有源電力濾波器主電路研究

摘要：隨著大功率開關器件的廣泛應用，電能質量問題日益嚴重。就諧波治理中的無源及有源濾波技術進行了對比，介紹了有源濾器的分類、工作原理。提出了由組合相移SPWM變流器構造的電流源型有源濾波器和能在較低開關頻率下實現較高開關頻率效果的級聯型多電平變流器有源電力濾波器。

關鍵詞：有源電力濾波器；諧波補償；級聯型多電平變流器；電流型有源電力濾波器；拓撲

1? 引言

??? 隨著電力電子技術的飛速發展，大功率開關器件被大量應用到各種電源裝置中，為各種設備提供了一個高速、高效、節能的控制手段。但是，由于利用開關的通斷對電能進行變換，必然會產生無功電流和高次諧波，引起波形失真，對電力系統各項設備及其用戶和通信線路產生日趨嚴重的有害影響。傳統的無源補償裝置是并聯電容器或LC濾波器，其阻抗固定，不能跟蹤負荷無功需求的變化，遠遠不能滿足電力系統對無功功率和諧波進行快速動態補償的要求。有源電力濾波器（簡稱APF）是一種用于動態抑制諧波和補償無功的新型電力電子裝置，它能對大小和頻率都變化的諧波和無功分量進行實時的補償，又被稱為靜止無功發生器（SVG）。作為柔性交流輸電系統（FACTS）中的重要部分，APF的研究受到了各國學者的高度重視。

??? 如何實現大功率有源電力濾波器已取得了不少的研究成果。對于大容量的電力電子裝置，如果簡單地采用普通電路的主電路拓撲，則對所使用的電力電子器件在容量方面有比較高的要求。由于電力電子器件隨著容量的增大其所允許的開關頻率卻越來越低，而較低的開關頻率又直接影響有源電力濾波器的補償效果，所以在將有源電力濾波器用于大容量諧波補償時就面臨著器件開關頻率與容量之間的矛盾。為解決這一矛盾，國內外學者提出了各種性能優越的有源濾波器主電路拓撲結構。要實現大容量的諧波補償或實現有源補償功能的多樣性，需要APF具有較大的裝置容量。但由于受目前電力電子器件功率、價格及其串并聯技術等的限制，這勢必使裝置初始投資變大，并且大容量的有源電力補償還將帶來大的損耗、大的電磁干擾以及制約APF的動態補償特性等問題。因此，各種性能優越的混合型補償方案的研究應運而生。本文將幾種應用比較廣泛的拓撲進行歸攏比較，指出它們各自的優缺點，并在此基礎上提出了基于載波相移技術的電流型APF和級聯型APF結構。

2? APF的工作原理及其分類

??? 對APF可以這樣來定義：將系統中所含有害電流（高次諧波電流、無功電流及零序負序電流）檢出，并產生與其相反的補償電流，以抵消輸電線路中有害電流的半導體變流裝置。變流裝置在檢測系統的控制下將直流電能轉化為有害電流所需要的能量，或者說：補償裝置所產生的電流波形正好與有害電流的頻率幅值完全相同，而相位正好相差180°，從而達到了補償有害電流的效果。作為一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，APF能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行實時補償。它的主電路一般由PWM逆變器構成。根據逆變器直流側儲能元件的不同．可分為電壓型APF和電流型APF。如圖1和圖2所示，電壓型APF直流側接有恒壓大電容；電流型APF的直流側接有恒流大電感。電壓型APF在工作時需對直流側電容電壓控制，使直流側電壓維持不變，因而逆變器交流側輸出為PWM電壓波。而電流型APF在工作時需對直流側電感電流進行控制，使直流側電流維持不變，因而逆變器交流側輸出為PWM電流波。電壓型APF的優點是損耗較少，效率高，是目前國內外絕大多數APF采用的主電路結構。雖然電壓型APF在降低開關損耗、消除載波諧波方面占有一定優勢，但電流型APF能夠直接輸出諧波電流，不僅可以補償正常的諧波，而且可以補償分數次諧波和超高次諧波，并且不會由于主電路開關器件的直通而發生短路故障，因而在可靠性和保護上占有較大的優勢。隨著超導儲能磁體的研究，一旦超導儲能磁體實用化，必可取代大電感器，促使電流型APF的應用增多。

