有源电力滤波器的原理与应用

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：为了解决这些问题，专家学者们做了许多研究和探讨，其中最有代表意义的是有源电力滤波器。例如，作为教育部电能质量工程研究中心的上海宝钢安大电能质量有限公司成功研制了PQFA低压有源电力滤波器。这些企业和院校对有源电力滤波器的理论研究和产品研发，有的已经接近或者达到了国际一流水平。图3-2所示为最基本的有源电力滤波器系统构成的原理图。有源电力滤波器由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。

传统的LC无源滤波器对电网谐波的治理存在的诸多缺陷。为了解决这些问题，专家学者们做了许多研究和探讨，其中最有代表意义的是有源电力滤波器。有源滤波器作为一种改善电能品质的手段，与传统的LC结构无源滤波器相比有诸多优势^[90]。APF是一种主动的、动态的、灵活的谐波治理手段，能否达到预期的效果在很大程度上取决于其控制器的性能。

20世纪70年代早期，日本的研究学者提出了有源电力滤波器的概念。美国西屋电气公司于1976年提出利用大功率晶闸管组成PWM逆变器构成“有源电力滤波器”来消除谐波（见图3-1），并且其基本原理和电路结构已经确定，但由于受到当时半导体器件工艺水平等的限制，有源滤波器的发展有所停滞，一直处于试验阶段。经过近10年的发展，随着大功率电力半导体器件的持续发展和脉宽调制技术的不断成熟，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法的提出，有源滤波器得到了广泛的使用。世界上第一台APF于1982年在日本研制成功且正式投入使用，经过30多年的不断研究和改进，APF的各种技术都趋于成熟，更多的APF投入了使用，较之以前其功率提高、功能更加全面。世界上已经投入使用的APF功率从50kV·A到60MV·A，功率容量越来越大，APF功能从无功、谐波补偿到电压调节和抑制闪变，应用越来越丰富。目前，有源滤波器已用在改善电能质量、抑制电力系统中电压电流波动、改善相电压平衡以及谐波补偿消除和无功功率补偿等问题上。

图3-1 并联型有源滤波器结构

我国对有源滤波器的研究起步较晚，开始于20世纪80年代末，于90年代中期全面兴起，从那时起，我国对APF的研究全面展开，包括谐波电流检测、拓扑结构研究、系统数学建模、电路控制方法等都进行了深入的研究，并研制成功了一些产品。例如，我国已经投入使用且通过鉴定的由冶金科学院和北京电力科学研究院研制成功的三相380V/50kV·A有源电力滤波器。但目前我国的APF实际市场应用远少于日、美、欧等西方发达国家。进入21世纪，我国的APF研究和市场应用持续升温，开始出现成系列的产品。例如，作为教育部电能质量工程研究中心的上海宝钢安大电能质量有限公司成功研制了PQFA低压有源电力滤波器。同时，上海、北京、河北、广东等科技公司也都积极研制生产了一大批有源滤波器产品。另外，国内的很多高等院校，如西安交通大学、清华大学等，也都对APF进行了深入的研究，开发出了不少产品。这些企业和院校对有源电力滤波器的理论研究和产品研发，有的已经接近或者达到了国际一流水平。目前，有源滤波器的研究关键是进一步提高其谐波检测的精度和控制效果、进一步提升其在生产实践各个方面中的实际应用水平，促进研究成果的转化和实际应用能力的提高。

这里以并联电压型有源滤波器为例，具体介绍一下有源滤波器的工作原理。并联电压型有源滤波器的优点是：通过不同的控制措施，能够对无功、谐波、不对称分量等进行有效补偿，补偿的功能较多，且使用方便，补偿的效果相当稳定，补偿特性受电源阻抗的影响可以忽略。不过这种形式也有一定的缺点：由于电网电压直接加在逆变桥上，对有源滤波器电路中开关器件的耐压等级要求较高，且由于其全部承担负载的谐波补偿，故要求功率容量较大，补偿频带较宽。

图3-2所示为最基本的有源电力滤波器系统构成的原理图。图中，U_s为交流电电势；i_s为交流电源电流，非线性负载为谐波源，它降低了系统功率因数，产生谐波；i_L为负载电流；i_c为补偿电流；i_c^∗为补偿电流的指令信号。有源电力滤波器由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中，指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波分量；补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号产生实际的补偿电流，主要由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分构成。

