基于阻性有源滤波器的谐波治理技术

随着人类社会的不断发展和科学技术的进步，能源结构不断升级优化，电能已经成为现代社会使用最为广泛的能源形势。电力系统作为电能的载体，承担着发电、变电、输电、配电和用电等职责，其中配电系统的作用是将电能分配给用户[1]。

本文转载自“亚洲电能质量联盟”，作者：雷万钧 陈明锋，转载请注明来源。

伴随着国民经济生活水平的提升，配电系统愈发庞大、复杂。同时由于电子电子装置等非线性装置的广泛应用，使得配电网的电能质量问题也愈发引起学术界和工程界的关注[2,3]。其中谐波作为电能质量的重要指标也成为国内外学者研究热点。

近年来，配电网谐波谐振问题的研究已经成为学术界的热点之一。谐波在配电网里传播发生谐振，导致电网电压谐波含量超标，甚至使谐波敏感型装置和传输线路烧毁。然而由于配电网系统的复杂性和特殊性，即使电力电子装置产生的谐波满足国家标准，但当谐波频率与线路中的寄生电感和寄生电容的固有谐振频率满足一定条件时，会致使谐波发生谐振现象，使得线路中很小的谐波电流和谐波电压就会因谐振被放大几十倍甚至更高[4]。

针对配电网谐波谐振问题，HirofumiAkagi教授首次提出在配电网中安装有源滤波器（ActivePowerFilter,APF），并通过控制策略将其控制成“电阻”，即阻性有源滤波器（ResistiveActivePowerFilter,RAPF），来阻尼谐波谐振，提高配电网系统的电能质量，使得配电网运行环境安全可靠。

本文主要针对包括RAPF控制策略研究、RAPF阻值和安装位置对谐波抑制的研究等方面展开全面综述。

1阻性有源滤波器控制策略研究

1.1单机阻性有源滤波器控制策略

在1994年，日本6.6kV等级的配电系统中出现严重的谐波污染问题，配电网中5次谐波含量严重超标，K.Oku教授发表论文对这一现象进行了全面的阐述[5,6]。

在1999年，日本学者AKAGI教授针针对上述现象以集中参数模型分析了配电网谐波污染问题，并且首次提出阻性有源滤波器（RAPF），即将APF在谐波频点上控制成电阻来抑制谐波[4]，此时APF对外电路特性为：在谐波频点段呈现一个小电阻特性，在基波频点呈现一个大电阻特性。

图1是AKAGI教授提出的阻性有有源滤波器接入配电网的整体系统框图，RAPF首先检测端口电压va,vb,vc，经过旋转坐标变化和高通滤波器将基波分量滤除，再经过旋转坐标反变换得到端口谐波电压分量v’a,v’b,v’c，然后乘上系数KV如式1所示，生成谐波电流指令i*har_a,i*har_b,i*har_c；检测直流侧电容电压生成基波电流指令i*fun_a,i*fun_b,i*fun_c，然后两者相加作为指令电流，与实际电流比较，经过P控制器再与三角波比较生成PWM信号发送给变流器。

图1RAPF整体系统框图

如果有源滤波器的电流环增益足够大（即实际电流始终能够无差跟踪指令电流），可以将APF视作理想电流源，当APF满足式（1）时，APF对外电路表现为谐波频点处的电阻特性（即RAPF）。

文献[4]虽然通过提出RAPF对谐波进行抑制，但该文献并没有详细描述谐波如何在配电网中传播，RAPF如何对谐波进行抑制以及RAPF对外存在相位延时问题。

针对基于P控制的RAPF对外存在相位延时问题，文献[7]提出了一种全数字控制的阻性有源电力滤波器装置，解决了时间和相位上的延迟问题所带来的不良影响，在工程上具有一定的实用价值。

为了进一步研究配电网谐波谐振问题，文献[8]通过建立基于分布式参数模型的射线型配电网的谐波电压分布方程分析了上述谐波污染现象的原因，并且解释了“打地鼠现象”：RAPF安装点处的谐波得到抑制，其他点处的谐波电压却被放大。另外还分析了当RAPF安装在线路末端时，RAPF对外最优阻值的选取。但该文献研究的前提是线路参数已知的前提下进行，一旦线路参数未知或者发生变化，RAPF很难达到最优的谐波抑制效果。

