有源电力滤波器主电路研究

3)电流型有源滤波器保护更容易，工作稳定性更高。

载波相移SPWM技术^[3]的本质是自然采样SPWM技术和多重化技术的有机组合，该技术可以在较低的器件开关频率下取得与较高开关频率等效的结果。不但使SPWM技术应用于特大功率场合成为可能，而且在提高装置容量的同时，有效地减小了输出谐波，提高了整个装置的信号传输带宽。这就解决了大功率装置与器件开关频率较低的矛盾，可使GTO等特大功率器件组成的变流器用于APF装置。我们提出了一种实用于APF的基于载波相移SPWM技术的电流型变流器。与SPWM技术相比，采用这项技术来消除相同的谐波所需的开关频率更低。

基于载波相移SPWM技术的电流型APF系统如图3所示。图中有N个电流型变流器单元。在此，电流型变流器单元指一般三相六开关电流型变流器。开关由可关断器件（如IGBT）和二极管串联构成如图3(b)所示。N个电流型变流器单元在交流侧并联组成电流型组合变流器，L、C构成二阶低通滤波器滤除开关频率谐波，图3(b)中电阻R为电感及线路中寄生电阻，然后直接并入电网。直流侧采用各个变流器单元相互独立的结构，以便实现均流反馈。由于CPS－SPWM组合变流器输入与输出之间具有良好的线性传输关系^[4]，所以可以方便地引入一些优秀的控制方法。

(a) 单模块

(b) 多模块

图3 基于载波相移SPWM技术的电流型APF

图4 并联型APF

2.2 APF基本拓扑结构

根据APF与电力系统的连接方式可将其分为并联型、串联型及串－并联混合型。图4所示为并联型APF，由于与系统并联，可等效为一个受控电流源。并联型APF可产生与负载谐波或无功电流大小相等、相位相反的补偿电流，从而将电源侧电流补偿为正弦波。并联型APF主要用于感性电流源型负载的谐波补偿，目前技术上已相当成熟，投入运行的APF多为此方案。图5为串联型APF，通过变压器串联在电源与负载间，可等效为一受控电压源，主要用于消除带电容的二极管整流电路等电压型谐波源负载对系统的影响，以及系统侧电压谐波与电压波动对敏感负载的影响。串联型APF中流过的是正常负载电流，损耗较大，而且投切、故障后退出及各种保护也较复杂。图6所示为串－并联型APF，其兼有串、并联型APF的功能，可解决配电系统发生的绝大多数电能质量问题，具有较高性价比。

图5 串联型APF

图6 串－并混合型APF

采用基本拓扑结构的APF有如下局限性：

1)当负载基波无功和谐波电流含量大时，APF装置的容量也必须很大；

2)三相逆变器输出直接承受电网电压(并联方式)或电网电流(串联方式)；

3)初期投资大，运行费用高。

因而，研究人员在改进APF主电路的拓扑结构上进行了许多尝试。由于APF造价高，运行损耗大，容量受到限制，因此，将无源滤波器与有源滤波器组合起来，构成混合型有源滤波器在目前无疑是一种较好的方案。但从长远角度看，随着电力电子器件成本不断下降，它将被性价比更高的串－并联有源滤波器所代替。

2.3 无源与有源混合型APF

大容量的有源滤波器由于造价高、功耗大，在实际应用中受到限制。为了获得较好的滤波特性，又尽可能降低造价，人们开始研究无源与有源混合应用的方法，提出了串联有源滤波器与并联无源滤波器共用的方案^[6]；带串联L－C电路的有源滤波器方案^[6][7]；以及两个有源滤波器与一组无源滤波器的电力线调节器方案。

综合电力滤波系统主电路结构如图7所示。在图7（a）中，对于负载侧的谐波电流源，有源滤波器被控制为一个等效谐波阻抗，它使无源和有源滤波器总的串联谐波阻抗对各次谐波都为零，从而使所有的负载谐波电流全部流入无源滤波器支路，达到提高无源滤波器滤波效果的目的，此时有源滤波器的输出补偿电压为所有负载谐波电流流过无源滤波器时产生的电压 。 对 于 电 源 电 压 中 的 畸 变 电 压 ， 有 源 滤 波 器 被 控 制 产 生 与 其 相 同 的 谐 波 补 偿 电 压 ， 以 抑 制 电 源 电 压 畸 变 产 生 的 谐 波 电 流 。 由 于 有 源 滤 波 器 不 是 直 接 对 谐 波 电 流 进 行 消 除 ， 而 是 起 到 提 高 无 源 滤 波 器 滤 波 效 果 的 目 的 ， 它 所 产 生 的 补 偿 电 压 中 不 含 有 基 波 电 网 电 压 ， 只 含 有 谐 波 电 压 ， 故 其 功 率 容 量 很 小 ， 具 有 良 好 的 经 济 性 ， 适 于 对 大 容 量 的 谐 波 负 载 进 行 补 偿 。 在 图7（ b） 中 ， 该 混 合 电 力 滤