谐波抑制与滤波器的应用

单独使用的串联型ＡＰＦ的拓扑结构如图５
所示，它将ＡＰＦ通过一个匹配变压器串联于电源 与负载之间，ＡＰＦ可等效为一受控电压源，通过对
电源电压中的谐波分量的检测，产生与之相反的 附加电压信号，使电源端电压恢复正弦波形．该结
构主要用于消除系统侧电压谐波、电压波动对敏 感负载，以及带电容的二极管整流电路等电压型
谐波和无功单独补偿，也可对多个谐波和无功集
中补偿；补偿无功功率时不需储能元件，补偿谐波 时所需储能元件容量也不大．但有源滤波器也存 在价格昂贵、运行成本高和难以构造大容量补偿 装置等缺点№＇７Ｊ．
（４）滤波器会向网络注入多余的无功功率，
并可能对电力系统中传送的载波信号产生干扰； （５）所需的储能元件体积大． 由此可见，单纯依靠无源滤波技术治理谐波 效果并不理想，不能满足要求．
串联型ＡＰＦ的投切，故障后的退出及各种保护也
较复杂．
滤波器串联的拓扑结构如图４所示．
ＡＰＦ
图５单独使用的串联型ＡＰＦ
３．２．２与无源滤波器混合使用的串联型ＡＰＦ 目前使用较多的是串联型的ＡＰＦ与ＰＦ混合
使用，与ＰＦ混合使用的串联型ＡＰＦ的拓扑结构
图４与Ｌｃ滤波器串联的并联型ＡＰＦ
如图６所示．
ＡＰＦ相当于一个高次谐波电流源，通过Ｌｃ
ｈａｍ帕ｎｉｃ； 龇ｐｐｒｅｓｓｉｏｎ； ｐ∞ｓｉｖｅ ｆｉｈｅｒ； ａｃｔｉＶｅ ｐ０哪ｅｒ ｆｉｌｔｅｒ
随着电力系统规模的不断扩大，大功率变流 装置、可控硅控制装置、各种大功率非线性负荷
谐波污染问题的途径有两条：一是主动型，即对谐 波源本身进行改造，使其不产生谐波，如增加整流 装置脉动数、采用多重化技术和优化ＰＷＭ技术
摘要：随着大功率非线性负载的广泛应用，电网的谐波污染问题日益严重，谐波治理已成为现代电力系统 中的一个重大课题．介绍了谐波抑制和无功补偿的方法，以及无源滤波器和有源滤波器的工作原理，全面分析 了各种有源滤波器的结构特点与应用，提出了优选方案． 关键词：谐波；抑制；无源滤波器；有源滤波器 中图分类号：ＴＭ７ｌ 文献标识码：Ａ
并联型有源滤波器相当于并联在电网上的受 控电流源，它实时检测负载中的谐波电流ｉⅢ和基 波无功电流ｆ，。，并产生与之大小相等方向相反的
补偿电流ｉ。，使电网中只含有基波有功电流，流入
电网的电流可按需要成为正弦波． 有源滤波器克服了无源滤波器的缺点，它的 补偿特性受电网和负载的影响很小，不会和电网
（１）补偿特性受电网及负载影响较大，滤波
３有源பைடு நூலகம்波器的电路拓扑结构
根据ＡＰＦ接人供电系统的方式，可将其分为 并联型、串联型和串一并联型． ３．１并联型ＡＰＦ Ｆｉｌｔｅｒ，ＡＰＦ）主
２有源滤波器的工作原理和特点
有源电力滤波器（Ａｃｔｉｖｅ
Ｐｏｗｅｒ
要由谐波和无功电流的检测电路、跟踪控制电路 和补偿主电路（换流逆变器）等构成．检测电路的 主要功能是从负载电流中实时分离出谐波电流分
效果依赖于电网和负载的参数，滤波特性较差；
（２）可能发生电网与滤波器间的串、并联谐
振，给电网带来隐患； （３）只能补偿固定的无功功率，对变化的无 功功率不能精确补偿，不能实现谐波和无功的动 态补偿；
发生串并联谐振；实现了动态补偿，可对频率和大
小都变化的谐波以及变化的无功功率进行快速的 动态跟踪补偿；可以同时对谐波和无功进行补偿． 且补偿无功的大小可做到连续调节，既可对一个
等，降低谐波源产生的谐波含量；二是被动型，即 通过装设谐波补偿装置来补偿谐波．本文研究的
（电弧炉、轧机、电力机车等）的日益广泛应用，以
及家用电器的普及、大量的谐波和无功电流注入
电网，使电网受到严重污染，电能质量下降．谐波 不仅使电力设备损耗增加，继电保护和自动化装 置误动作，引起电气谐振和电机的机械振动，而且 干扰通信线路，影响测量仪表的精度，甚至造成电 网的大事故【ｌ剖．谐波已成为电力系统的主要公
而迫使谐波电流流人无源滤波器．有源电力滤波 器起到了谐波隔离器的作用，这样不仅可抑制电 网阻抗对无源滤波器的影响，还可抑制电网与无 源滤波器之间可能发生的谐振，从而极大地改善 无源滤波器的性能． ３．２．３串一并联型ＡＰＦ 串．并联型ＡＰＦ的拓扑结构如图７所示．
