有源电力滤波器

摘 要：介绍了有源电力滤波器基本工作原理及其容量定义,并对并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器优缺点进行比较,为合理选择有源电力滤波器提供了依据.

关 键 词：谐波；PWM变流器；有源电力滤波器APF

中图分类号：TB

文献标识码：A

文章编号：1672-3198（2012）04-0281-03

1概述

随着电力电子的发展,具有非线性特性的变流装置和大容量动态负载被广泛使用,电网中的谐波污染问题变得日益严重.目前,谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器（APF）.有源电力滤波器（APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置,它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿,其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点.

2有源电力滤波器的基本工作原理

图1所示为最基本的有源电力滤波器系统构成的原理图.图中,Es表示交流电源,负载为谐波源,它产生谐波并消耗无功.有源电力滤波器系统由两部分组成,即指令电流运算电路和补偿电流发生电路（电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分）.其中,指令电流运算电路的核心是检测出被补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量.补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出补偿电流的指令信号,产生实际的补偿电流.主电路均采用PWM变流器.

作为主电路的PWM变流器,在产生补偿电流时,主要作为逆变器工作.在电网向有源电力滤波器直流侧充电时,它作为整流器工作.也就是说,它既可以工作在逆变器状态,又可以工作在整流器状态,而这两种状态无法严格区分.

有源滤波器的基本工作原理：检测补偿对象的电压和电流,经指令电流运算单元计算得出补偿电流的指令电流信号,该信号经补偿电流发生电路放大,得出补偿电流,补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消,最终得到期望的电源电流.

有源电力滤波器的基本任务就是检测出电网电流中的无功分量和谐波分量,并通过PWM方式向电网注入反向的无功成分-iq（t）和反向的谐波成分in（t）,从而达到清除电网中的无功及谐波污染的目的.

3有源电力滤波器的容量定义

有源电力滤波器的容量由电网相数n、加在APF上的电压UA和补偿电流IC三个量决定,基本定义为：

加在APF上的电压UA由电网电压以及APF系统接入电网的方式决定,补偿电流IC的大小与APF系统接入电网的方式和补偿的目的都有关系.例如当有源电力滤波器单独使用时,仅补偿谐波电流时有Ic等于ILH,对于工业的三相桥式全控整流器负载,其ILH等于25%IL,所以此时APF的容量为被补偿对象的25%.若APF在补偿谐波的同时还要补偿无功功率,则有以下关系：

有源电力滤波器的容量SAPF与被补偿对象容量SL的比值为：

由此可见,当有源电力滤波器同时补偿谐波和无功时,要求的容量比只补偿谐波时要大,并且与三相桥的最大触发延迟角αMAX有关.

对于特定的电网或补偿对象,其容量是确定的,而APF容量越大,其成本也越高,如何既使补偿后的电网达到最佳状态又使需要的硬件成本最低是技术人员需要好好研究的问题,这就是对于特定的补偿对象要尽可能降低APF的容量的主要原因,解决的思路就是在补偿对象确定的前提下,如何降低APF承受的电压UA和需要APF提供的补偿电流Ic,具体实现的途径就是采用不同的拓扑结构和以不同方式与无源补偿装置混合使用.

4有源电力滤波器的拓扑结构

根据接入电网方式的不同,有源电力滤波器可以分成并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器两种,各自又依据其具体的结构、功能以及特性可以分为不同的类型,具体方式分类如图2.

图中,负载为产生谐波的谐波源,变流器和与其相连的电感、直流侧电容共同组成有源电力滤波器的主电路.与有源电力滤波器并联的小容量一阶高通滤波器,用于滤除有源电力滤波器所产生的补偿电流中开关频率附近的谐波.

优点：可用于补偿谐波、无功功率、三相不对称电流及供电电压的波动.

缺点：由于交流电源的基波电压直接施加到变流器上,且补偿电流基本由变流器提供,所以要求变流器具有较大容量.

适用场合：主要用于带感性负载的整流器负载.

（2）与LC滤波器混合使用方式.

与LC混合使用的方式可以分两种：一种是有源电力滤波器与LC滤波器并联,另一种是由原电力滤波器与LC滤波器串联.

图4中有源电力滤波器与LC滤波器均与负载谐波源并联接入电网中,两者共同来承担补偿谐波的任务,LC滤波器主要补偿较高次的谐波,是一个高通滤波器.它一方面用于消除补偿电流中因主电路中器件通断引起的谐波,另一方面可滤除补偿对象中较高次数的谐波,从而使得有源电力滤波器主电路中器件开关频率要求有所降低.这种方式中,由于LC滤波器只承担了少部分补偿谐波的任务,故对降低有源电力滤波器的容量起不到很明显的作用.但因为它对有源电力滤波器中器件的开关频率要求不高,故实现大容量相对容易.

