有源電力濾波器主電路研究

圖4 并聯(lián)型APF

2.2 APF基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)APF與電力系統(tǒng)的連接方式可將其分為并聯(lián)型、串聯(lián)型及串－并聯(lián)混合型。圖4所示為并聯(lián)型APF，由于與系統(tǒng)并聯(lián)，可等效為一個(gè)受控電流源。并聯(lián)型APF可產(chǎn)生與負(fù)載諧波或無(wú)功電流大小相等、相位相反的補(bǔ)償電流，從而將電源側(cè)電流補(bǔ)償為正弦波。并聯(lián)型APF主要用于感性電流源型負(fù)載的諧波補(bǔ)償，目前技術(shù)上已相當(dāng)成熟，投入運(yùn)行的APF多為此方案。圖5為串聯(lián)型APF，通過(guò)變壓器串聯(lián)在電源與負(fù)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(fù)載對(duì)系統(tǒng)的影響，以及系統(tǒng)側(cè)電壓諧波與電壓波動(dòng)對(duì)敏感負(fù)載的影響。串聯(lián)型APF中流過(guò)的是正常負(fù)載電流，損耗較大，而且投切、故障后退出及各種保護(hù)也較復(fù)雜。圖6所示為串－并聯(lián)型APF，其兼有串、并聯(lián)型APF的功能，可解決配電系統(tǒng)發(fā)生的絕大多數(shù)電能質(zhì)量問(wèn)題，具有較高性價(jià)比。

圖5 串聯(lián)型APF

圖6 串－并混合型APF

采用基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的APF有如下局限性：

1)當(dāng)負(fù)載基波無(wú)功和諧波電流含量大時(shí)，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(wǎng)電壓(并聯(lián)方式)或電網(wǎng)電流(串聯(lián)方式)；

3)初期投資大，運(yùn)行費(fèi)用高。

因而，研究人員在改進(jìn)APF主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上進(jìn)行了許多嘗試。由于APF造價(jià)高，運(yùn)行損耗大，容量受到限制，因此，將無(wú)源濾波器與有源濾波器組合起來(lái)，構(gòu)成混合型有源濾波器在目前無(wú)疑是一種較好的方案。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看，隨著電力電子器件成本不斷下降，它將被性價(jià)比更高的串－并聯(lián)有源濾波器所代替。

2.3 無(wú)源與有源混合型APF

大容量的有源濾波器由于造價(jià)高、功耗大，在實(shí)際應(yīng)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(jià)，人們開(kāi)始研究無(wú)源與有源混合應(yīng)用的方法，提出了串聯(lián)有源濾波器與并聯(lián)無(wú)源濾波器共用的方案^[6]；帶串聯(lián)L－C電路的有源濾波器方案^[6][7]；以及兩個(gè)有源濾波器與一組無(wú)源濾波器的電力線調(diào)節(jié)器方案。

綜合電力濾波系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。在圖7（a）中，對(duì)于負(fù)載側(cè)的諧波電流源，有源濾波器被控制為一個(gè)等效諧波阻抗，它使無(wú)源和有源濾波器總的串聯(lián)諧波阻抗對(duì)各次諧波都為零，從而使所有的負(fù)載諧波電流全部流入無(wú)源濾波器支路，達(dá)到提高無(wú)源濾波器濾波效果的目的，此時(shí)有源濾波器的輸出補(bǔ)償電壓為所有負(fù)載諧波電流流過(guò)無(wú)源濾波器時(shí)產(chǎn)生的電壓 。 對(duì) 于 電 源 電 壓 中 的 畸 變 電 壓 ， 有 源 濾 波 器 被 控 制 產(chǎn) 生 與 其 相 同 的 諧 波 補(bǔ) 償 電 壓 ， 以 抑 制 電 源 電 壓 畸 變 產(chǎn) 生 的 諧 波 電 流 。 由 于 有 源 濾 波 器 不 是 直 接 對(duì) 諧 波 電 流 進(jìn) 行 消 除 ， 而 是 起 到 提 高 無(wú) 源 濾 波 器 濾 波 效 果 的 目 的 ， 它 所 產(chǎn) 生 的 補(bǔ) 償 電 壓 中 不 含 有 基 波 電 網(wǎng) 電 壓 ， 只 含 有 諧 波 電 壓 ， 故 其 功 率 容 量 很 小 ， 具 有 良 好 的 經(jīng) 濟(jì) 性 ， 適 于 對(duì) 大 容 量 的 諧 波 負(fù) 載 進(jìn) 行 補(bǔ) 償 。 在 圖7（ b） 中 ， 該 混 合 電 力 濾 波 器 的 特 點(diǎn) 是 ： 利 用 無(wú) 源 濾 波 網(wǎng) 絡(luò) 濾 去 5、 7次 等 低 次 電 流 諧 波 ， 并 進(jìn) 行 基 波 無(wú) 功 功 率 的 補(bǔ) 償 ， 使 有 源 濾 波 器 不 直 接 承 受 電 網(wǎng) 電 壓 和 負(fù) 載 的 基 波 電 流 ， 僅 起 負(fù) 載 電 流 和 電 網(wǎng) 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(shè) 計(jì) 得 較 小 ， 利 用 串 聯(lián) 的 有 源 濾 波 器 增 加 高 次 諧 波 阻 抗 而 對(duì) 基 波 無(wú) 影 響 的 特 性 ， 可 以 改 善 無(wú) 源 濾 波 器 的 濾 波 效 果 ， 防 止 與 電 網(wǎng) 之 間 發(fā) 生 諧 振 ； 同 時(shí) ， 也 避 免 了 并 聯(lián) 有 源 濾 波 器 的 諧 波 電 流 注 入 并 聯(lián) 的 無(wú) 源 濾 波 器 形 成 諧 波 短 路 的 現(xiàn) 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(lián)

（b） APF與PF串聯(lián)

圖7 綜合電力濾波系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)圖