有源電力濾波器主電路研究

圖8所示為新型混合有源濾波器拓撲，該拓撲具有以下幾個優點：

1）采用開關頻率較低的IGBT構成的逆變器來進行無功補償；

2）由開關頻率高，耐壓較低的MOSFET構成的逆變器進行諧波電流補償；

3）IGBT和MOSFET逆變器共享直流測電壓，簡化了控制；

4）IGBT直流側所需電壓可大大降低，因為它的主要作用是維持基波電壓。因而與傳統的APF相比，該APF系統工作的電壓等級更低；

5）高頻逆變器的輸出側采用變壓器隔離，可消除大部分干擾。

圖8 新型混合有源濾波器結構圖

2.4 級聯型大功率APF

對于大功率的電力電子裝置，在使用有源電力濾波器進行諧波抑制和無功補償時，相應地要求有源電力濾波器要具有較大的容量。如前所述，當有源電力濾波器用于大容量諧波補償時將面臨著器件開關頻率與容量之間的矛盾。目前工業現場中常采用多臺小容量有源電力濾波器并聯，尤其對一些具有電流源性質的設備。這種方案的補償控制原理如圖9所示，其中，APF是并聯型有源電力濾波器；K是投切開關。每個APF有各自的主電路和控制電路，各APF的控制和補償由其自身來完成。其優點在于每個有源電力濾波器具有相對的獨立性，當其中某一個APF出現問題時，并不影響其它APF的工作。其不足之處主要在于各有源電力濾波器輸出的補償電流之間缺乏協調控制，波形沒有進一步改善，且控制電路的數量相對較多。近年來，為抑制大功率電力電子裝置諧波源所產生的諧波，已研究出多種多重化的主電路拓撲，比較有代表意義的是級聯型多電平變流器[8]。這種變流器相對于二極管鉗位型多電平變流器、電容鉗位型多電平變流器，有以下優勢：

1）開關器件和電容承受的負荷相同，器件開關頻率相同；

2）所用器件較少，為了獲得同樣的電平數在三者中使用的器件數最少；

3）輸出諧波低；

4）各模塊結構相同，可以實現模塊化設計和組裝，無須額外設置鉗位二極管或平衡電容，易于多重組合、安裝、調試；

5）這種結構可以利用軟開關技術，能夠減小緩沖電路的尺寸甚至可以采用無緩沖電路。

圖9 多個APF補償時連線示意圖

基于這種變流器，我們提出一種如圖10所示的由級聯型變流器構成的并聯型APF。這種有源電力濾波器的特點是：

1）各單相全橋模塊的器件在基頻下開通關斷，所以電磁干擾和開關損耗小，效率高，而等效開關頻率高且不需要通過變壓器級聯；

2）解決了大功率裝置容量與器件開關頻率低的矛盾；

3）為了獲得同樣的電平數在多電平變流器中使用的器件數最少；

4）由于每個模塊采用相同的電路結構，可以實現模塊化設計和組裝，無須額外設置嵌位二極管或平衡電容，且開關管工作狀態和負荷一致；

5）基于低壓小容量變換器級聯的組成方式，技術成熟，易于模塊化，直流側容易實現電壓均衡；

6）可采用軟開關技術，以避免笨重、耗能的阻容吸收電路。

因此，由級聯型變流器構成的并聯型APF比較適合于中、低壓電網的無功補償和諧波抑制。

圖10 由級聯型變流器構成的并聯型APF

3 結語

APF作為消除電力公害、改善供電質量的有力工具，在美國、日本等工業發達國家已經得到了日益廣泛的應用。特別是在日本，APF已經達到普及應用階段。電網中的諧波源性質不盡相同，為了更好地達到抑制電網諧波源的效果，對不同的諧波源負載應該采用相應的拓撲結構來充當APF的主電路。總之，低損耗、低價格及大功率、高頻率的APF是其發展方向。