针对实际线路参数的不确定性，无法做到与线路阻抗相匹配而导致RAPF的谐波抑制效果达不到最佳的问题，一种阻值自适应的阻性有源电力滤波器控制策略被提出，该方法在一定程序上解决了阻尼电阻取值与系统参数不匹配的问题[9,10]，该方法本质上是自动调节对外阻值达到输出阻抗与线路阻抗匹配的结果。

文献[11]提出离散频点阻性有源电力滤波器来提高针对特定频点的谐振抑制效果，该方法通过旋转坐标变化能够只在特定频点处呈现电阻特性，有效避免线路阻抗与RAPF阻值不匹配的问题。

为了提供用户安全可靠的电能，环型结构的配电网系统网络开始受到关注。一些文献基于环型配电网系统对谐波抑制进行了研究。

文献[12]基于环型配电网提出一种新的建模方式，并且根据环型配电网的特性，提出一种安装在环型配电网中间点的新的APF控制策略，该控制策略将APF模拟成无限长传输线，对线路中的谐波扩散起到了抑制效果。

文献[13]基于环型配电网结构下，提出了一种包含无源滤波器和有源滤波器的阻抗变流器，通过将该阻抗变流器模拟成无限长输电线路，达到消除反射波和谐波谐振抑制的目的。

1.2多机阻性有源滤波器控制策略

单机阻性有源滤波器对配电网谐波抑制具有一定效果，但为了进一步提高配电网谐波抑制效果，文献[14]对基于分布式参数且含有多个RAPF的射线型配电网进行建模，并且分析了多台RAPF共同工作的工况，该方法能够有效提高了对谐波的抑制效果，但由于增加了RAPF的数量，导致系统愈发复杂，且增加了谐波抑制成本。

文献[15]将下垂控制应用于多台离散频点阻性有源滤波器的控制中，相对于多台RAPF之间实时通信的方式，能够更加快速动态调节多台RAPF的输出来维持线路中的电压畸变率，但该方法增加了控制的复杂度。

2RAPF阻值和安装位置

对谐波抑制的研究

一些文献对于RAPF阻值和安装位置对谐波抑制进行了研究。文献[16]针对谐波源以电压源的形式向配电网注入谐波的工况，基于分布式参数的配电网传输线方程，分析讨论了RAPF的安装位置与谐振抑制效果的关系，并且指出了在该工况下，RAPF的最优安装位置，然而该方法更多地依赖于配电网中装置部署约束条件。

文献[17]提出一种基于配电网系统电压和电流传输矩阵的分析方法来决定在多节点的配电网最佳的APF安装位置以达到最优补偿效果。

3仿真分析

本次仿真基于如下工况：电网侧不存在谐波源，在BUS5节点接入二极管整流负载（用于模拟谐波电流源），用9个节点来模拟9km的长直输电线路，RAPF装置安装在线路末端。

图2系统结构图

本次仿真电路参数如表1所示，令RAPF对外呈现3欧姆电阻的特性。

表1仿真电路参数

图3是线路中未加入RAPF各个端口电压波形图，图4是线路中加入RAPF各个端口电压波形图。对比图3和图4可以看出加入RAPF后，波形得到明显的改善。

图3未加入RAPF的端口电压波形

图4加入RAPF的端口电压波形

为了更加直观的反应阻性有源滤波器的作用，将图1和图2中的端口电压波形进行FFT分析，并且求解各个端口电压的电压畸变率（THD），其结果如图3所示。从数据分析来看，RAPF发挥了较好的谐振抑制效果。

图5端口电压THD分析

4结语

本文对阻性有源滤波器的研究现状进行了分析。今年来，配电网中由于线路中电容与电感共同作用引发的电能质量问题愈发成为学术界的热点，众多学者所研究的阻性有源滤波器能够在抑制谐波方面有着较好的效果。虽然从单机RAPF的控制策略到多机RAPF的控制策略，再到RAPF阻值和安装位置对谐波抑制的研究都有了一定的研究成果，但实际中配电网系统的复杂性和特殊性以及RAPF本身特性使得RAPF依然有着非常大的研究潜力。综上所述，今后阻性有源滤波器的控制策略研究以及其对配电网谐波抑制的影响依然是研究的重点。

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