有源电力滤波器电路拓扑研究综述

SPF 补 偿 高 次 电 压 谐 波 ， 两 者 配 合 达 到 共 同 补 偿 VSNL， 同时 SAF 还可以抑制电网与负载之间的谐 振，效果优于同类 PAF。
图 5 PAF 和 PPF 混合拓扑及 SAF 和 SPF 混合拓扑
图 6a 为 SAF 和 PPF 混合拓扑结构， 其中 PPF 用来补偿非线性电流源谐波，SAF 用来抑制电网与 PPF 之间谐振和提高 PPF 的滤波效果。 图 6b 是图 6a 的对偶电路， 采用 PAF 和 SPF 混合拓扑结构，SPF 用来补偿非线性电压源谐波，而 PAF 用来抑制电网 与 SPF 之间谐振和提高 SPF 的补偿效果。
出的一些新型拓扑的滤波特性进行了比较。
关键词：滤波器； 拓扑 / 有源电力滤波器； 对偶原理； 非线性负载
中 图 分 类 号 ：TM761
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1000-100X（2009）10-0002-03
Overview Research of Active Power Filter Topologies
TONG Li-qing1，2， QIAN Zhao-ming1， PENG Fang-zheng1
（1.Zhejiang University， Hangzhou 310027， China； 2.Fudan University， Shanghai 200433， China） Abstract：The topologies of the active power filters （APF） are mainly researched.The existing nonlinear harmonic loads are classed with current source nonlinear load （CSNL） and its dual voltage source nonlinear load （VSNL） based on circuitry duality.Similarly，the existing APF are classified two sorts according to the function of harmonic suppressing orcompensation.Then，some novel APF topologies are dual derived.Finally，a comprehensive comparison of all configurations is made in terms of required ratings，costs，performance and control. Keywords：filter； topology / active power filter； circuitry duality； nonlinear load
Vol.43 No.10 October，2009
联一个电容形成 XP，以减小 PAF 的基波电流，适用 于 CSNL；用 XD 取代图 10b 中的 C，通过 XD 来 降 低 APF 的基波电压；用 XP 取代 L，通过 XP 减小基波电 流流过 SAF，适用于 VSNL。
图 9 SPF 和 PPF 混合拓扑及PPF 和 SPF 混合拓扑
纯 APF 谐波补偿性能优异， 但其成本较高，而 且较难应用于高压大功率系统， 因此产生了各种降
第 7 种降低有源部分容量的对偶拓扑电路如 图 11 所 示 。 图 11a 通 过 XD 来 减 少 PAF 的 谐 波 电 流 ，适 用 于 CSNL；而 图 11b 通 过 XP 来 降 低 APF 的 谐波电压，适用于 VSNL。
低 APF 容量，降低其逆变器直流侧压降的拓扑。
图 10 给出降低有源部分容量的对偶拓扑电路，
在此基础上又衍生出 6 种对偶拓扑电路， 它们的基
本思想是通过电感、 电容等无源器件来降低有源逆 变器的容量， 即降低适合 CSNL 或 VSNL 的 APF 的 基波电压（电流）和谐波电压（电流）。
