有源電力濾波器主電路研究

摘要：隨著大功率開(kāi)關(guān)器件的廣泛應(yīng)用，電能質(zhì)量問(wèn)題日益嚴(yán)重。就諧波治理中的無(wú)源及有源濾波技術(shù)進(jìn)行了對(duì)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(gòu)造的電流源型有源濾波器和能在較低開(kāi)關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)較高開(kāi)關(guān)頻率效果的級(jí)聯(lián)型多電平變流器有源電力濾波器。

關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；諧波補(bǔ)償；級(jí)聯(lián)型多電平變流器；電流型有源電力濾波器；拓?fù)?

1  引言

    隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，大功率開(kāi)關(guān)器件被大量應(yīng)用到各種電源裝置中，為各種設(shè)備提供了一個(gè)高速、高效、節(jié)能的控制手段。但是，由于利用開(kāi)關(guān)的通斷對(duì)電能進(jìn)行變換，必然會(huì)產(chǎn)生無(wú)功電流和高次諧波，引起波形失真，對(duì)電力系統(tǒng)各項(xiàng)設(shè)備及其用戶和通信線路產(chǎn)生日趨嚴(yán)重的有害影響。傳統(tǒng)的無(wú)源補(bǔ)償裝置是并聯(lián)電容器或LC濾波器，其阻抗固定，不能跟蹤負(fù)荷無(wú)功需求的變化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電力系統(tǒng)對(duì)無(wú)功功率和諧波進(jìn)行快速動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)囊?。有源電力濾波器（簡(jiǎn)稱APF）是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，它能對(duì)大小和頻率都變化的諧波和無(wú)功分量進(jìn)行實(shí)時(shí)的補(bǔ)償，又被稱為靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）。作為柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）中的重要部分，APF的研究受到了各國(guó)學(xué)者的高度重視。

    如何實(shí)現(xiàn)大功率有源電力濾波器已取得了不少的研究成果。對(duì)于大容量的電力電子裝置，如果簡(jiǎn)單地采用普通電路的主電路拓?fù)洌瑒t對(duì)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(kāi)關(guān)頻率卻越來(lái)越低，而較低的開(kāi)關(guān)頻率又直接影響有源電力濾波器的補(bǔ)償效果，所以在將有源電力濾波器用于大容量諧波補(bǔ)償時(shí)就面臨著器件開(kāi)關(guān)頻率與容量之間的矛盾。為解決這一矛盾，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了各種性能優(yōu)越的有源濾波器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。要實(shí)現(xiàn)大容量的諧波補(bǔ)償或?qū)崿F(xiàn)有源補(bǔ)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(jià)格及其串并聯(lián)技術(shù)等的限制，這勢(shì)必使裝置初始投資變大，并且大容量的有源電力補(bǔ)償還將帶來(lái)大的損耗、大的電磁干擾以及制約APF的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償特性等問(wèn)題。因此，各種性能優(yōu)越的混合型補(bǔ)償方案的研究應(yīng)運(yùn)而生。本文將幾種應(yīng)用比較廣泛的拓?fù)溥M(jìn)行歸攏比較，指出它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上提出了基于載波相移技術(shù)的電流型APF和級(jí)聯(lián)型APF結(jié)構(gòu)。

