有源电力滤波器

有源电力滤波器

引言

谐波电流和谐波电压的显现，关于电力系统运行是一种“污染”，它们降低了系统电压正弦波形的质量，不但严峻地阻碍电力系统自身，而且还危及用户和周围的通信系统。近半个世纪以来，随着电力电子设备的推广应用，非线性负荷的迅速增加(例如电气机车、工业电炉等的应用)，专门是高压直流输电的运用，谐波污染问题日趋严峻，并因此受到人们普遍的关注和重视。减小谐波阻碍的技术措施能够从两方面入手：一是从谐波源动身，减少谐波的产生；二是安装滤波装置。常见的滤波器包括无源滤波器、有源滤波器以及混合滤波器。无源滤波器（PF:Passive Filter）也称为LC滤波器，是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置。无源滤波器的工业应用差不多有相当长的历史，其设计方法稳固可靠、结构简单，但其滤波成效依靠于系统阻抗特性，并容易受温度漂移、网络上谐波污染程度、滤波电容老化及非线性负荷的阻碍。此外，无源滤波器仅能对特定的谐波进行有效地衰减，而出于经济和占地面积方面的考虑，滤波器个数均是有限的，因此对谐波含量丰富的场合，无源滤波器的滤波成效往往不够理想。与无源滤波器对应的是有源滤波器（APF:Active Power Filter）。有源电力滤波器采纳开关变换器排除谐波电流，克服了无源滤波器的缺点。有源电力滤波器有着无源滤波器无可比拟的技术优势，因此越来越受到人们的关注。

1.有源滤波器的进展历史

有源滤波器的思想最早显现于1969年B.M.Bird和J.F.Marsh的论文中。文中描述了通过向交流电源注入三次谐波电流以减少电源中的谐波，改善电源电流波形的新方法。文中所述的方法认为是有源滤波器思想的产生。1971年日本的H.Sasaki和T.Machida完整描述了有源电力滤波器的差不多原理。1976年美国西屋电气公司的L.Gyugyi和E.C.Strycula提出了采纳脉冲宽度调制操纵的有源电力滤波器，确定了主电路的差不多拓扑结构和操纵方法，从原理上阐明了有源电力滤波器是一理想的谐波电流发生器，并讨论了实现方法和相应的操纵原理，奠定了有源电力滤波器的基础。然而，在20世纪70年代由于缺少大功率可关断器件，有源电力滤波器除了少数的实验室研究外，几乎没有任何进展。进入20世纪80年代以来，新型半导体器件的显现，PWM技术的进展，专门是1983年日本的H.Akagi等人提出了“三相电路瞬时无功功率理论”，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在三相有源电力滤波器中得到了成功的应用，极大促进了有源电力滤波器的进展。

与无源滤波器相比，有源滤波器是一种主动型的补偿装置，具有较好的动态性能。有源电力滤波器是近年来电力电子领域的热门话题。目前，有源滤波技术已在日本、美国等少数工业发达国家得到应用，有工业装置投入运行，其装置容量最高可达60MV.A；国内对有源电力滤波器的研究尚处于起步时期。

2.有源滤波器的分类

有源电力滤波器的差不多思想如图所示

I，供电系统一样为在图中，谐波源一样是非线性负载，如整流器等，产生谐波电流

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被爱护对象；有源滤波器表现为流控电流源，它的作用是产生和谐波源谐波电流大小相等方向相反的补偿电流来达到排除谐波的目的。

从不同的观点动身，有源电力滤波器具有不同的分类标准。

（1）依照接入电网的方式，有源电力滤波器能够分为串联型、并联型和串-并联型三大类。每一种类型的有源电力滤波器结构不同，因其工作原理、特性各不相同。串联型有源滤波器经耦合变压器串接入电力系统，如图2所示，其可等效为一个受控电压源，要紧是排除电压型谐波以及系统侧电压谐波与电压波动对敏锐负载的阻碍。串联型有源电力滤波器应用在直流系统中时，耦合变压器的系统接入侧专门容易显现直流磁饱和问题，因此只在交流系统中采纳。与并联型有源电力滤波器相比，由于串联型有源电力滤波器中流过的是正常负荷电流，因此损耗较大；此外，串联型有源电力滤波器的投切、故障后的退出及各种爱护也较并联型有源电力滤波器复杂。目前单独使用串联有源电力滤波器的例子较少，研究多集中在其与LC无源滤波器所构成的串联混合型有源电力滤波器上。

并联型有源电力滤波器与系统并联等效为一个受控电流源，如图3所示。有源滤波器向系统注入与谐波电流大小相等方向相反的电流，从而达到滤波的目的。并联型有源电力滤波器要紧适用于电流源型感性负载的谐波补偿，技术上已相当成熟，工业上已投入使用的有源

