1 引言
獨立電源系統是一個由負載和獨立供電電源組成的獨立可控系統，向當地提供電能，彌補了大電網供電不足，得到了廣泛的使用[1-2]。獨立電源的發(fā)電系統通常由柴油機等發(fā)動機作為原動機拖動發(fā)電機組成，并通過輸出電纜將電能輸送到各個用電設備。由于獨立電源的參數有限、容量有限，電源中使用的大量由電力電子器件構成的非線性負載，很容易造成電源電壓波形的嚴重畸變，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中濾除諧波和無功電流的一種重要手段，受到了廣泛的關注和研究。
獨立電源系統供電電流由于受非線性負載變化的影響非常敏感，含有大量的諧波和無功電流。有源濾波器在補償過程中由于受到裝置補償容量的限制，很可能無法滿足電源系統的補償需求，發(fā)生過流現象而無法投入使用。因此，對于有限容量的有源濾波器裝置，如何使其補償性能免受電源系統的影響，采用合理的補償策略發(fā)揮其最大補償能力，則是有源濾波器工程化過程中要研究解決的關鍵問題。文獻[3]提出了利用截斷限流的方法，使有源濾波器工作在最大補償電流狀態(tài)，但是沒有對諧波和無功電流的協調進行研究；文獻[4]提出了針對特定次諧波檢測方法，并研究了補償方法，但沒有提出有關的補償策略。本文提出了針對不同工況的補償需求，選擇不同的補償策略，使有源濾波器能夠發(fā)揮最大的補償效益。通過實際工程化樣機進行驗證，說明該方法是正確且有效的。
2 有源濾波器的補償原理
有源濾波器的補償原理，是補償裝置APF主動向電源中注入與所需補償電流的幅值相等、相位相反的電流，使電源為非線性負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 有源濾波器的補償原理框圖
圖1中有源濾波器控制部分，通過算法從負載側電流中提取出諧波電流和無功電流，根據補償需求，確定系統的補償指令信號，調節(jié)監(jiān)控單元依據指令信號和輸出電流的反饋信號產生變化的驅動脈沖，調節(jié)IGBT逆變單元主動向電源中注入補償電流，濾除電源中諧波電流和無功電流。圖中：i1表示電源側電流；i2表示非線性負載側電流；i3表示有源濾波器的補償電流，具有以下關系
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：當有源濾波器的輸出電流i3=i2h時，補償諧波電流，電源為負載提供基波電流；當有源濾波器的輸出電流i3= i2bq時，補償無功電流，電源為負載提供基波有功電流和諧波電流；當有源濾波器的輸出電流i3=i2h+i2bq時，同時補償諧波電流和無功電流，電源為負載僅提供基波有功電流。有源濾波器可以實現諧波和無功電流的單獨補償，也可以對二者同時補償。在補償電源系統中的諧波電流時，既可以補償全部的諧波電流，也可以補償某次或某幾次的諧波電流，以達到電源系統中對特定諧波電流濾除的目的。
3 有源濾波器的補償策略
3.1 補償策略的提出
有源濾波器補償電源系統的諧波和無功電流，主要有以下3種工作方式。
3.1.1 單獨補償諧波電流
(1) 諧波電流單次補償
有源濾波器通過設置參數可以實現針對某次諧波電流進行單獨補償，如果裝置在未達到限流補償運行時，所選擇的諧波能夠被完全補償。否則，有源濾波器工作在限流補償輸出狀態(tài)，此時該次諧波為原來的kj倍，即電源系統中該次諧波不能夠被完全補償。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，系統將通過循環(huán)計算對其不斷更新。
(2) 諧波電流的部分補償
有源濾波器可以實現對（2~25）次諧波內的任意多次諧波同時補償，以方便對電源中的多次諧波電流進行針對性補償，滿足不同工況的實際需求。在諧波次數選擇時，所選擇的諧波電流次數將按照優(yōu)先級進行排序，先選擇的補償諧波次數優(yōu)先級高，后者次之，依此類推。如果有源濾波器能夠滿足所選需要補償的諧波電流，則將全部補償所選擇的諧波電流。否則，有源濾波器在補償時必須工作在限流補償輸出狀態(tài)，不能完全補償所選擇的諧波電流，對其補償次數及補償電流大小有兩種選擇策略。
① 當諧波電流次數補償優(yōu)先級功能開啟時，有源濾波器首先補償優(yōu)先級高的諧波電流。該電流完全補償后，如果有源濾波器還未達到其限流輸出，有源濾波器再依次補償優(yōu)先級較低的諧波電流，最終使有源濾波器的輸出達到限流補償狀態(tài)。
② 當諧波電流次數補償優(yōu)先級功能關閉時，有源濾波器補償所選擇次數的諧波沒有先后之分。將所有選擇的諧波電流乘以一個小于1的比例系數，保持有源濾波器工作在限流補償狀態(tài)，因此所選的諧波不能被完全補償。
(3)諧波電流的全部補償
諧波電流全部補償，相當于在諧波電流部分補償時，將所有能夠補償的諧波電流全部選中。在該補償狀態(tài)下，如果將優(yōu)先級功能打開，首先必須認為將所有次數諧波按照補償優(yōu)先級別高低進行分類。而后，有源濾波器根據諧波補償次數的優(yōu)先級別，首先補償優(yōu)先級較高的諧波電流，而后再補償優(yōu)先級次之的諧波電流，直到有源濾波器達到設定的限流輸出值。因此，在工業(yè)化應用過程中，可以實現將有限的輸出功率補償用戶需要補償的諧波電流，以便用戶在有源濾波器的諧波電流補償功能與線路中其它設備補償功能之間得到更好的匹配。
