1 引言

    獨(dú)立電源系統(tǒng)是一個(gè)由負(fù)載和獨(dú)立供電電源組成的獨(dú)立可控系統(tǒng)，向當(dāng)?shù)靥峁╇娔?，彌補(bǔ)了大電網(wǎng)供電不足，得到了廣泛的使用[1-2]。獨(dú)立電源的發(fā)電系統(tǒng)通常由柴油機(jī)等發(fā)動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)組成，并通過輸出電纜將電能輸送到各個(gè)用電設(shè)備。由于獨(dú)立電源的參數(shù)有限、容量有限，電源中使用的大量由電力電子器件構(gòu)成的非線性負(fù)載，很容易造成電源電壓波形的嚴(yán)重畸變，電源中含有大量的諧波和無功電流。電力有源濾波器是電源系統(tǒng)中濾除諧波和無功電流的一種重要手段，受到了廣泛的關(guān)注和研究。

    獨(dú)立電源系統(tǒng)供電電流由于受非線性負(fù)載變化的影響非常敏感，含有大量的諧波和無功電流。有源濾波器在補(bǔ)償過程中由于受到裝置補(bǔ)償容量的限制，很可能無法滿足電源系統(tǒng)的補(bǔ)償需求，發(fā)生過流現(xiàn)象而無法投入使用。因此，對(duì)于有限容量的有源濾波器裝置，如何使其補(bǔ)償性能免受電源系統(tǒng)的影響，采用合理的補(bǔ)償策略發(fā)揮其最大補(bǔ)償能力，則是有源濾波器工程化過程中要研究解決的關(guān)鍵問題。文獻(xiàn)[3]提出了利用截?cái)嘞蘖鞯姆椒ǎ褂性礊V波器工作在最大補(bǔ)償電流狀態(tài)，但是沒有對(duì)諧波和無功電流的協(xié)調(diào)進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[4]提出了針對(duì)特定次諧波檢測(cè)方法，并研究了補(bǔ)償方法，但沒有提出有關(guān)的補(bǔ)償策略。本文提出了針對(duì)不同工況的補(bǔ)償需求，選擇不同的補(bǔ)償策略，使有源濾波器能夠發(fā)揮最大的補(bǔ)償效益。通過實(shí)際工程化樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，說明該方法是正確且有效的。

    2 有源濾波器的補(bǔ)償原理

    有源濾波器的補(bǔ)償原理，是補(bǔ)償裝置APF主動(dòng)向電源中注入與所需補(bǔ)償電流的幅值相等、相位相反的電流，使電源為非線性負(fù)載只提供基波有功電流，從而濾除電源中的諧波電流和無功電流[5-6]。其原理框圖如圖1所示。 

    圖1 有源濾波器的補(bǔ)償原理框圖

    圖1中有源濾波器控制部分，通過算法從負(fù)載側(cè)電流中提取出諧波電流和無功電流，根據(jù)補(bǔ)償需求，確定系統(tǒng)的補(bǔ)償指令信號(hào)，調(diào)節(jié)監(jiān)控單元依據(jù)指令信號(hào)和輸出電流的反饋信號(hào)產(chǎn)生變化的驅(qū)動(dòng)脈沖，調(diào)節(jié)IGBT逆變單元主動(dòng)向電源中注入補(bǔ)償電流，濾除電源中諧波電流和無功電流。圖中：i1表示電源側(cè)電流；i2表示非線性負(fù)載側(cè)電流；i3表示有源濾波器的補(bǔ)償電流，具有以下關(guān)系

    i2=i1+i3                                                      (1)

    i2=i2h+i2b= i2h+i2bp+i2bq                                                         (2)

    式中：i2h表示電源中的諧波電流；i2b表示電源中的基波電流；i2bp表示電源中的基波有功電流；i2bq表示電源中基波無功電流。

    由式(1)和式（2)得：

    i1+i3=i2h+i2bp+i2bq                                                       (3)

    由式(3)可知：當(dāng)有源濾波器的輸出電流i3=i2h時(shí)，補(bǔ)償諧波電流，電源為負(fù)載提供基波電流；當(dāng)有源濾波器的輸出電流i3= i2bq時(shí)，補(bǔ)償無功電流，電源為負(fù)載提供基波有功電流和諧波電流；當(dāng)有源濾波器的輸出電流i3=i2h+i2bq時(shí)，同時(shí)補(bǔ)償諧波電流和無功電流，電源為負(fù)載僅提供基波有功電流。有源濾波器可以實(shí)現(xiàn)諧波和無功電流的單獨(dú)補(bǔ)償，也可以對(duì)二者同時(shí)補(bǔ)償。在補(bǔ)償電源系統(tǒng)中的諧波電流時(shí)，既可以補(bǔ)償全部的諧波電流，也可以補(bǔ)償某次或某幾次的諧波電流，以達(dá)到電源系統(tǒng)中對(duì)特定諧波電流濾除的目的。

