等于Gh Rh Ph PhRh Z Z Z Z KZ ++。
也就是说，对于谐波电流i Sh而言，图4a 与图4b 是等效的。
同样，从图4b 可以看出，SRITHAPF 的有源部分相当于在电网支路串联了一个可控的谐波阻抗，当Z 足够大时，由U Sh 产生的谐波电流不会流入无源滤波器，不会造成其过载，而且可以抑制无源部分与电网阻抗间的串联谐振。
Z Ph（a ）U Sh 作用时单相电路Z Ph（b ）相对i Sh 的等效电路图4 U Sh 作用时单相等效电路Fig.4 Single equivalent circuit just considering U Sh2.2 SRITHAPF 的容量设计由上述分析可知，电网的谐波电流是由电网谐波和负载谐波叠加作用而产生，即+++++++=Lh ShGh Rh Ph Sh Rh Gh Rh PhRh Gh Sh )()()(I Z Z Z Z Z KZ Z Z Z Z Z ISh ShGh Rh Ph Sh Rh GhRh PhRh Gh )()(U Z Z Z Z Z KZ Z Z Z Z Z +++++++（4）第19卷第11期唐 欣等 新型注入式混合有源滤波器的研究 53当K 为无穷大时，SRITHAPF 可达到理想的滤波特性I Sh =0 （5）这时，根据图3a 可以求取只考虑谐波源作用时FSRC 支路的电流为Lh RhGhRh I Z Z I =（6） 根据图4a 可以求取只考虑电网谐波电压作用时FSRC 支路的电流为Sh Gh Rh Ph Rh Ph Rh Gh Gh Rh Ph Rh )()(U Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z I ++++= （7）根据叠加原理，由式（2）、（3）和式（6）、（7）可得，当K 足够大时，SRITHAPF 的谐波容量为⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧++++==+++++==Ph Rh LhGh Rh Ph Sh Rh Gh Ph Sh C Lh Gh Sh Gh Ph Ph RhPh Ph Gh Ph Gh Rh Rh Ch )()( )()( Z Z I Z Z Z U Z Z Z KI I I Z U Z Z Z Z Z Z Z Z Z Z I U （8）只考虑基波作用时，SRITHAPF 的单相等效电路如图5所示，可以得到⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧+=≈+++≈+≈Gf Rf SfRf Rf Rf Cf Pf Gf Rf Sf Pf Gf Rf FfGfRf SfRf)()(Z Z U Z Z I U Z Z Z U Z Z Z I Z Z U I （9）i Lf图5 基波作用时单相等效电路Fig.5 Single equivalent circuit just considering U Sf and i Sf由于FSRC 的基波阻抗Z Rf 非常小，U Cf 会很小，因此，SRITHAPF 的有源部分承受的电压不高，适合于高压系统的谐波补偿。