图3-2 并联型有源电力滤波器的原理框图

以图3-2所示并联型有源电力滤波器为例，有源电力滤波器的基本工作原理是，检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号i_c^∗，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流i_c，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。

当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象负载电流i_L的谐波分量i_lh，将其反极性后作为补偿电流的指令信号i_c^∗，由补偿电流发生电路产生的补偿电流i_c即与负载电流中的谐波分量i_lh大小相等、方向相反。因而两者互相抵消，使得电源电流i_s中只含基波，不含谐波，这样就达到了抑制电源电流中谐波的目的。

按照不同的划分标准，有源滤波器有多种分类方法。根据被补偿的电力系统是交流还是直流，有源滤波器可分为交流有源滤波器和直流有源滤波器。根据接入电网的方式，有源滤波器可以分为三大类：并联型、串联型和串—并联型。当前，有源滤波器的研究和应用主要为交流有源滤波器，直流有源滤波器的研究和应用也有所展开，较典型的是在高压直流输电系统中的应用。图3-3给出了有源滤波器的基本分类。

根据逆变电流储能元件的小同，有源滤波器可分为电流型和电压型两种。电压型滤波装置效率高，初期投资小，可任意并联扩容，易于单机小型化，经济，适用于电网谐波补偿。目前的实用装置90%以上为电压型，技术相对成熟、完善。电流型滤波装置作为非正弦电流源来满足非线性负载的谐波电流要求，其结构简单，性能可靠，但损耗较大，不适用大容量系统。

从与电网的连接方式看，有源滤波器可分为并联型、串联型和串并联混合型，以及统一电能质量调节器。图3-4a所示为并联型APF，它是最基本的方式。由于并联型APF并联接入电网，相当于一个受控电流源，可消除负载引起的谐波电流，也可补偿无功和平衡三相电流。优点是只流过补偿电流和小部分基波有功电流。另外，并联型APF可以并联使用以提供更大的电流。但由于APF是和被补偿的谐波负载并联在电网上，需承受电网基波电压，这使其容量很大。而构成APF主电路的PWM逆变器的容量和动态性能成反比，很难使APF在具有很大容量的同时还具有良好的动态特性和较低的开关频率。

串联型APF如图3-4b所示，它的逆变器主电路不需要电流控制电路。APF通过变压器串联在电网和负载之间，相当于一个受控电压源。其主要用于消除带电容二极管整流电路等电压型谐波源负载对系统的影响，以及系统侧电压谐波和电压波动对敏感负载的影响。串联型APF的主要优点是能补偿电网谐波电压和三相不平衡电压，对电压敏感性负载尤为适用。但与并联有源滤波器相比，主要缺点是流过很高的负载电流，使变压器的额定参数上升，体积变大，损耗大。此外，串联型APF投切、故障后的退出及各种保护也较为复杂。目前应用装置中，并联型占了大多数。

虽然APF能实现大容量和低功耗以及多功能，但由于受开关器件的限制，容量的增大往往有限，且造价随之增大。而无源滤波器具有结构简单、造价低等特点，人们便提出各种APF和无源滤波器相结合的混合型APF来减少APF的容量，提高装置的经济性。无源滤波器和串联型有源滤波器也可混合使用，如图3-4c所示。图3-4d和图3-4e所示分别为并联APF和无源滤波器混合并联以及混合串联的使用情况。

另外，为了充分发挥并联有源滤波器和串联有源滤波器各自的优点，可以将二者组合起来使用，这就是统一电能质量调节器的基本结构，如图3-4f所示。串联有源滤波器通过变压器接入主电路中，具有谐波隔离、电压调节以及电压闪变、不平衡补偿等作用，其变压器容量取决于电压调节范围，容量很小。并联有源滤波器直接与主电路相连，起谐波和负序电流消除、无功电流补偿和直流母线电压调节作用。这种结构虽然功率开关器件较多，但开关应力小，容量不大。两个有源滤波器都采用电压型逆变结构，共用直流平波电容器，损耗低，效率高；系统输入和输出波形畸变小；电压调节动态响应时间短，范围广，精度高；能适用于各种负载，能抑制系统中三相电压不平衡。

图3-3 有源电力滤波器的分类

图3-4 有源电力滤波器的各种拓扑结构

有源电力滤波器的原理与应用

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