無(wú)源調(diào)諧濾波器仍是電力系統(tǒng)中抑制負(fù)荷諧波的設(shè)備，但是濾波器元件參數(shù)變化所引起的失諧將導(dǎo)致濾波性能嚴(yán)重下降。

　　針對(duì)LC無(wú)源濾波器的失諧問(wèn)題，許多文獻(xiàn)提出了能夠自動(dòng)跟蹤參數(shù)變化的自動(dòng)調(diào)諧濾波器。

　　但是，那些方案只適用于單調(diào)諧濾波器，一條LC濾波支路只能解決單次諧波的抑制問(wèn)題，要解決多次諧波，需要多條濾波支路的并聯(lián)，這樣無(wú)疑增大了濾波器的容量、占地面積及成本。本文提出一種新型多調(diào)諧濾波器，借助于一個(gè)有源調(diào)諧電抗器，在一條LC濾波支路上實(shí)現(xiàn)了多次諧波的調(diào)諧抑制，并具有自動(dòng)消除失諧的功能。

　　1 有源調(diào)諧電抗器

　　如圖1所示，有源電抗器由兩個(gè)耦合繞組（主繞組與補(bǔ)償繞組）和一個(gè)可控電流源組成，主繞組A-X就是一個(gè)由等值電感可調(diào)的電抗器與濾波電容器串聯(lián)形成的調(diào)諧濾波器，補(bǔ)償繞組a-x作為電感調(diào)節(jié)的手段。

　　作為濾波器的主要元件，有源電抗器的主繞組中會(huì)流過(guò)各次諧波電流。利用諧波電流提取單元，從主繞組電流中提取出一種或多種諧波分量，經(jīng)過(guò)調(diào)整放大形成補(bǔ)償電流并注入到補(bǔ)償繞組中，這樣就可以調(diào)節(jié)有源電抗器在這些諧波頻率下的等值電感。

　　有源電抗器的諧波電感特性可用主繞組的端口伏安特性方程來(lái)表示：

　　式中：L0為主繞組的自感；M為繞組間的互感。

　　設(shè)有源電抗器主回路電流為：

　　式中：h為諧波次數(shù)（h≥2）；i1和ih分別為基波電流分量和h次諧波電流分量：

　　通過(guò)控制電流源，使注入到補(bǔ)償繞組的補(bǔ)償電流為：

　　式中：H為擬補(bǔ)償諧波次數(shù)的集合；kh為h次諧波電流補(bǔ)償系數(shù)。那么，有源電抗器的端電壓為：

　　于是，有源電抗器在擬補(bǔ)償?shù)膆次諧波下的等值電感為：

　　式（4）表明，諧波等值電感取決于諧波電流補(bǔ)償系數(shù)kh的大小和正負(fù)。

　　為測(cè)取補(bǔ)償電流對(duì)主繞組電感的調(diào)節(jié)作用，在主繞組中注入恒定的工頻正弦電流，在補(bǔ)償繞組中施加不同幅值但與主繞組電流同相或反相的工頻補(bǔ)償電流，測(cè)量并記錄補(bǔ)償電流和主繞組電壓，可以求得主繞組等值電感與補(bǔ)償電流的變化關(guān)系。圖2為實(shí)驗(yàn)電抗器的工頻等值電感與補(bǔ)償電流的關(guān)系。

　　2 多調(diào)諧濾波器的基本原理

　　利用有源電抗器的電感與頻率的可控非線性特性，可以在單個(gè)LC濾波器支路上實(shí)現(xiàn)多調(diào)諧濾波。

　　如圖3所示，在補(bǔ)償繞組中，調(diào)節(jié)5次諧波補(bǔ)償電流ic5的極性和大小，使得電感與電容在5次諧波頻率下發(fā)生諧振，同時(shí)調(diào)節(jié)7次諧波補(bǔ)償電流ic7的極性和大小，亦可使得電感與電容在7次諧波頻率下也同時(shí)發(fā)生諧振，從而實(shí)現(xiàn)雙調(diào)諧濾波。注入更多次諧波補(bǔ)償電流，則可實(shí)現(xiàn)更多次諧波的濾波功能。

　　3 自適應(yīng)多調(diào)諧濾波器的控制

　　自適應(yīng)調(diào)諧濾波器的目的在于自動(dòng)連續(xù)調(diào)節(jié)濾波電感，使得在電源頻率、濾波電容發(fā)生變化后能始終保持LC諧振于h次諧波頻率上，即濾波器的失諧度或失諧電抗為0：

　　式中：H為擬濾除諧波的諧波次數(shù)集合。若H中僅包含某單次諧波，則濾波器為自適應(yīng)單調(diào)諧濾波器；若H中包含多個(gè)諧波次數(shù)，則濾波器為自適應(yīng)多調(diào)諧濾波器。

　　由于完全諧振時(shí)，濾波器的失諧電抗為0,濾波器支路對(duì)該次諧波呈現(xiàn)純電阻，此時(shí)濾波器中該次諧波電流與母線諧波電壓同相位，濾波器的諧波阻抗角為0,因此式（5）等價(jià)于：