以减少ＡＰＦ的容量，降低成本，提高效率；
ＡＰＦ
ＡＰＦ
图７串．并联型ＡＰＦ
参考文献：
［１】 王兆安，杨君，刘进军．谐波抑制和无功功率补偿［Ｍ】．北 京：机械工业出版社，１９９８：加－２４９．
并联型和串联型的有源电力滤波装置通过公
用的储能元件组合在一起，该结构兼有串联ＡＰＦ
Ⅲ］
吴竞昌．供电系统谐波［Ｍ］．北京：中国电力出版社，
１９９８：３０．３２．
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并联型有源滤波器有３种使用方式：单独使
用方式、与无源滤波器混合使用方式和注入回路 方式． ３．Ｉ．１单独使用的并联型ＡＰＦ 单独使用的并联型有源滤波器的拓扑结构如 图２所示．它是最基本的方式．
量和基波无功电流分量，并将其反相后作为补偿
电流的指令信号．因此，也称为指令电流检测电 路．跟踪控制电路是根据主电路产生的补偿电流 必须跟踪指令信号的原则，计算出经驱动电路后 作用于补偿主电路各开关器件上的触发脉冲，产
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Ｐ．Ｄ．，
１９９１，６（４）：ｌ ８６９－ｌ ８７５．
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通过电流（或电压）传感器检测谐波负载的 电流屯（或电压），经过指令电流检测电路得到补
补偿为正弦波，以实现电流源型非线性负载谐波
电流的抵消，无功及三相系统中不平衡电流的补
偿电流的指令信号．该信号通过控制电路作用于
逆变器产生补偿电流ｉ。，使 ｉｃ＝一（ｉｕｌ＋ｆｌｑ）
偿哺】．但由于ＡＰＦ是与被补偿的谐波负载并联在 电网上的，须承受基波电压，但因其容量很大。很
其谐波基本由ＰＦ滤除，而ＡＰＦ的作用是改
善无源滤波器的滤波特性‘１６。墙】．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
路方式和ＬＣ并联谐振注入回路方式［１引．这种方 式可降低ＡＰＦ的容量，它是用电感和电容构成注
万 方数据
刘蓉晖，等：谐波抑制与滤波器的应用
７
谐波却呈现高阻抗，以阻止谐波电流流人电网，从
耗嚼
谐波源负载对系统的影响¨５１．可有效地消除电 压谐波，平衡或调整负载的端电压．由于流过串联 型ＡＰＦ的电流是正常负荷电流，因此损耗较大．
图３与Ｌｃ滤波器并联的并联型ＡＰＦ
ＡＰＦ补偿低次谐波和部分无功，ＬＣ网络组成 高通滤波器，补偿高次谐波和其余的无功成 分‘９’１０１．由于滤除掉了较高次谐波，从而降低了对 ＡＰＦ主电路开关频率的要求．并联型ＡＰＦ与无源
（３）随着半导体器件制造水平的迅速发展，
混合型滤波系统低成本的优势将逐渐消失，而并
联ＡＰＦ由于其功能强大、性价比高，将是很有发
展前途的有源滤波装置； （４）随着电力电子器件耐压水平的提高和对 电能质量的日益重视，ＡＰＦ也将在工业系统的高 压领域得到广泛应用． 随着我国电力事业的发展，电能质量的要求 将不断提高，利用ＡＰＦ进行电能质量治理有着巨 大的市场潜力．特别是在补偿谐波０无功功率，以 及中线电流、不平衡电流等方面，有源滤波技术必 将拥有更加广阔的应用前景．
第２４卷第ｌ期 ２０呕年３月
上 海 电 力 学 院 Ｊｏ哪出ｏｆ Ｓｈ锄ｇｈ蚯ＵＩ－ｉｖ删螽ｔｙ ｏｆ
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报
ｖ０１．２４。Ｎｏ．１ Ｍ村．２００８
文章编号：１００６—４７２９（２００８）０ｌ一０００４—０５
谐波抑制与滤波器的应用
刘蓉晖，王如玫，杨尔滨，杨欢红
（上海电力学院电力与自动化工程学院，上海２０００９０）
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要很多全控型的电力电子器件，成本高，控制复