电力滤波器多采纳此方案。

与串联型有源电力滤波器相比并联型有源电力滤波器通过耦合变压器并入系统，可不能对系统运行造成阻碍，具有投切方便灵活以及各种爱护简单的优点。然而当单独使用并联型有源电力滤波器来滤除谐波时，有源电力滤波器容量要求专门大，如此会带来一系列的问题，如工程造价高、电磁干扰、结构复杂以及高的功率损耗等。

图4所示为串-并联新型有源电力滤波器，相关文献称之为统一电能质量调剂器（UPQC）。它综合了串联型和并联型两种结构，共同组成一个完整的用户电力装置来解决电能质量的综合问题。其中，直流侧电容器或电感储能装置是串联型和并联型有源滤波器所公用的，串联有源电力滤波器起到补偿电压谐波、排除系统不平稳、调剂电压波动或闪变、坚持系统电压稳固性或阻尼振荡的作用。并联变流器起到补偿电流谐波不平稳、补偿负荷的无功、调剂变流器直流侧电压的作用。因此这种统一电能质量调剂器能够实现短时刻不间断供电、蓄能、无功补偿、抑制谐波、排除电压波动及闪变、坚持系统电压稳固等功能，被认为是最理想的有源滤波器的结构。这种结构即可用于三相系统，又能够用于单相系统。然而其要紧缺陷在于成本较高（需要较多的开关器件）和操纵复杂。

（2）依照接入电网的方式，有源电力滤波器还能够分为直截了当接入和通过无源滤波器间接接入电网两种方式。

图5所示为混合型滤波器，它是有源滤波器和无源滤波器的组合结构。这种滤波器结构目前专门普遍，因为它并联的LC无源滤波器部分排除了大量的低次谐波，因而有源滤波器

部分容量能够做到专门小（负荷容量的5%左右），如此大大减少了有源滤波器的体积和成本。它能够同时排除电压和电流谐波，而且成本相对来说较低，因而专门受欢迎。然而这种结构的滤波器的缺点在于只能针对特定负荷进行补偿，负荷运行状况变化较大的时候补偿性能不行。

（3）按有源电力滤波器中逆变器直流侧储能元件的不同，有源电力滤波器又可分为电压型有源电力滤波器（储能元件为电容）和电流型有源电力滤波器（储能元件为电感）。

电流型有源电力滤波器由一个大电感充当一个非正弦的电流源来提供非线性负荷的谐波电流。电流源型逆变器的最大缺点在于不能用于多电平场合，无法提高大容量时逆变器的性能；电压型有一个较大的电容作为直流侧的电压支撑。由于这种结构轻便、廉价，同时能够扩展为多电平结构，使其在开关频率较低的情形下取得较好的性能，与电流型有源电力滤波器相比，电压型有源电力滤波器损耗较小、效率高，因此目前国内觉大多数有源电力滤波器都采纳电压型逆变器结构。依照日本电气学会的调查结果，两者在实际应用中所占的比例分别是电压型93.5%，电流型6.5%。随着超导储能技术的不断进展，今后可能会有更多电流型有源电力滤波器投入使用。

（4）依照补偿系统的相数来分类，有源滤波器可分为单相和三相两种，三相系统又分为三相三线制和三相四线制。

单相有源滤波器一样用于小功率的场合，例如商业写字楼或者学校教学楼带有电脑负荷以及小型工厂。在这些场合中电流谐波能够在公共耦合点补偿掉，因此能够将几个小功率的滤波器连接取代一个大的滤波器。这要紧是由于在一个大楼中有好多的单相负荷同时中线上存在大量谐波电流会有较大的危害。如此能够依照运行条件的不同有选择地进行补偿。但另一方面，住宅性负荷并没有产生大量的集中的谐波。而且由于缺少强制的谐波约束法规，住宅用户不可能投资于单相的有源滤波器。单相有源滤波器的要紧优点在于处理小功率负荷，因此变流器的开关频率能够专门高，从而提高整个装置补偿谐波的性能。

关于三相装置，滤波器及主电路的选择取决于三相系统是否平稳。在相对低功率场合（100KV.A），三相系统能够采纳三个单相有源滤波器或者单独的三相有源滤波器。关于平稳负荷而言，假如目标仅仅是排除电流谐波而不需要三相系统及补偿电压谐波，采纳三个单相有源滤波器的结构是可行的。关于不平稳负荷电流或者不对称供电电压，主电路结构采纳基于三个单相逆变器的三相有源电力滤波器是可行的。

大多数的单相负荷差不多上有带中线的三相系统供电的。它们给系统带来了大量的中线电流、谐波、无功以及三相不平稳。三相四线制有源滤波器的引入确实是为了减少这类系统显现的问题。

（5）依照顾用场合分，有源电力滤波器还能够分为应用在直流系统（要紧是高压直流输电系统）的有源直流滤波器和应用在交流系统的有源滤波器。

（6）依照目的分为电力用户依照自身需要在谐波负荷邻近安装的有源滤波器和电力公司