    3 有源濾波器的補(bǔ)償策略

    3.1 補(bǔ)償策略的提出

    有源濾波器補(bǔ)償電源系統(tǒng)的諧波和無功電流，主要有以下3種工作方式。

    3.1.1 單獨(dú)補(bǔ)償諧波電流

    (1) 諧波電流單次補(bǔ)償

    有源濾波器通過設(shè)置參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)某次諧波電流進(jìn)行單獨(dú)補(bǔ)償，如果裝置在未達(dá)到限流補(bǔ)償運(yùn)行時(shí)，所選擇的諧波能夠被完全補(bǔ)償。否則，有源濾波器工作在限流補(bǔ)償輸出狀態(tài)，此時(shí)該次諧波為原來的kj倍，即電源系統(tǒng)中該次諧波不能夠被完全補(bǔ)償。而kj=IAPF-ms/Ihj-ms，IAPF-ms為有源濾波器的輸出電流有效值，Ihj-ms為第j次諧波電流的有效值，kj隨著該次諧波含量的多少而不斷變化。因此，在有源濾波器工作過程中，系統(tǒng)將通過循環(huán)計(jì)算對(duì)其不斷更新。

    (2) 諧波電流的部分補(bǔ)償

    有源濾波器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)（2~25）次諧波內(nèi)的任意多次諧波同時(shí)補(bǔ)償，以方便對(duì)電源中的多次諧波電流進(jìn)行針對(duì)性補(bǔ)償，滿足不同工況的實(shí)際需求。在諧波次數(shù)選擇時(shí)，所選擇的諧波電流次數(shù)將按照優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序，先選擇的補(bǔ)償諧波次數(shù)優(yōu)先級(jí)高，后者次之，依此類推。如果有源濾波器能夠滿足所選需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流，則將全部補(bǔ)償所選擇的諧波電流。否則，有源濾波器在補(bǔ)償時(shí)必須工作在限流補(bǔ)償輸出狀態(tài)，不能完全補(bǔ)償所選擇的諧波電流，對(duì)其補(bǔ)償次數(shù)及補(bǔ)償電流大小有兩種選擇策略。

    ① 當(dāng)諧波電流次數(shù)補(bǔ)償優(yōu)先級(jí)功能開啟時(shí)，有源濾波器首先補(bǔ)償優(yōu)先級(jí)高的諧波電流。該電流完全補(bǔ)償后，如果有源濾波器還未達(dá)到其限流輸出，有源濾波器再依次補(bǔ)償優(yōu)先級(jí)較低的諧波電流，最終使有源濾波器的輸出達(dá)到限流補(bǔ)償狀態(tài)。

    ② 當(dāng)諧波電流次數(shù)補(bǔ)償優(yōu)先級(jí)功能關(guān)閉時(shí)，有源濾波器補(bǔ)償所選擇次數(shù)的諧波沒有先后之分。將所有選擇的諧波電流乘以一個(gè)小于1的比例系數(shù)，保持有源濾波器工作在限流補(bǔ)償狀態(tài)，因此所選的諧波不能被完全補(bǔ)償。

    (3)諧波電流的全部補(bǔ)償

    諧波電流全部補(bǔ)償，相當(dāng)于在諧波電流部分補(bǔ)償時(shí)，將所有能夠補(bǔ)償?shù)闹C波電流全部選中。在該補(bǔ)償狀態(tài)下，如果將優(yōu)先級(jí)功能打開，首先必須認(rèn)為將所有次數(shù)諧波按照補(bǔ)償優(yōu)先級(jí)別高低進(jìn)行分類。而后，有源濾波器根據(jù)諧波補(bǔ)償次數(shù)的優(yōu)先級(jí)別，首先補(bǔ)償優(yōu)先級(jí)較高的諧波電流，而后再補(bǔ)償優(yōu)先級(jí)次之的諧波電流，直到有源濾波器達(dá)到設(shè)定的限流輸出值。因此，在工業(yè)化應(yīng)用過程中，可以實(shí)現(xiàn)將有限的輸出功率補(bǔ)償用戶需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流，以便用戶在有源濾波器的諧波電流補(bǔ)償功能與線路中其它設(shè)備補(bǔ)償功能之間得到更好的匹配。

