電網(wǎng)有源濾波器結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

在非線性負(fù)載的交流電網(wǎng)中，有源濾波已成為抑制諧波和無功功率補(bǔ)償?shù)囊豁?xiàng)成熟技術(shù)。本文全面介紹了交流電網(wǎng)中，有源濾波器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其應(yīng)用，并展望了有源濾波技術(shù)的發(fā)展方向。 敘詞：有源濾波器；諧波；無功補(bǔ)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(shù)的迅猛發(fā)展和成熟，電力系統(tǒng)中的大型功率電子裝置日益增多，在提高工業(yè)自動(dòng)化水平和效益的同時(shí)，由于是各種使用傳統(tǒng)相控整流技術(shù)的大容量非線性負(fù)荷，在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的高諧波和低功率因數(shù)的運(yùn)行狀態(tài)，嚴(yán)重危害著電力系統(tǒng)的安全和電網(wǎng)供電質(zhì)量。
　　傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ菍㈦娏o源濾波器與需補(bǔ)償?shù)姆蔷€性負(fù)載并聯(lián),為諧波提供一個(gè)低阻通路的同時(shí)也提供負(fù)載所需的無功功率。無源濾波器(PF)具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，技術(shù)成熟以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，它的缺點(diǎn)也很明顯[1]: 1)它的補(bǔ)償特性受電網(wǎng)及負(fù)載影響較大，其濾波效果依賴于電網(wǎng)和負(fù)載的參數(shù)，濾波特性較差；2)給電網(wǎng)帶來一定隱患，可能發(fā)生電網(wǎng)與濾波器間的串、并聯(lián)諧振；3)只能補(bǔ)償固定的無功功率,對變化的無功功率不能進(jìn)行精確的補(bǔ)償，不能對諧波和無功實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；4)所需儲(chǔ)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(diǎn)。有源濾波器的補(bǔ)償特性受電網(wǎng)及負(fù)載影響很小，不但避免了與電網(wǎng)發(fā)生串、并聯(lián)諧振的危險(xiǎn)，同時(shí)還可抑制串并聯(lián)諧振的發(fā)生；實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)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(jìn)行迅速的動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償；可以同時(shí)對諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償，且補(bǔ)償無功的大小可做到連續(xù)調(diào)節(jié)，既可對一個(gè)諧波和無功源單獨(dú)補(bǔ)償，也可對多個(gè)諧波和無功源進(jìn)行綜合補(bǔ)償；有源濾波器補(bǔ)償無功功率時(shí)不需儲(chǔ)能元件，補(bǔ)償諧波時(shí)所需儲(chǔ)能元件容量不大。
　　本文在介紹有源濾波器的基本原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，介紹了有源濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀及其運(yùn)用，最后展望了有源濾波器的發(fā)展前景。
2 有源濾波器的原理及其結(jié)構(gòu)
　　有源濾波器是由一組開關(guān)器件和無源儲(chǔ)能元件如電感和電容組成，其系統(tǒng)主要由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩大部分組成。有源濾波器結(jié)構(gòu)如圖1。設(shè)負(fù)載電流 的高次諧波含量為 。它的基本工作原理是：檢測補(bǔ)償對象的電流(或電壓)，經(jīng)過指令運(yùn)算電路得到補(bǔ)償電流的指令信號。該信號經(jīng)控制器由補(bǔ)償電流發(fā)生電路獲得，補(bǔ)償電流 與負(fù)載中的諧波電流 抵消，
　　　　　　
使電網(wǎng)的電流恢復(fù)為純正弦波形；同時(shí)，有源濾波器發(fā)出基波無功電流，進(jìn)行無功補(bǔ)償。

圖1 有源濾波器的結(jié)構(gòu)

3 有源濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其應(yīng)用
　　根據(jù)電力有源濾波器接入電網(wǎng)的方式，可將其系統(tǒng)構(gòu)成分為三大類，即并聯(lián)型[2-4]，串聯(lián)型[5,6]和混合型。
3.1 并聯(lián)型有源濾波器
　　一般情況下，并聯(lián)型有源濾波器有三種使用方式，單獨(dú)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(lián)APF單獨(dú)使用方式
圖2為單獨(dú)使用方式的并聯(lián)型有源濾波系統(tǒng)的構(gòu)成拓?fù)洹Ｋ怯性礊V波器中最基本的形式，它可產(chǎn)生與負(fù)載諧波大小相等，方向相反的補(bǔ)償電流，從而將電源側(cè)電流補(bǔ)償為正弦波。并聯(lián)型有源濾波器主要用于感性電流源型負(fù)載的補(bǔ)償，它也是工業(yè)上已投入運(yùn)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(guān)元件的電壓等級要求高；負(fù)載諧波電流含量高時(shí)要求這種APF的容量必須很大，同時(shí)具備大的補(bǔ)償容量和寬的補(bǔ)償頻帶比較困難。