有源电力滤波器主电路研究

波 器 的 特 点 是 ： 利 用 无 源 滤 波 网 络 滤 去 5、 7次 等 低 次 电 流 谐 波 ， 并 进 行 基 波 无 功 功 率 的 补 偿 ， 使 有 源 滤 波 器 不 直 接 承 受 电 网 电 压 和 负 载 的 基 波 电 流 ， 仅 起 负 载 电 流 和 电 网 电 压 的 高 次 谐 波 隔 离 器 的 作 用 ， 因 而 有 源 滤 波 器 的 容 量 可 以 设 计 得 较 小 ， 利 用 串 联 的 有 源 滤 波 器 增 加 高 次 谐 波 阻 抗 而 对 基 波 无 影 响 的 特 性 ， 可 以 改 善 无 源 滤 波 器 的 滤 波 效 果 ， 防 止 与 电 网 之 间 发 生 谐 振 ； 同 时 ， 也 避 免 了 并 联 有 源 滤 波 器 的 谐 波 电 流 注 入 并 联 的 无 源 滤 波 器 形 成 谐 波 短 路 的 现 象 ， 提 高 了 有 源 滤 波 器 的 有 限 容 量 的 利 用 率 。 但 是 ， 在 该 种 拓 扑 中 ， 有 源 滤 波 器 的 性 能 很 大 程 度 上 决 定 于 电 流 互 感 器 的 特 性 。

（a） APF与PF并联

（b） APF与PF串联

图7 综合电力滤波系统主电路结构图

图8所示为新型混合有源滤波器拓扑，该拓扑具有以下几个优点：

1）采用开关频率较低的IGBT构成的逆变器来进行无功补偿；

2）由开关频率高，耐压较低的MOSFET构成的逆变器进行谐波电流补偿；

3）IGBT和MOSFET逆变器共享直流测电压，简化了控制；

4）IGBT直流侧所需电压可大大降低，因为它的主要作用是维持基波电压。因而与传统的APF相比，该APF系统工作的电压等级更低；

5）高频逆变器的输出侧采用变压器隔离，可消除大部分干扰。

图8 新型混合有源滤波器结构图

2.4 级联型大功率APF

对于大功率的电力电子装置，在使用有源电力滤波器进行谐波抑制和无功补偿时，相应地要求有源电力滤波器要具有较大的容量。如前所述，当有源电力滤波器用于大容量谐波补偿时将面临着器件开关频率与容量之间的矛盾。目前工业现场中常采用多台小容量有源电力滤波器并联，尤其对一些具有电流源性质的设备。这种方案的补偿控制原理如图9所示，其中，APF是并联型有源电力滤波器；K是投切开关。每个APF有各自的主电路和控制电路，各APF的控制和补偿由其自身来完成。其优点在于每个有源电力滤波器具有相对的独立性，当其中某一个APF出现问题时，并不影响其它APF的工作。其不足之处主要在于各有源电力滤波器输出的补偿电流之间缺乏协调控制，波形没有进一步改善，且控制电路的数量相对较多。近年来，为抑制大功率电力电子装置谐波源所产生的谐波，已研究出多种多重化的主电路拓扑，比较有代表意义的是级联型多电平变流器[8]。这种变流器相对于二极管钳位型多电平变流器、电容钳位型多电平变流器，有以下优势：

1）开关器件和电容承受的负荷相同，器件开关频率相同；

2）所用器件较少，为了获得同样的电平数在三者中使用的器件数最少；

3）输出谐波低；

4）各模块结构相同，可以实现模块化设计和组装，无须额外设置钳位二极管或平衡电容，易于多重组合、安装、调试；

5）这种结构可以利用软开关技术，能够减小缓冲电路的尺寸甚至可以采用无缓冲电路。

图9 多个APF补偿时连线示意图

基于这种变流器，我们提出一种如图10所示的由级联型变流器构成的并联型APF。这种有源电力滤波器的特点是：

1）各单相全桥模块的器件在基频下开通关断，所以电磁干扰和开关损耗小，效率高，而等效开关频率高且不需要通过变压器级联；

2）解决了大功率装置容量与器件开关频率低的矛盾；

3）为了获得同样的电平数在多电平变流器中使用的器件数最少；

4）由于每个模块采用相同的电路结构，可以实现模块化设计和组装，无须额外设置嵌位二极管或平衡电容，且开关管工作状态和负荷一致；

5）基于低压小容量变换器级联的组成方式，技术成熟，易于模块化，直流侧容易实现电压均衡；

6）可采用软开关技术，以避免笨重、耗能的阻容吸收电路。

因此，由级联型变流器构成的并联型APF比较适合于中、低压电网的无功补偿和谐波抑制。

图10 由级联型变流器构成的并联型APF

3 结语

APF作为消除电力公害、改善供电质量的有力工具，在美国、日本等工业发达国家已经得到了日益广泛的应用。特别是在日本，APF已经达到普及应用阶段。电网中的谐波源性质不尽相同，为了更好地达到抑制电网谐波源的效果，对不同的谐波源负载应该采用相应的拓扑结构来充当APF的主电路。总之，低损耗、低价格及大功率、高频率的APF是其发展方向。