2  APF的工作原理及其分類

    對(duì)APF可以這樣來(lái)定義：將系統(tǒng)中所含有害電流（高次諧波電流、無(wú)功電流及零序負(fù)序電流）檢出，并產(chǎn)生與其相反的補(bǔ)償電流，以抵消輸電線路中有害電流的半導(dǎo)體變流裝置。變流裝置在檢測(cè)系統(tǒng)的控制下將直流電能轉(zhuǎn)化為有害電流所需要的能量，或者說(shuō)：補(bǔ)償裝置所產(chǎn)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(dá)到了補(bǔ)償有害電流的效果。作為一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，APF能對(duì)大小和頻率都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。它的主電路一般由PWM逆變器構(gòu)成。根據(jù)逆變器直流側(cè)儲(chǔ)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(cè)接有恒壓大電容；電流型APF的直流側(cè)接有恒流大電感。電壓型APF在工作時(shí)需對(duì)直流側(cè)電容電壓控制，使直流側(cè)電壓維持不變，因而逆變器交流側(cè)輸出為PWM電壓波。而電流型APF在工作時(shí)需對(duì)直流側(cè)電感電流進(jìn)行控制，使直流側(cè)電流維持不變，因而逆變器交流側(cè)輸出為PWM電流波。電壓型APF的優(yōu)點(diǎn)是損耗較少，效率高，是目前國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)APF采用的主電路結(jié)構(gòu)。雖然電壓型APF在降低開(kāi)關(guān)損耗、消除載波諧波方面占有一定優(yōu)勢(shì)，但電流型APF能夠直接輸出諧波電流，不僅可以補(bǔ)償正常的諧波，而且可以補(bǔ)償分?jǐn)?shù)次諧波和超高次諧波，并且不會(huì)由于主電路開(kāi)關(guān)器件的直通而發(fā)生短路故障，因而在可靠性和保護(hù)上占有較大的優(yōu)勢(shì)。隨著超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體的研究，一旦超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體實(shí)用化，必可取代大電感器，促使電流型APF的應(yīng)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(xiàn)中，對(duì)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(chǔ)存能量，其效率高于電感儲(chǔ)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(yōu)于電壓型有源濾波器的特點(diǎn)^[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(guò)控制電壓間接控制電流，對(duì)于并聯(lián)型有源濾波器場(chǎng)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(jié)構(gòu)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(kāi)關(guān)頻率和輸出相同的諧波能量時(shí)，電流型有源濾波器濾除開(kāi)關(guān)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(hù)更容易，工作穩(wěn)定性更高。

    載波相移SPWM技術(shù)^[3]的本質(zhì)是自然采樣SPWM技術(shù)和多重化技術(shù)的有機(jī)組合，該技術(shù)可以在較低的器件開(kāi)關(guān)頻率下取得與較高開(kāi)關(guān)頻率等效的結(jié)果。不但使SPWM技術(shù)應(yīng)用于特大功率場(chǎng)合成為可能，而且在提高裝置容量的同時(shí)，有效地減小了輸出諧波，提高了整個(gè)裝置的信號(hào)傳輸帶寬。這就解決了大功率裝置與器件開(kāi)關(guān)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(shí)用于APF的基于載波相移SPWM技術(shù)的電流型變流器。與SPWM技術(shù)相比，采用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)消除相同的諧波所需的開(kāi)關(guān)頻率更低。

    基于載波相移SPWM技術(shù)的電流型APF系統(tǒng)如圖3所示。圖中有N個(gè)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(kāi)關(guān)電流型變流器。開(kāi)關(guān)由可關(guān)斷器件（如IGBT）和二極管串聯(lián)構(gòu)成如圖3(b)所示。N個(gè)電流型變流器單元在交流側(cè)并聯(lián)組成電流型組合變流器，L、C構(gòu)成二階低通濾波器濾除開(kāi)關(guān)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(wǎng)。直流側(cè)采用各個(gè)變流器單元相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，以便實(shí)現(xiàn)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(guān)系^[4]，所以可以方便地引入一些優(yōu)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(shù)的電流型APF [!--empirenews.page--]

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 [!--empirenews.page--]

    圖8所示為新型混合有源濾波器拓?fù)洌撏負(fù)渚哂幸韵聨讉€(gè)優(yōu)點(diǎn)：

    1）采用開(kāi)關(guān)頻率較低的IGBT構(gòu)成的逆變器來(lái)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償；

    2）由開(kāi)關(guān)頻率高，耐壓較低的MOSFET構(gòu)成的逆變器進(jìn)行諧波電流補(bǔ)償；

    3）IGBT和MOSFET逆變器共享直流測(cè)電壓，簡(jiǎn)化了控制；

    4）IGBT直流側(cè)所需電壓可大大降低，因?yàn)樗闹饕饔檬蔷S持基波電壓。因而與傳統(tǒng)的APF相比，該APF系統(tǒng)工作的電壓等級(jí)更低；