图 11 降低谐波电压和电流的对偶拓扑电路 综上分析可知， 对偶电路拓扑分类和演化后可
图 3a 为针对 CSNL 采用的 PPF 基本结构，其中 LC 串联 5 次、7 次和高次串联谐振电路等， 为谐波 提供低阻通道，其作用类似于一个谐波电流漕，它们 在基波频率处可以等效为一个电容器。图 3b 为针对 VSNL 采用的 SPF 基本结构，其中 LC 并联 5 次、7 次 和高次并联谐振电路等，为谐波提供高阻通道，相对 于 PPF，SPF 类似一个在负载和电网之间的高阻抗， 在基波频率处可以等效为一个电感。 因此，对于 CSNL 和 VSNL 对偶负载，PPF 和 SPF 构成了一个基 本的谐波抑制对偶电路。
第 43 卷第 10 期 2009 年 10 月
电力电子技术 Power Electronics
有源电力滤波器电路拓扑研究综述
童立青 1，2， 钱照明 1， 彭方正 1 （1.浙江大学， 浙江 杭州 310027； 2.复旦大学， 上海 200433）
Vol.43 No.10 October，2009
图 6 SAF 和 PPF 混合拓扑及 PAF 和 SPF 混合拓扑
图 7a 为 PPF 与 PAF 串 联 后 再 与 电 网 并 联 的 APF 拓扑结构，其中 PAF 起补偿负载谐波电流和无 功电流 的 作 用 ，而 PPF 承 受 大 部 分 基 波 电 压 ，从 而 降低 PAF 上的直流侧电压。 图 7b 是图 7a 的对偶电 路，SAF 基本不承受基波电流。
图 8 SAF 和 PAF 混合拓扑及 PAF 和 SAF 混合拓扑
图 9a 和图 9b 分别为适合 CSNL 和 VSNL 的混 合无源滤波器拓扑结构， 它们与图 8a 和图 8b 分别 对应，基本功能也一致，只是有源与无源的区别。
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第 43 卷第 10 期 2009 年 10 月
电力电子技术 Po速增长的电力需求， 我国电力系统正 沿着高电压、大容量、远距离的方向发展。 随着电网 的日益扩大，电力系统的结构也日益复杂，需要补偿 的谐波和无功容量急剧增加，电力系统对有源电力滤 波器（APF）的容量、性能要求也越来越高 。 [1-3] 同时， 电力电子器件可控能量水平与电力系统要求控制能 量之间存在巨大的差距，因此如何利用 APF 抑制复 杂电力系统和复杂负载中的谐波和无功， 以及提高 APF 容量和滤波性能是目前亟需解决的问题。
APF的电路拓扑众多，特别是混合型 APF 呈现 出多样化的趋势，因此有必要对拓扑类型进行总 结 概 括 和比较分析 。 [4-8] 以电路对偶原理为基础，如 电流源型和电压源型负载为对偶，并联型和串联 型 为 对 偶 等 ，对 现 有 的 APF 电 路 拓 扑 按 对 偶 方 法 进 行 分 类和概括， 衍生出各类新型对偶型 APF 拓 扑，并对它们的电路特性进行了比较。 同时，以降 低 APF 逆变 器 容 量 为 原 则 ， 导 出 可 能 存 在 的 低 有 源 容 量 的 混合型 APF。
以衍生出多种 APF 拓扑，有些适合实 际 应 用 ，有 些
只是无实用价值的理论拓扑。 这些 APF 拓扑不仅可
以单独使用，同时亦可根据滤波需要结合使用，构建
出既有完备功能又有较高性价比的拓扑结构。
4结论
图 10 降低基波电压和电流电路
图 10 是 第 1 种 降 低 有 源 部 分 容 量 拓 扑 电 路 。 图 10a 通 过 C/L 分 压 比 来 降 低 APF 的 基 波 电 压 ； 图 10b 通过 L/C 分流比来减小 APF 的基波电流。 它 们的电路拓扑对偶，分别适合 CSNL 和 VSNL。
图 3 适合 CSNL 的 PPF 和适合 VSNL 的 SPF
图 4a 为 PAF 典 型 结 构 ，PAF 向 电 网 注 入 与 负 载谐波电流幅值相等、相位相反的谐波电流，可以等 效为一个谐波电流源来抵消负载的谐波电流。 图 4b 为 SAF 典型结构，它与 PAF 是对偶电路，其作用是 向电网串入一个与负载电压幅值相等、 相位相反的 谐波电压源，同时阻止负载谐波电流流向电网。其中 PAF 和 SAF 可由电压源或电流源逆变器构成。
