电网有源滤波器结构及其应用

在非线性负载的交流电网中，有源滤波已成为抑制谐波和无功功率补偿的一项成熟技术。本文全面介绍了交流电网中，有源滤波器的结构特点及其应用，并展望了有源滤波技术的发展方向。 叙词：有源滤波器；谐波；无功补偿；无源滤波器 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
　　随着电力电子技术的迅猛发展和成熟，电力系统中的大型功率电子装置日益增多，在提高工业自动化水平和效益的同时，由于是各种使用传统相控整流技术的大容量非线性负荷，在运行过程中所产生的高谐波和低功率因数的运行状态，严重危害着电力系统的安全和电网供电质量。
　　传统的谐波抑制和无功补偿的方法是将电力无源滤波器与需补偿的非线性负载并联,为谐波提供一个低阻通路的同时也提供负载所需的无功功率。无源滤波器(PF)具有结构简单，使用方便，技术成熟以及成本低等优点。同时，它的缺点也很明显[1]: 1)它的补偿特性受电网及负载影响较大，其滤波效果依赖于电网和负载的参数，滤波特性较差；2)给电网带来一定隐患，可能发生电网与滤波器间的串、并联谐振；3)只能补偿固定的无功功率,对变化的无功功率不能进行精确的补偿，不能对谐波和无功实现动态补偿；4)所需储能元件的体积大。有源滤波器(APF, Active Power Filter)则有效的解决了无源滤波器的缺点。有源滤波器的补偿特性受电网及负载影响很小，不但避免了与电网发生串、并联谐振的危险，同时还可抑制串并联谐振的发生；实现了动态补偿，可以对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行迅速的动态跟踪补偿；可以同时对谐波和无功进行补偿，且补偿无功的大小可做到连续调节，既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源进行综合补偿；有源滤波器补偿无功功率时不需储能元件，补偿谐波时所需储能元件容量不大。
　　本文在介绍有源滤波器的基本原理和结构特点的基础上，介绍了有源滤波器拓扑结构的发展现状及其运用，最后展望了有源滤波器的发展前景。
2 有源滤波器的原理及其结构
　　有源滤波器是由一组开关器件和无源储能元件如电感和电容组成，其系统主要由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两大部分组成。有源滤波器结构如图1。设负载电流 的高次谐波含量为 。它的基本工作原理是：检测补偿对象的电流(或电压)，经过指令运算电路得到补偿电流的指令信号。该信号经控制器由补偿电流发生电路获得，补偿电流 与负载中的谐波电流 抵消，
　　　　　　
使电网的电流恢复为纯正弦波形；同时，有源滤波器发出基波无功电流，进行无功补偿。

图1 有源滤波器的结构

3 有源滤波器的拓扑结构及其应用
　　根据电力有源滤波器接入电网的方式，可将其系统构成分为三大类，即并联型[2-4]，串联型[5,6]和混合型。
3.1 并联型有源滤波器
　　一般情况下，并联型有源滤波器有三种使用方式，单独使用方式、与PF混合使用方式以及注入电流方式。
3.1.1 并联APF单独使用方式
图2为单独使用方式的并联型有源滤波系统的构成拓扑。它是有源滤波器中最基本的形式，它可产生与负载谐波大小相等，方向相反的补偿电流，从而将电源侧电流补偿为正弦波。并联型有源滤波器主要用于感性电流源型负载的补偿，它也是工业上已投入运行最多的一种方案，但由于电源电压直接加在逆变桥上，因此对开关元件的电压等级要求高；负载谐波电流含量高时要求这种APF的容量必须很大，同时具备大的补偿容量和宽的补偿频带比较困难。