有源滤波器工作原理

有源电力滤波器工作原理

摘要：随着电力电子器件的广泛应用，非线性负荷日益增加，电能质量问题日益严重，有源电力波器（Active Power Filter，APF）是一种用于动态抑制电力系统谐波，补偿无功功率的新型电力电子装置，本文介绍了有源电力滤波器的工作原理和基本类型，阐述了 APF 的谐波检测方法及控制策略，并展望了APF 的未来发展及应用前景。

关键词：APF；有源滤波；谐波抑制；检测方法；控制方法

Working principle of active power filter

Abstract:With the wide application of Power electronic devices, nonlinear load increasing, the Power quality problem is increasingly serious, Active Power Filter (Active Power Filter, APF) is a new Power electronic devices used for dynamic Power system harmonics, reactive Power compensation. This paper introduces the working principle of Active Power Filter and the basic types, expounds the harmonic detection method and control strategy of APF, and introduces the prospects for the future development and application of APF.

Key words: APF; the active filter; harmonic suppression; detection method; control method

1引言

近些年来，配电网中整流装置、变频调速装置、工业电源以及各种电力电子装置不断曾加，造成了负荷的非线性、不平衡性使得电力系统的电压、电流发生畸变，严重的影响了供电质量。因此，解决电力系统中谐波和无功问题，提高电网供电质量变得越来越成为我们不能忽的问题。

由于电力电子的发展，对供电质量提出更高的要求。而传统的谐波抑制和无功补偿主要是采用LC滤

波器，它由于结构简单、成本低、技术成熟广泛应用工业生产中。但由于自身也有一定的缺点，在应用中产生了诸多的问题。电力电子技术的发展，人们提出了有效抑制谐波和补偿无功的有源电力滤波器。与无源滤波器相比，APF 具有高度可控性和快速响应特性，并且能跟踪补偿各次谐波、自动产生所需变化的无功功率，其特性不受系统影响，无谐波放大威胁，是一种能够有效的抑制谐波和补偿无功功率的新型电力电子装置随着APF 在我国的不断推广应用，也带来了

巨大的经济利益和社会利益。

2 有源滤波器概述

2.1 有源滤波器工作原理

图1 是最基本的APF系统结构原理图，非线性

负载为谐波源，其中下面部分是APF。

图 1 APF 系统结构原理图

有系统结构图可以看出，APF 系统包含两大部分，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。目前主电路的拓扑结构均采用的PWM 变流器。图示的APF 的基本工作原理是：检测补偿对象的电压电流，经过指令电流运算环节计算得出补偿电流的指令信号，驱动控制回流根据指令信号产生PWM 脉冲作用于变流器的开关器件，使其产生与谐波和无功电流大小相同、方向相反的补偿电流，使电网电流波形趋于正弦波，达到补偿的目的。

2.2 APF 的分类

根据不同的分类标准，APF 可以分成很多的类型，介于目前主要采用直流侧接有大电容的电压型逆变器，APF 主要分成串联型和并联型以及与LC 无缘滤波混合使用的混合型。

（1） 串联型APF

图 2 是串联型 APF 结构图，串联型 APF 利用耦合变压器将 APF 串接与电路中，由于流过很高的负载电流，使得损耗较大，且其安装、投切、故障后的退出及各种保护电路也比较负载，在实际的应用中较少。

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图 2 串联型 APF 结构图

（2） 并联型 APF

图 3 是并联型 APF 结构图，与串联型相比是目前实际应用较广泛的一种结构，其补偿对象灵活，可以对谐波电流、无功、不平衡电流同时进行补偿。

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图3并联型 APF 结构图

（3）混合型APF

并联型APF 在实际应用十分广泛，但是，其单独使用时，APF 要承受基波电源电压，就要求逆变器容量较大，使得其成本增大。因此，为了降低成本，常与LC 混合使用。它利用LC 无源滤波器分担大部分的补偿任务，以减小APF 的容量，而利用APF 来改善混合滤波器的滤波效果。混合型APF 既克服了APF 容量大，成本高的缺点，又可使整个滤波系统获得良

好的补偿性。

2.3补偿电流的检测方法

谐波和无功功率信号检测是APF 控制的基础，APF 系统首先要通过检测环节获取电网的电压、电流等信号，然后通过检测算法来计算出谐波和无功分量。

1模拟滤波器检测方法

早期的谐波检测都是基于频域理论，采用模拟滤波原理实现的。该方法实现电路简单、输出阻抗低、经济

且品质因素容易控制。

图 4 带通滤波器检测方法

图中是以基波频率 50HZ 电流检测出来，从而计

算出谐波分量。但是该方法受外界环境影响大，检测精度低，仅能对少量谐波进行检测，如要检测多次谐波分量，实现电路将变得复杂，设计上存在很大困难。

2 基于Fryze 时域分析法

这种方法根据采集到的一个周期的电流值进行计算得出所需的谐波进和无功电流。由于需要一定时间的电流值，且需进行两次变换，计算量大，从而使得检测结果又较长的延迟，实时性不好。

3 基于频域分析的FFT 法

该方法建立在傅里叶分析的基础山，要求倍补偿

的波形是周期变化的。通过FFT 变换将检测到的一个周期的谐波信号进行分析得出各次谐波幅值和相位系数，再将抵消的谐波分量进行FFT 反变换，可得到补偿信号。其有点是可以选择拟消除的谐波次数，但具有较长时间的延迟，实时性较差。

4瞬时无功功率检测方法

基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法是目前应用最广泛的一种检测方法，是1983年有日本学者H.Akagi 提出的。该方法在只检测无功电流时，可以完全无延时地得出检测结果。在检测谐波电流时延迟时间最多不会超过一个电源周期。可见，该方法具有很好的实时性。设三相电路各相电压瞬时值为 ea 、eb 、ec ，电流瞬时值为ia 、ib 、ic 分别进行3-2 变换，变

换到两相正交-αβ坐标系，两相瞬时电压为e α、

e β

，两相瞬时电流为i α

、i β

，即：