圖1? 電壓型APF

圖2? 電流型APF

2.1? 新型電流型APF

??? 在許多文獻中，對電壓型的有源濾波器討論較多，主要原因是電壓型有源濾波器用電容儲存能量，其效率高于電感儲存能量。此外，電壓型變流器的交流增益較高。但是，電流型有源濾波器也有許多優于電壓型有源濾波器的特點^[1],[2]：

??? 1)電流型有源濾波器直接控制電流，而電壓型有源濾波器通過控制電壓間接控制電流，對于并聯型有源濾波器場合，電流型有源濾波器有更好的電流控制能力；

??? 2)電流型有源濾波器中，采用L－C濾波器，這種結構能在傳輸帶寬與抑制高次諧波之間做出較好的折中，在同樣的開關頻率和輸出相同的諧波能量時，電流型有源濾波器濾除開關諧波的效率高于電壓型有源濾波器；

??? 3)電流型有源濾波器保護更容易，工作穩定性更高。

??? 載波相移SPWM技術^[3]的本質是自然采樣SPWM技術和多重化技術的有機組合，該技術可以在較低的器件開關頻率下取得與較高開關頻率等效的結果。不但使SPWM技術應用于特大功率場合成為可能，而且在提高裝置容量的同時，有效地減小了輸出諧波，提高了整個裝置的信號傳輸帶寬。這就解決了大功率裝置與器件開關頻率較低的矛盾，可使GTO等特大功率器件組成的變流器用于APF裝置。我們提出了一種實用于APF的基于載波相移SPWM技術的電流型變流器。與SPWM技術相比，采用這項技術來消除相同的諧波所需的開關頻率更低。

??? 基于載波相移SPWM技術的電流型APF系統如圖3所示。圖中有N個電流型變流器單元。在此，電流型變流器單元指一般三相六開關電流型變流器。開關由可關斷器件（如IGBT）和二極管串聯構成如圖3(b)所示。N個電流型變流器單元在交流側并聯組成電流型組合變流器，L、C構成二階低通濾波器濾除開關頻率諧波，圖3(b)中電阻R為電感及線路中寄生電阻，然后直接并入電網。直流側采用各個變流器單元相互獨立的結構，以便實現均流反饋。由于CPS－SPWM組合變流器輸入與輸出之間具有良好的線性傳輸關系^[4]，所以可以方便地引入一些優秀的控制方法。

(a)? 單模塊

(b)? 多模塊

圖3? 基于載波相移SPWM技術的電流型APF

圖4? 并聯型APF

2.2? APF基本拓撲結構

??? 根據APF與電力系統的連接方式可將其分為并聯型、串聯型及串－并聯混合型。圖4所示為并聯型APF，由于與系統并聯，可等效為一個受控電流源。并聯型APF可產生與負載諧波或無功電流大小相等、相位相反的補償電流，從而將電源側電流補償為正弦波。并聯型APF主要用于感性電流源型負載的諧波補償，目前技術上已相當成熟，投入運行的APF多為此方案。圖5為串聯型APF，通過變壓器串聯在電源與負載間，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載對系統的影響，以及系統側電壓諧波與電壓波動對敏感負載的影響。串聯型APF中流過的是正常負載電流，損耗較大，而且投切、故障后退出及各種保護也較復雜。圖6所示為串－并聯型APF，其兼有串、并聯型APF的功能，可解決配電系統發生的絕大多數電能質量問題，具有較高性價比。

圖5? 串聯型APF

圖6? 串－并混合型APF

??? 采用基本拓撲結構的APF有如下局限性：

??? 1)當負載基波無功和諧波電流含量大時，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電壓(并聯方式)或電網電流(串聯方式)；

??? 3)初期投資大，運行費用高。

??? 因而，研究人員在改進APF主電路的拓撲結構上進行了許多嘗試。由于APF造價高，運行損耗大，容量受到限制，因此，將無源濾波器與有源濾波器組合起來，構成混合型有源濾波器在目前無疑是一種較好的方案。但從長遠角度看，隨著電力電子器件成本不斷下降，它將被性價比更高的串－并聯有源濾波器所代替。

2.3? 無源與有源混合型APF

??? 大容量的有源濾波器由于造價高、功耗大，在實際應用中受到限制。為了獲得較好的濾波特性，又盡可能降低造價，人們開始研究無源與有源混合應用的方法，提出了串聯有源濾波器與并聯無源濾波器共用的方案^[6]；帶串聯L－C電路的有源濾波器方案^[6][7]；以及兩個有源濾波器與一組無源濾波器的電力線調節器方案。

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

（b）? APF與PF串聯

圖7? 綜合電力濾波系統主電路結構圖

??? 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。??