電網有源濾波器結構及其應用

在非線性負載的交流電網中，有源濾波已成為抑制諧波和無功功率補償的一項成熟技術。本文全面介紹了交流電網中，有源濾波器的結構特點及其應用，并展望了有源濾波技術的發展方向。 敘詞：有源濾波器；諧波；無功補償；無源濾波器 Abstract：Active power filtering of electric power has now become a mature technology for harmonic and reactive power compensation in nonlinear loads. This paper presents a comprehensive review of active power filter (APF) configurations. It aims to provide a broad perspective on the status of APF topology technology, and the prospects of the application of APF as well.　　 Keyword：active power filters; harmonic; reactive power compensation; passive filter 1 1 引言
　　隨著電力電子技術的迅猛發展和成熟，電力系統中的大型功率電子裝置日益增多，在提高工業自動化水平和效益的同時，由于是各種使用傳統相控整流技術的大容量非線性負荷，在運行過程中所產生的高諧波和低功率因數的運行狀態，嚴重危害著電力系統的安全和電網供電質量。
　　傳統的諧波抑制和無功補償的方法是將電力無源濾波器與需補償的非線性負載并聯,為諧波提供一個低阻通路的同時也提供負載所需的無功功率。無源濾波器(PF)具有結構簡單，使用方便，技術成熟以及成本低等優點。同時，它的缺點也很明顯[1]: 1)它的補償特性受電網及負載影響較大，其濾波效果依賴于電網和負載的參數，濾波特性較差；2)給電網帶來一定隱患，可能發生電網與濾波器間的串、并聯諧振；3)只能補償固定的無功功率,對變化的無功功率不能進行精確的補償，不能對諧波和無功實現動態補償；4)所需儲能元件的體積大。有源濾波器(APF, Active Power Filter)則有效的解決了無源濾波器的缺點。有源濾波器的補償特性受電網及負載影響很小，不但避免了與電網發生串、并聯諧振的危險，同時還可抑制串并聯諧振的發生；實現了動態補償，可以對頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功功率進行迅速的動態跟蹤補償；可以同時對諧波和無功進行補償，且補償無功的大小可做到連續調節，既可對一個諧波和無功源單獨補償，也可對多個諧波和無功源進行綜合補償；有源濾波器補償無功功率時不需儲能元件，補償諧波時所需儲能元件容量不大。
　　本文在介紹有源濾波器的基本原理和結構特點的基礎上，介紹了有源濾波器拓撲結構的發展現狀及其運用，最后展望了有源濾波器的發展前景。
2 有源濾波器的原理及其結構
　　有源濾波器是由一組開關器件和無源儲能元件如電感和電容組成，其系統主要由指令電流運算電路和補償電流發生電路兩大部分組成。有源濾波器結構如圖1。設負載電流 的高次諧波含量為 。它的基本工作原理是：檢測補償對象的電流(或電壓)，經過指令運算電路得到補償電流的指令信號。該信號經控制器由補償電流發生電路獲得，補償電流 與負載中的諧波電流 抵消，
　　　　　　
使電網的電流恢復為純正弦波形；同時，有源濾波器發出基波無功電流，進行無功補償。

圖1 有源濾波器的結構

3 有源濾波器的拓撲結構及其應用
　　根據電力有源濾波器接入電網的方式，可將其系統構成分為三大類，即并聯型[2-4]，串聯型[5,6]和混合型。
3.1 并聯型有源濾波器
　　一般情況下，并聯型有源濾波器有三種使用方式，單獨使用方式、與PF混合使用方式以及注入電流方式。
3.1.1 并聯APF單獨使用方式
圖2為單獨使用方式的并聯型有源濾波系統的構成拓撲。它是有源濾波器中最基本的形式，它可產生與負載諧波大小相等，方向相反的補償電流，從而將電源側電流補償為正弦波。并聯型有源濾波器主要用于感性電流源型負載的補償，它也是工業上已投入運行最多的一種方案，但由于電源電壓直接加在逆變橋上，因此對開關元件的電壓等級要求高；負載諧波電流含量高時要求這種APF的容量必須很大，同時具備大的補償容量和寬的補償頻帶比較困難。