独立电源系统有源滤波器谐波和无功电流补偿策略研究

摘要：文章首先介绍了独立电源系统有源滤波器谐波和无功电流的补偿原理。而后，当有源滤波器的输出功率不能够满足电源系统补偿需求的时候，提出了谐波和无功电流的补偿策略，使有源滤波器在固定补偿能力下发挥最大的补偿效益，提高了有源滤波器的补偿性能。通过分析比较，说明该补偿策略具有较大的优越性，并在实际的有源滤波器装置中得到了较好的应用，表明该策略是正确和有效的。

叙词：独立电源系统 有源滤波器 谐波 补偿策略

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。