　　式中：φh為濾波器的h次諧波阻抗角，即濾波器中h次諧波的電壓分量與電流分量的相位差。

　　此外，在忽略濾波器濾波電阻的情況下，濾波器支路電抗為0,近似等同于濾波器母線上諧波電壓為0,即：

　　從理論上講，式（5）～式（7）所述的3種控制目標(biāo)是一致的，均可使濾波器裝設(shè)點(diǎn)的諧波電壓含量?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制目標(biāo)有關(guān)，或者說(shuō)與所采用的濾波器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)及其檢測(cè)方式有關(guān)。因此，具體采用何種控制目標(biāo)取決于該目標(biāo)參數(shù)對(duì)失諧的映射關(guān)系以及參數(shù)檢測(cè)的難易程度。

　　對(duì)于一個(gè)確定的濾波器，若失諧度（即等值頻率偏差δ）控制在一定范圍內(nèi)，則濾波器的失諧電抗與其失諧度近似成正比：

　　式中：q為濾波器的品質(zhì)因數(shù)；Rf為濾波電阻。由式（8）可得濾波器的諧波阻抗角與失諧度的關(guān)系：

　　式（9）表明，濾波器的失諧電抗和諧波阻抗角均能較好地反映濾波器的失諧程度，它們的極性反映了失諧的性質(zhì)，而其數(shù)值則反映了失諧的大小。由于相位的變化范圍是確定的，測(cè)定也比電抗容易，因此以消除失諧為目標(biāo)的控制系統(tǒng)宜采用相位控制策略。如圖4所示，實(shí)時(shí)檢測(cè)濾波器的諧波相位差，根據(jù)相位差的正負(fù)和大小自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償電流的極性和幅值，可使濾波器始終處于無(wú)失諧狀態(tài)。

　　在理想補(bǔ)償情況下，濾波器中諧波電流與母線諧波電壓同相位，由式（3）可知，諧波補(bǔ)償電流也應(yīng)與母線諧波電壓同相。以控制諧波電壓為目標(biāo)的自適應(yīng)調(diào)諧系統(tǒng)如圖5所示，以諧波電壓的波形作為補(bǔ)償電流的波形，補(bǔ)償電流的大小根據(jù)諧波電壓的幅值來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

　　如圖4和圖5所示，由于補(bǔ)償電流是一個(gè)與濾波器諧波電流或母線諧波電壓同相位的交流電流，控制系統(tǒng)采用了比率（諧波補(bǔ)償系數(shù)）控制方式。圖4和圖5給出了單次諧波的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)于多調(diào)諧濾波器而言，則需要多個(gè)獨(dú)立的單次諧波控制單元，總補(bǔ)償電流指令ic是各單次諧波控制單元輸出的補(bǔ)償電流之和。

　　4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

　　為了驗(yàn)證理論分析的正確性和控制策略的可行性，建立了一套自適應(yīng)多調(diào)諧濾波器的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。濾波器通過(guò)調(diào)壓變壓器接入到低壓電網(wǎng)中，濾波器母線電壓約為100V.實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的濾波電容為50μF,電抗器主繞組自感為8.5mH,補(bǔ)償繞組自感為3.0mH,電抗器互感為3.2mH.可控電流源采用帶電流反饋的功率放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用以控制諧波電壓為目標(biāo)的調(diào)諧控制策略，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1和圖6所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：當(dāng)濾波器自動(dòng)調(diào)諧于5次諧波時(shí)，補(bǔ)償電流主要為5次諧波分量，母線5次諧波電壓含量從調(diào)諧前的1.03%下降到調(diào)諧后的0.19%;當(dāng)濾波器自動(dòng)調(diào)諧于7次諧波時(shí)，補(bǔ)償電流主要為7次諧波分量，母線7次諧波電壓含量從調(diào)諧前的1.00%下降到調(diào)諧后的0.23%;當(dāng)濾波器同時(shí)自動(dòng)調(diào)諧于5次和7次諧波時(shí)，母線5次和7次諧波電壓同時(shí)得到大幅度衰減。

　　5 結(jié)論

　　基于有源電抗器的自適應(yīng)多調(diào)諧濾波器，可以在線連續(xù)調(diào)節(jié)諧振頻率，自動(dòng)適應(yīng)濾波器元件參數(shù)的變化，消除失諧，提高濾波效果。利用有源電抗器的電感頻率非線性可控特性，在單個(gè)LC串聯(lián)支路上實(shí)現(xiàn)了多調(diào)諧濾波，簡(jiǎn)化了調(diào)諧濾波器的主電路結(jié)構(gòu)，也避免了多個(gè)單調(diào)諧濾波器組合時(shí)的相互影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種單支路多調(diào)諧濾波器可以有選擇地抑制多次主要諧波分量。

　　對(duì)調(diào)諧濾波器而言，系統(tǒng)諧波阻抗特性和負(fù)載諧波特性（時(shí)變性、非整數(shù)次諧波、非特征諧波等）均會(huì)影響濾波器的濾波效果，甚至?xí)＜盀V波器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。如何利用自適應(yīng)多調(diào)諧濾波器的可調(diào)特性，優(yōu)化濾波器參數(shù)，改進(jìn)控制方法，提高濾波器的靈活性和安全可靠性，是今后進(jìn)一步研究的主要內(nèi)容。