3.1.2 單獨補償無功電流
有源濾波器補償獨立電源系統中的無功電流，當有源濾波器設定的限流輸出值大于需要補償的無功電流時，電源中的無功電流能夠被完全補償。當有源濾波器設定的限流輸出值不能滿足全部無功功率補償時，需要將無功電流乘以比例系數kq再進行補償。此時，有源濾波器處理單元根據提取出無功電流不斷計算比例系數kq，并在補償過程中實時更新。其數學表達式為：
(4)
式中：Iout-q表示有源濾波器單獨補償無功時的輸出補償電流；Iq為非線性負載中的無功電流；Iq-ms為非線性負載中無功電流的有效值；k為有源濾波器額定補償功率百分比；IAPF為有源濾波器額定補償電流有效值。
3.1.3 諧波和無功電流同時補償
獨立電源系統有源濾波器，在諧波和無功電流同時補償時有3種策略可以選擇：諧波補償優(yōu)先、無功補償優(yōu)先和二者優(yōu)先級相同。諧波補償優(yōu)先時，首先優(yōu)先補償電源系統中的諧波電流，當補償需要的諧波電流后，如果有源濾波器還未達到限流補償狀態(tài)，即有源濾波器還有一定剩余的補償容量，將其用于補償系統的無功功率。無功補償優(yōu)先時，即當有源濾波器在補償過程中，其補償功率首先用于電源系統的無功電流補償，而后，如果補償系統還有剩余的補償容量，則補償電源系統中的諧波電流。諧波補償和無功補償優(yōu)先級相同時，當有源濾波器的補償容量滿足二者全部補償時，直接將二者同時輸出補償即可。否則，電源中的諧波和無功電流不能得到全部補償，補償電流需要乘以比例系數后再注入電網。
3.2 新型策略的補償性能分析
針對該新型補償策略的補償性能，現以補償電源中的諧波電流為例加以說明。如果電源系統接入非線性負載后，電源電流為380A，電源的總諧波電流畸變率THDi=32%。計算得出負載電流中的基波電流為362A，統計（2~25）次諧波內的諧波電流，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 非線性負載電流、畸變率及其各次諧波含量
如果設置諧波電流全部補償，則需要有源濾波器的補償電流為116A。由于有源濾波器的補償能力僅為100A，諧波電流不能被全部補償。對該表中所列次數的諧波電流進行分次補償，且各次諧波電流之間沒有優(yōu)先級。補償電流為其實際需求的90.7%，各次諧波電流的補償電流、剩余電流及其諧波百分含量如表2所示。
表2 無優(yōu)先級時，所選次數的諧波全部補償電流及補償后其各次諧波含量
由表2可知，經過無優(yōu)先級的補償后，仍有部分次諧波電流超過國家標準。當假設優(yōu)先級順序按照表2中由前至后，5次諧波電流優(yōu)先級最高，17次優(yōu)先級最低。利用本文提出的方法經過補償后得到結果如表3所示。
表3 通過優(yōu)先級算法后，需要補償諧波電流的補償效果表
比較表2和表3可知，固定補償容量的有源濾波器通過優(yōu)先級補償算法后，各次諧波電流得到了有效的補償，且均達到了規(guī)定標準，使得有源濾波器有效的補償電流容量，在需要補償的各次諧波電流中得到了更好的分配和合理的利用。同時，也方便用戶實現對固定次諧波電流的有效濾除功能。同樣，在單獨補償無功電流以及諧波和無功電流同時補償時，本文提出的補償策略均發(fā)揮了較好的補償效果。
3.3補償策略的軟件實現
有源濾波器的補償策略軟件控制部分通過DSP實現，其補償策略的選擇框圖如圖2所示。由圖中可以得知，針對不同的應用場合，有源濾波器選擇不同的補償策略，不但能夠很好地滿足實際工況的需求，并可提高有源濾波器的補償效益。
圖2 有源濾波器的補償策略框圖
針對有源濾波器工作在諧波和無功電流同時補償時，其系統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補償策略的實際工程應用
針對海上石油鉆井平臺用獨立電源系統，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，額定補償電流為300A。裝置既可以單獨補償諧波電流或無功電流，也可以將二者同時補償，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
利用上述裝置對獨立電源系統進行補償，并用電能質量分析儀記錄得到的結果如圖5所示。
圖5 電源側電流補償前后波形及諧波柱狀圖
由圖5可知，APF運行前電源系統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%，此時有源濾波器的諧波電流補償率為86.5%，系統補償性能良好。
有源濾波器運行前后，電源系統的功率和電能補償效果如圖6(a)和(b)所示。
(a) (b)
圖6 有源濾波器補償前后，系統的功率和電能圖
APF運行前，電源的功率因數為0.76；APF投入運行后，電源側的功率因數達到了0.95。因此，對于系統的無功電流補償，有源濾波器性能良好。
5 結束語
本文根據獨立電源系統實際工程的需要，研究了三相三線制有源濾波器諧波和無功電流的補償策略。根據有源濾波器的不同補償需求，在有源濾波器工作在單獨補償諧波和無功電流以及二者同時補償條件下，提出了不同的補償策略。該策略通過比較計算，說明具有較好的優(yōu)勢，不但能夠滿足不同工況的需求，也提高了有源濾波器的補償效益。該策略在實際200kVA有源濾波器裝置上運行效果良好，同時也為其它類型的有源濾波器補償策略提供一定的參考價值。