有源電力濾波器主電路研究

圖4 并聯型APF

2.2 APF基本拓撲結構

根據APF與電力系統的連接方式可將其分為并聯型、串聯型及串－并聯混合型。圖4所示為并聯型APF，由于與系統并聯，可等效為一個受控電流源。并聯型APF可產生與負載諧波或無功電流大小相等、相位相反的補償電流，從而將電源側電流補償為正弦波。并聯型APF主要用于感性電流源型負載的諧波補償，目前技術上已相當成熟，投入運行的APF多為此方案。圖5為串聯型APF，通過變壓器串聯在電源與負載間，可等效為一受控電壓源，主要用于消除帶電容的二極管整流電路等電壓型諧波源負載對系統的影響，以及系統側電壓諧波與電壓波動對敏感負載的影響。串聯型APF中流過的是正常負載電流，損耗較大，而且投切、故障后退出及各種保護也較復雜。圖6所示為串－并聯型APF，其兼有串、并聯型APF的功能，可解決配電系統發生的絕大多數電能質量問題，具有較高性價比。

圖5 串聯型APF

圖6 串－并混合型APF

采用基本拓撲結構的APF有如下局限性：

1)當負載基波無功和諧波電流含量大時，APF裝置的容量也必須很大；

2)三相逆變器輸出直接承受電網電壓(并聯方式)或電網電流(串聯方式)；

3)初期投資大，運行費用高。

因而，研究人員在改進APF主電路的拓撲結構上進行了許多嘗試。由于APF造價高，運行損耗大，容量受到限制，因此，將無源濾波器與有源濾波器組合起來，構成混合型有源濾波器在目前無疑是一種較好的方案。但從長遠角度看，隨著電力電子器件成本不斷下降，它將被性價比更高的串－并聯有源濾波器所代替。

2.3 無源與有源混合型APF

大容量的有源濾波器由于造價高、功耗大，在實際應用中受到限制。為了獲得較好的濾波特性，又盡可能降低造價，人們開始研究無源與有源混合應用的方法，提出了串聯有源濾波器與并聯無源濾波器共用的方案^[6]；帶串聯L－C電路的有源濾波器方案^[6][7]；以及兩個有源濾波器與一組無源濾波器的電力線調節器方案。

綜合電力濾波系統主電路結構如圖7所示。在圖7（a）中，對于負載側的諧波電流源，有源濾波器被控制為一個等效諧波阻抗，它使無源和有源濾波器總的串聯諧波阻抗對各次諧波都為零，從而使所有的負載諧波電流全部流入無源濾波器支路，達到提高無源濾波器濾波效果的目的，此時有源濾波器的輸出補償電壓為所有負載諧波電流流過無源濾波器時產生的電壓 。 對 于 電 源 電 壓 中 的 畸 變 電 壓 ， 有 源 濾 波 器 被 控 制 產 生 與 其 相 同 的 諧 波 補 償 電 壓 ， 以 抑 制 電 源 電 壓 畸 變 產 生 的 諧 波 電 流 。 由 于 有 源 濾 波 器 不 是 直 接 對 諧 波 電 流 進 行 消 除 ， 而 是 起 到 提 高 無 源 濾 波 器 濾 波 效 果 的 目 的 ， 它 所 產 生 的 補 償 電 壓 中 不 含 有 基 波 電 網 電 壓 ， 只 含 有 諧 波 電 壓 ， 故 其 功 率 容 量 很 小 ， 具 有 良 好 的 經 濟 性 ， 適 于 對 大 容 量 的 諧 波 負 載 進 行 補 償 。 在 圖7（ b） 中 ， 該 混 合 電 力 濾 波 器 的 特 點 是 ： 利 用 無 源 濾 波 網 絡 濾 去 5、 7次 等 低 次 電 流 諧 波 ， 并 進 行 基 波 無 功 功 率 的 補 償 ， 使 有 源 濾 波 器 不 直 接 承 受 電 網 電 壓 和 負 載 的 基 波 電 流 ， 僅 起 負 載 電 流 和 電 網 電 壓 的 高 次 諧 波 隔 離 器 的 作 用 ， 因 而 有 源 濾 波 器 的 容 量 可 以 設 計 得 較 小 ， 利 用 串 聯 的 有 源 濾 波 器 增 加 高 次 諧 波 阻 抗 而 對 基 波 無 影 響 的 特 性 ， 可 以 改 善 無 源 濾 波 器 的 濾 波 效 果 ， 防 止 與 電 網 之 間 發 生 諧 振 ； 同 時 ， 也 避 免 了 并 聯 有 源 濾 波 器 的 諧 波 電 流 注 入 并 聯 的 無 源 濾 波 器 形 成 諧 波 短 路 的 現 象 ， 提 高 了 有 源 濾 波 器 的 有 限 容 量 的 利 用 率 。 但 是 ， 在 該 種 拓 撲 中 ， 有 源 濾 波 器 的 性 能 很 大 程 度 上 決 定 于 電 流 互 感 器 的 特 性 。

（a） APF與PF并聯

（b） APF與PF串聯

圖7 綜合電力濾波系統主電路結構圖