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Ｔｒ孤ｓ。１９９８，２０（２）：１ ５ｃｒ７—１ ５１３．
吲］ Ⅲ］ ㈨］ ㈨】
和文平．基于ＤｓＰ的有源电力滤波器的研究［Ｄ］．吉林： 东北电力大学，２００６：４石． 许晶菁．基于ＤＳＰ的有源电力滤波器控制策略的研究及 实现［Ｄ］．北京：北京交通大学，２００ｒ７：３石． 朱军．农村电网电压质量和无功电力管理［Ｍ］．北京：中
网络耦合到电网，以抵消负载产生的谐波电流，同 时抑制Ｌｃ网络与电网可能发生的谐振，ＡＰＦ用 于改善无源滤波器的滤波特性【１１ｄ３１．这种连接方
式的ＡＰＦ不承受电源的基波电压，因此容量被大
大降低． ３．１．３注人回路的并联型ＡＰＦ 注入回路方式又可分为ＬＣ串联谐振注人回
ＡＰＦ
图６与ＰＦ混合使用的的串联型ＡＰＦ
与无源滤波器混合使用的并联型ＡＰＦ
为了实现大容量负载的补偿又具有良好的动 态补偿特性，可将有源滤波器与无源滤波器相结
合进行补偿．与无源滤波器混合使用的并联型
ＡＰＦ的形式又可分为两种：一种是有源滤波器与 无源滤波器并联；另一种是有源滤波器与无源滤 波器串联．并联型ＡＰＦ与无源滤波器并联的拓扑 结构如图３所示．
和并联ＡＰＦ的功能，对任意类型的谐波源负载都
有效，可以同时滤除电压和电流中的谐波，平衡调
Ⅲ］
…］
Ａｋａｇｉ Ｈ．Ｎ删ｔｒｅｎｄ８ ｉＩＩ∞ｄｖｅ ｆｉｌｔ啪［ｃ］／／Ｐｍ∞ｄｉ“ｇ ｏｆ
ＥＰＥ’９５，ｓｅ耐ｌｌａ，１９９５：１７－２６．
整系的统终端电压，消除负序电流，能够解决供配
电系统产生的绝大多数电能质量问题．因此，它又 被称为“万能ＡＰＦ”或“统一电能质量调节器 （ｕＰＱＣ）”（１９’驯．该类有源滤波器的主要问题是需
解决电力电子装置及其他非线性负载产生的
收稿日期：２００７—０８—３１ 作者简介：刘蓉晖（１９７５一），女，硕士，湖南邵阳人．主要研究方向为电工理论与新技术．
万 方数据
刘蓉晖，等：谐波抑制与滤波器的应用
５
支路而避免流人电网内，从而在滤除谐波的同时 也适当地补偿了无功功率． 无源滤波器具有成本低、效率高、结构简单、 维护方便，以及技术成熟等优点，同时也存在一些 难以克服的缺点”ｊ：
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Ａ姗ｃｔ：
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觑ｅｃｔ啦Ｐ蝴，虢州２０００９０，珊讹）
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生有效的补偿电流，使电网电流中只含有基波分
量，达到消除谐波与无功补偿的目的． 图ｌ是并联型有源滤波器原理图．
ＡＰＦ
图２单独使用的并联型ＡＰＦ
由于以并联形式接入系统，ＡＰＦ相当于一个
图ｌ并联型有源滤波器原理示意
受控电流源．该结构适用于对感性电流源型负载
的谐波补偿，可以产生与负载谐波和无功电流大 小相等、相位相反的补偿电流，从而将电源侧电流
害，严重地威胁着电网的安全经济运行和广大用 户的用电安全．因此，消除电网中的谐波污染已成７ 为电能质量研究中的一个重要课题．
内容属于被动型抑制方案．
１无源滤波器的应用
无源滤波器（Ｐａ褐ｉｖｅ Ｆｉｌｔｅｒ，ＰＦ）通常是由电
容、电感和电阻等无源元件构成的谐振电路．传统 的谐波抑制和无功补偿方法是将无源滤波器与需 补偿的非线性负载并联，滤波器对某些谐波频率 谐振形成低阻通路，使相应的谐波电流流入无源
万 方数据
６
上海电力学院学报
２００８年
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损耗．
３．１．２
入回路，利用电感电容的谐振特性，使得ＡＰＦ只
需承受很小的基波电压，从而使ＡＰＦ容量减小．
３．２串联型ＡＰＦ 串联型ＡＰＦ分为单独使用方式和与无源滤 波器混合使用方式两种．‘ ３．２．１单独使用的串联型ＡＰＦ