摘要：对有源电力滤波器（APF）的各种拓扑进行了研究。 通过电路对偶原理，把现有的谐波负载类型分为电流源非线
性负载（Current Source Nonlinear Load，简称 CSNL）和与其对偶的电压源非线性负载 （Voltage Source Nonlinear Load，
简称 VSNL），同样把现有的 APF 按其功能分类概括为抑制和补偿这两类谐波负载的对偶型 APF，同时对由对偶衍生
图 1 晶闸管相控或二极管不控相控整流电流源
图 2 二极管整流电压源
3 有源电力滤波器拓扑
从电路对偶原理角度， 谐波电流源与谐波电压 源是一对对偶电路，同样 PPF（PAF）与 SPF（SAF）也
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有源电力滤波器电路拓扑研究综述
是对偶电路， 结合电路基本对偶元件可以组成 APF 对偶拓扑电路。这里将以对偶电路为基础，对谐波源 抑制方法进行分类和对偶演化， 从中获得一些新型 拓扑，通过理论分析研究它们的可行性和实用价值， 同时也对它们的拓扑结构、容量特性、滤波特性和控 制策略进行比较。
2 谐波源非线性负载
直流侧串有大电感的晶闸管相控或二极管不控 整 流 装 置 是 传 统 的 电 流 源 型 非 线 性 负 载 （CSNL）， 如
定 稿 日 期 ：2009-08-04 作者简介：童 立 青 （1976－），男 ，浙 江 宁 波 人 ，博 士 研 究 生 ，研
究方向为电能质量控制和电力电子装置在电力系 统中的应用。
uT 为电网接入点电压 图 4 适合 CSNL 的 PAF 和适合 VSNL 的 SAF
图 5a 是 PPF 和 PAF 混合拓扑结构， 其中 PAF 由于受逆变器开关频率和电路谐波特性的限制，适 合 5 次、7 次等低次谐波的补偿，而 PPF 适合高次谐 波的补偿。 通过给 PAF 和 PPF 适当的分配，可达到 理想的谐波治理效果，此外 PAF 还可以抑制电网与 负载之间的谐振。 图 5b 是 SPF 和 SAF 混合串联拓 扑 结 构 ， 根 据 对 偶 原 理 ，SAF 补 偿 低 次 电 压 谐 波 ，
图 1 所示。由于其直流侧电感足够大，直流侧电流保 持 恒 定 ，可 采 用 并 联 无 源 电 力 滤 波 器 （PPF）或 并 联 有源电力滤波器（PAF）实现谐波抑制。 其滤波原理 是给并联谐波源提供一个低阻通道， 减少流入电网 的谐波，而对于高次谐波，电网本身的系统阻抗也会 阻止谐波电流流入电网。 近年来大量应用带直流平 滑电容器的二极管整流装置， 其电路特性属电压源 型非线性负载（VSNL），如图 2 所示。 而 PPF 或 PAF 不适合抑制这种谐波源， 于是产生了另一种谐波抑 制 装 置 ，即 用 串 联 无 源 电 力 滤 波 器 （SPF）或 串 联 有 源电力滤波器（SAF）来补偿谐波源产生的谐波电压。
第 2 种对偶拓扑电路的构成： 用并联谐振阻抗 XD（见图 11a）取代图 10a 中的电容 C，通过并联谐振 电路 XD /L 分压比来降低 APF 的基波电压， 适用于 CSNL；在图 10b 的电感 L 上串联一个电容形成串联 谐振阻抗 XP（见图 11b），通过串联谐振 XP /C 分流比 来减小 APF 的基波电流，适用于 VSNL。
图 7 PPF 和 PAF 串联拓扑及 SPF 和 SAF 并联拓扑
图 8a 为理想 CSNL 补偿方案， 由 PAF 和 SAF 组成混合拓扑结构，其中 PAF 注入与负载谐波幅值 相等，相位相反的谐波电 流 ，而 SAF 阻 止 负 载 谐 波 电流流向电网，同时抑制电网和负载之间的谐振。这 种混合结构不仅能消除负载谐波， 甚至当负载或电 网电压有畸变时也可以使 uT 波形正弦化。 图 8b 是 图 8a 的对偶电路，也是理想非线性电压源负载补偿 方案，是 SAF 和 PAF 的混合拓扑，能阻止负载谐波 电流流向电网，使 uT 波形正弦化。