    3.1.2 單獨(dú)補(bǔ)償無功電流

    有源濾波器補(bǔ)償獨(dú)立電源系統(tǒng)中的無功電流，當(dāng)有源濾波器設(shè)定的限流輸出值大于需要補(bǔ)償?shù)臒o功電流時(shí)，電源中的無功電流能夠被完全補(bǔ)償。當(dāng)有源濾波器設(shè)定的限流輸出值不能滿足全部無功功率補(bǔ)償時(shí)，需要將無功電流乘以比例系數(shù)kq再進(jìn)行補(bǔ)償。此時(shí)，有源濾波器處理單元根據(jù)提取出無功電流不斷計(jì)算比例系數(shù)kq，并在補(bǔ)償過程中實(shí)時(shí)更新。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 

(4)

    式中：Iout-q表示有源濾波器單獨(dú)補(bǔ)償無功時(shí)的輸出補(bǔ)償電流；Iq為非線性負(fù)載中的無功電流；Iq-ms為非線性負(fù)載中無功電流的有效值；k為有源濾波器額定補(bǔ)償功率百分比；IAPF為有源濾波器額定補(bǔ)償電流有效值。

    3.1.3 諧波和無功電流同時(shí)補(bǔ)償

    獨(dú)立電源系統(tǒng)有源濾波器，在諧波和無功電流同時(shí)補(bǔ)償時(shí)有3種策略可以選擇：諧波補(bǔ)償優(yōu)先、無功補(bǔ)償優(yōu)先和二者優(yōu)先級(jí)相同。諧波補(bǔ)償優(yōu)先時(shí)，首先優(yōu)先補(bǔ)償電源系統(tǒng)中的諧波電流，當(dāng)補(bǔ)償需要的諧波電流后，如果有源濾波器還未達(dá)到限流補(bǔ)償狀態(tài)，即有源濾波器還有一定剩余的補(bǔ)償容量，將其用于補(bǔ)償系統(tǒng)的無功功率。無功補(bǔ)償優(yōu)先時(shí)，即當(dāng)有源濾波器在補(bǔ)償過程中，其補(bǔ)償功率首先用于電源系統(tǒng)的無功電流補(bǔ)償，而后，如果補(bǔ)償系統(tǒng)還有剩余的補(bǔ)償容量，則補(bǔ)償電源系統(tǒng)中的諧波電流。諧波補(bǔ)償和無功補(bǔ)償優(yōu)先級(jí)相同時(shí)，當(dāng)有源濾波器的補(bǔ)償容量滿足二者全部補(bǔ)償時(shí)，直接將二者同時(shí)輸出補(bǔ)償即可。否則，電源中的諧波和無功電流不能得到全部補(bǔ)償，補(bǔ)償電流需要乘以比例系數(shù)后再注入電網(wǎng)。

    3.2 新型策略的補(bǔ)償性能分析

    針對(duì)該新型補(bǔ)償策略的補(bǔ)償性能，現(xiàn)以補(bǔ)償電源中的諧波電流為例加以說明。如果電源系統(tǒng)接入非線性負(fù)載后，電源電流為380A，電源的總諧波電流畸變率THDi=32%。計(jì)算得出負(fù)載電流中的基波電流為362A，統(tǒng)計(jì)（2~25）次諧波內(nèi)的諧波電流，其中5次、7次、11次、13次、17次諧波含量較大，其電流畸變率及諧波電流值如表1所示。

    表1 非線性負(fù)載電流、畸變率及其各次諧波含量

    如果設(shè)置諧波電流全部補(bǔ)償，則需要有源濾波器的補(bǔ)償電流為116A。由于有源濾波器的補(bǔ)償能力僅為100A，諧波電流不能被全部補(bǔ)償。對(duì)該表中所列次數(shù)的諧波電流進(jìn)行分次補(bǔ)償，且各次諧波電流之間沒有優(yōu)先級(jí)。補(bǔ)償電流為其實(shí)際需求的90.7%，各次諧波電流的補(bǔ)償電流、剩余電流及其諧波百分含量如表2所示。

    表2 無優(yōu)先級(jí)時(shí)，所選次數(shù)的諧波全部補(bǔ)償電流及補(bǔ)償后其各次諧波含量

    由表2可知，經(jīng)過無優(yōu)先級(jí)的補(bǔ)償后，仍有部分次諧波電流超過國家標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)假設(shè)優(yōu)先級(jí)順序按照表2中由前至后，5次諧波電流優(yōu)先級(jí)最高，17次優(yōu)先級(jí)最低。利用本文提出的方法經(jīng)過補(bǔ)償后得到結(jié)果如表3所示。