    5）高頻逆變器的輸出側(cè)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(jié)構(gòu)圖

2.4  級(jí)聯(lián)型大功率APF

    對(duì)于大功率的電力電子裝置，在使用有源電力濾波器進(jìn)行諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，相應(yīng)地要求有源電力濾波器要具有較大的容量。如前所述，當(dāng)有源電力濾波器用于大容量諧波補(bǔ)償時(shí)將面臨著器件開(kāi)關(guān)頻率與容量之間的矛盾。目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中常采用多臺(tái)小容量有源電力濾波器并聯(lián)，尤其對(duì)一些具有電流源性質(zhì)的設(shè)備。這種方案的補(bǔ)償控制原理如圖9所示，其中，APF是并聯(lián)型有源電力濾波器；K是投切開(kāi)關(guān)。每個(gè)APF有各自的主電路和控制電路，各APF的控制和補(bǔ)償由其自身來(lái)完成。其優(yōu)點(diǎn)在于每個(gè)有源電力濾波器具有相對(duì)的獨(dú)立性，當(dāng)其中某一個(gè)APF出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，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(bǔ)償電流之間缺乏協(xié)調(diào)控制，波形沒(méi)有進(jìn)一步改善，且控制電路的數(shù)量相對(duì)較多。近年來(lái)，為抑制大功率電力電子裝置諧波源所產(chǎn)生的諧波，已研究出多種多重化的主電路拓?fù)?，比較有代表意義的是級(jí)聯(lián)型多電平變流器[8]。這種變流器相對(duì)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(yōu)勢(shì)：

    1）開(kāi)關(guān)器件和電容承受的負(fù)荷相同，器件開(kāi)關(guān)頻率相同；

    2）所用器件較少，為了獲得同樣的電平數(shù)在三者中使用的器件數(shù)最少；

    3）輸出諧波低；

    4）各模塊結(jié)構(gòu)相同，可以實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)和組裝，無(wú)須額外設(shè)置鉗位二極管或平衡電容，易于多重組合、安裝、調(diào)試；

    5）這種結(jié)構(gòu)可以利用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，能夠減小緩沖電路的尺寸甚至可以采用無(wú)緩沖電路。

圖9  多個(gè)APF補(bǔ)償時(shí)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(jí)聯(lián)型變流器構(gòu)成的并聯(lián)型APF。這種有源電力濾波器的特點(diǎn)是：

    1）各單相全橋模塊的器件在基頻下開(kāi)通關(guān)斷，所以電磁干擾和開(kāi)關(guān)損耗小，效率高，而等效開(kāi)關(guān)頻率高且不需要通過(guò)變壓器級(jí)聯(lián)；

    2）解決了大功率裝置容量與器件開(kāi)關(guān)頻率低的矛盾；

    3）為了獲得同樣的電平數(shù)在多電平變流器中使用的器件數(shù)最少；

    4）由于每個(gè)模塊采用相同的電路結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)和組裝，無(wú)須額外設(shè)置嵌位二極管或平衡電容，且開(kāi)關(guān)管工作狀態(tài)和負(fù)荷一致；

    5）基于低壓小容量變換器級(jí)聯(lián)的組成方式，技術(shù)成熟，易于模塊化，直流側(cè)容易實(shí)現(xiàn)電壓均衡；

    6）可采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，以避免笨重、耗能的阻容吸收電路。

    因此，由級(jí)聯(lián)型變流器構(gòu)成的并聯(lián)型APF比較適合于中、低壓電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制。

圖10  由級(jí)聯(lián)型變流器構(gòu)成的并聯(lián)型APF

3  結(jié)語(yǔ)

    APF作為消除電力公害、改善供電質(zhì)量的有力工具，在美國(guó)、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)得到了日益廣泛的應(yīng)用。特別是在日本，APF已經(jīng)達(dá)到普及應(yīng)用階段。電網(wǎng)中的諧波源性質(zhì)不盡相同，為了更好地達(dá)到抑制電網(wǎng)諧波源的效果，對(duì)不同的諧波源負(fù)載應(yīng)該采用相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)充當(dāng)APF的主電路?？傊?，低損耗、低價(jià)格及大功率、高頻率的APF是其發(fā)展方向。