图5中无源滤波器包括多组单调滤波器和高通滤波器,对于三相桥整流电路这样的谐波源,无源滤波器组成包括5、7、13次谐波器.对电网中产生的绝大多数谐波均由无源滤波器滤除,而有源电力滤波器只是起到补偿无源滤波器未能补偿的谐波.

优点：两种补偿方式：一种是有源电力滤波器APF补偿大部分谐波,而无源滤波器PF主要补偿较高次谐波,这样对APF主电路中器件的开关频率要求不高,实现大容量相对容易；另一种方式无源滤波器PF分担大部分谐波,而有源电力滤波器APF是为了改善整个系统的性能,这样所需容量与单独使用方式相比可大幅度降低.

缺点：电网与APF及APF与PF之间存在谐波通道,特别是APF与PF之间的谐波通道,可能使APF注入的谐波又流入PF及系统中.

适用场合：原来有无源滤波器的系统.

（3）注入电路方式的并联有源电力滤波器.

图6,图7两种方式是为了降低有源电力滤波器容量而提出的,我们知道有源电力滤波器的容量取决于其承受的电压和流过的电流.注入电路方式正是用电感和电容构成注入回路,利用电感电容电路的谐振特性,使得有源电力滤波器只需承受很小部分的基波电压,从而极大减小有源电力滤波器的容量.

图6中,C2-L在电源电压的基波频率处发生串联谐振,基波电压绝大部分降落在电容C1上.这样,有源电力滤波器只需承受其余的很小部分的基波电压.电容C1还可以起到无功补偿的作用.

图7中,在有源电力滤波器和电网之间串入在基波频率处谐振的L1-C回路,基波电压绝大部分加在该谐振电路上,有源电力滤波器与L2一样只承受其余很小部分的基波电压.该方式还有一个好处是只有很小的基波电流流过L1-C和L2.

在注入电路方式中,为了保证补偿电流流入电网与负载的连接处,需合理配置注入电路的几个电感电容的参数.此外,有源电力滤波器不能补偿基波无功功率.

4.2串联型有源电力滤波器

（1）单独使用的串联型有源电力滤波器.

图8中有源电力滤波器APF作为受控电压源工作.高通滤波器用于滤除有源滤波器中开关通断所产生的毛刺.

串联型有源电力滤波器与并联型有源电力滤波器不同,主要用于补偿可看作电压源的谐波源.针对这种谐波源,控制系统从电源电流中瞬时检测出其中的谐波电流,并控制PWM逆变器实时产生出与之成一定比例的谐波电压,从而达到使串联型有源电力滤波器对基波阻抗为零而对谐波呈现一定阻抗的目的.串联型与并联型可以看作是对偶关系.

适用场合：适用于电压源性质的谐波源.

（2）与LC滤波器混合使用方式.

图9这种方式是在并联的负载和LC滤波器与电源之间串入有源电力滤波器.特点是电网中谐波基本由LC滤波器补偿,而有源电力滤波器的作用是改善LC滤波器的滤波特性.可将有源电力滤波器看作一个可变阻抗,它对基波的阻抗为零,对谐波却呈现了高阻抗,阻止谐波电流流入电网,而迫使谐波电流流入LC滤波器.换言之,有源电力滤波器起到了谐波隔离的作用.这样还可以抑制电网阻抗对LC滤波器的影响,以及抑制电网与LC滤波器之间可能发生的谐振,从而极大的改善LC滤波器的性能.

系统中有源电力滤波器APF为一个电流控制电压源,由PWM控制产生与线路中谐波电流成正比的谐波电压.对谐波电流,串联APF可等效为一个电阻,其阻值即为放大倍数K,当K远远大于电网阻抗和无源滤波器等效阻抗时,串联APF强制将负载的谐波电流流入无源滤波器中,同时也阻止了电源的谐波电压串入负载侧,无源滤波器是负载谐波电流的唯一通道.对谐振频率处的谐波,无源滤波器呈极低阻抗.

优点：容量很小,投资较少,运行效率高.对大容量谐波源的补偿是较理想的方案.

缺点：对于电网中的闪变分量,不能实现隔绝；APF串联在电路中,绝缘比较困难,维修不方便.

适用场合：带有大容量谐波负载的电力系统.

5结束语

在抑制电网谐波中有源电力滤波器（APF）发挥着越来越重要的作用,正确分析电网中谐波源性质（电压源和电流源）,合理选择有源电力滤波器才能有效的抑制谐波.