    表3 通過優(yōu)先級(jí)算法后，需要補(bǔ)償諧波電流的補(bǔ)償效果表

    比較表2和表3可知，固定補(bǔ)償容量的有源濾波器通過優(yōu)先級(jí)補(bǔ)償算法后，各次諧波電流得到了有效的補(bǔ)償，且均達(dá)到了規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，使得有源濾波器有效的補(bǔ)償電流容量，在需要補(bǔ)償?shù)母鞔沃C波電流中得到了更好的分配和合理的利用。同時(shí)，也方便用戶實(shí)現(xiàn)對(duì)固定次諧波電流的有效濾除功能。同樣，在單獨(dú)補(bǔ)償無功電流以及諧波和無功電流同時(shí)補(bǔ)償時(shí)，本文提出的補(bǔ)償策略均發(fā)揮了較好的補(bǔ)償效果。

    3.3補(bǔ)償策略的軟件實(shí)現(xiàn) 

    有源濾波器的補(bǔ)償策略軟件控制部分通過DSP實(shí)現(xiàn)，其補(bǔ)償策略的選擇框圖如圖2所示。由圖中可以得知，針對(duì)不同的應(yīng)用場合，有源濾波器選擇不同的補(bǔ)償策略，不但能夠很好地滿足實(shí)際工況的需求，并可提高有源濾波器的補(bǔ)償效益。 

    圖2 有源濾波器的補(bǔ)償策略框圖 

    針對(duì)有源濾波器工作在諧波和無功電流同時(shí)補(bǔ)償時(shí)，其系統(tǒng)的軟件流程框圖如圖3所示。 

    圖3 有源濾波器的軟件流程框圖

    4補(bǔ)償策略的實(shí)際工程應(yīng)用

    針對(duì)海上石油鉆井平臺(tái)用獨(dú)立電源系統(tǒng)，研制了三相三線制有源濾波器。該有源濾波器的額定電壓為400V，額定補(bǔ)償電流為300A。裝置既可以單獨(dú)補(bǔ)償諧波電流或無功電流，也可以將二者同時(shí)補(bǔ)償，APF的外觀及其控制板照片如圖4(a)和(b)所示。 

      (a)                         (b)

    圖4 有源濾波器的外觀照片及控制板圖

    利用上述裝置對(duì)獨(dú)立電源系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，并用電能質(zhì)量分析儀記錄得到的結(jié)果如圖5所示。 

    圖5 電源側(cè)電流補(bǔ)償前后波形及諧波柱狀圖

    由圖5可知，APF運(yùn)行前電源系統(tǒng)中的電流波形近似為方波，含有大量的5次、7次、11次、13次等諧波電流，畸變率THDi=24.5%。APF補(bǔ)償后，電源的電流近似成正弦波形，畸變率降低為THDi=3.3%，此時(shí)有源濾波器的諧波電流補(bǔ)償率為86.5%，系統(tǒng)補(bǔ)償性能良好。

    有源濾波器運(yùn)行前后，電源系統(tǒng)的功率和電能補(bǔ)償效果如圖6(a)和(b)所示。 

(a)                          (b)

    圖6 有源濾波器補(bǔ)償前后，系統(tǒng)的功率和電能圖 

    APF運(yùn)行前，電源的功率因數(shù)為0.76；APF投入運(yùn)行后，電源側(cè)的功率因數(shù)達(dá)到了0.95。因此，對(duì)于系統(tǒng)的無功電流補(bǔ)償，有源濾波器性能良好。

    5  結(jié)束語

    本文根據(jù)獨(dú)立電源系統(tǒng)實(shí)際工程的需要，研究了三相三線制有源濾波器諧波和無功電流的補(bǔ)償策略。根據(jù)有源濾波器的不同補(bǔ)償需求，在有源濾波器工作在單獨(dú)補(bǔ)償諧波和無功電流以及二者同時(shí)補(bǔ)償條件下，提出了不同的補(bǔ)償策略。該策略通過比較計(jì)算，說明具有較好的優(yōu)勢(shì)，不但能夠滿足不同工況的需求，也提高了有源濾波器的補(bǔ)償效益。該策略在實(shí)際200kVA有源濾波器裝置上運(yùn)行效果良好，同時(shí)也為其它類型的有源濾波器補(bǔ)償策略提供一定的參考價(jià)值。