有源濾波器的中心議題：
- 有源濾波器的原理及其結構
- 有源濾波器的拓撲結構及其應用
- 有源濾波器的發(fā)展趨勢
- 并聯(lián)型
- 串聯(lián)型
- 混合型
1 引言
隨著(zhù)電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和成熟，電力系統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相控整流技術(shù)的大容量非線(xiàn)性負荷，在運行過(guò)程中所產(chǎn)生的高諧波和低功率因數的運行狀態(tài)，嚴重危害著(zhù)電力系統的安全和電網(wǎng)供電質(zhì)量。
傳統的諧波抑制和無(wú)功補償的方法是將電力無(wú)源濾波器與需補償的非線(xiàn)性負載并聯(lián),為諧波提供一個(gè)低阻通路的同時(shí)也提供負載所需的無(wú)功功率。無(wú)源濾波器(PF)具有結構簡(jiǎn)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)它的補償特性受電網(wǎng)及負載影響較大，其濾波效果依賴(lài)于電網(wǎng)和負載的參數，濾波特性較差；2)給電網(wǎng)帶來(lái)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)只能補償固定的無(wú)功功率,對變化的無(wú)功功率不能進(jìn)行精確的補償，不能對諧波和無(wú)功實(shí)現動(dòng)態(tài)補償；4)所需儲能元件的體積大。有源濾波器(APF, AcTIve POWER Filter)則有效的解決了無(wú)源濾波器的缺點(diǎn)。有源濾波器的補償特性受電網(wǎng)及負載影響很小，不但避免了與電網(wǎng)發(fā)生串、并聯(lián)諧振的危險，同時(shí)還可抑制串并聯(lián)諧振的發(fā)生；實(shí)現了動(dòng)態(tài)補償，可以對頻率和大小都變化的諧波以及變化的無(wú)功功率進(jìn)行迅速的動(dòng)態(tài)跟蹤補償；可以同時(shí)對諧波和無(wú)功進(jìn)行補償，且補償無(wú)功的大小可做到連續調節，既可對一個(gè)諧波和無(wú)功源單獨補償，也可對多個(gè)諧波和無(wú)功源進(jìn)行綜合補償；有源濾波器補償無(wú)功功率時(shí)不需儲能元件，補償諧波時(shí)所需儲能元件容量不大。
本文在介紹有源濾波器的基本原理和結構特點(diǎn)的基礎上，介紹了有源濾波器拓撲結構的發(fā)展現狀及其運用，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構
有源濾波器是由一組開(kāi)關(guān)器件和無(wú)源儲能元件如電感和電容組成，其系統主要由指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路兩大部分組成。有源濾波器結構如圖1。設負載電流 的高次諧波含量為 。它的基本工作原理是：檢測補償對象的電流(或電壓)，經(jīng)過(guò)指令運算電路得到補償電流的指令信號。該信號經(jīng)控制器由補償電流發(fā)生電路獲得，補償電流 與負載中的諧波電流 抵消，使電網(wǎng)的電流恢復為純正弦波形；同時(shí)，有源濾波器發(fā)出基波無(wú)功電流，進(jìn)行無(wú)功補償。
圖1 有源濾波器的結構
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3 有源濾波器的拓撲結構及其應用
根據電力有源濾波器接入電網(wǎng)的方式，可將其系統構成分為三大類(lèi)，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單獨使用方式
圖2為單獨使用方式的并聯(lián)型有源濾波系統的構成拓撲。它是有源濾波器中最基本的形式，它可產(chǎn)生與負載諧波大小相等，方向相反的補償電流，從而將電源側電流補償為正弦波。并聯(lián)型有源濾波器主要用于感性電流源型負載的補償，它也是工業(yè)上已投入運行最多的一種方案，但由于電源電壓直接加在逆變橋上，因此對開(kāi)關(guān)元件的電壓等級要求高；負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)具備大的補償容量和寬的補償頻帶比較困難。
圖2 單獨使用的并聯(lián)APF
3.1.2 與PF混合使用方式
為克服單獨使用時(shí)面臨的缺點(diǎn)，并聯(lián)型APF常常與PF混合使用。就與PF混合使用的形式來(lái)說(shuō)又可分為兩種：一種是有源電力濾波器與無(wú)源濾波器并聯(lián)；另一種是有源電力濾波器與無(wú)源濾波器串聯(lián)。圖3(a)是并聯(lián)型APF與PF并聯(lián)的結構圖。APF與PF并聯(lián)接入電網(wǎng)，共同承擔補償諧波的任務(wù)。PF主要補償較高次的諧波，是一個(gè)高通濾波器，它一方面用于消除補償電流中因主電路中器件通斷而引起的諧波，另一方面它可濾除補償對象中次數較高的諧波，從而可降低對APF主電路中器件開(kāi)關(guān)頻率的要求。圖3(b)為并聯(lián)型APF與PF串聯(lián)使用的結構圖，該方式中，APF的用于改善PF的濾波特性，克服PF易受電網(wǎng)阻抗影響和易與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振缺點(diǎn)。而諧波和無(wú)功主要由PF補償，而這種方式中，APF不承受交流電源的基波電壓，因此裝置容量比較小。并聯(lián)混合型有源電力濾波器具有安裝、維護簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)， 可以直接在已有的無(wú)源濾波器上進(jìn)行改造， 因此并聯(lián)混合型電力有源濾波器的使用最為廣泛。
圖3(a)是并聯(lián)型APF與PF并聯(lián)的結構圖
圖3(b)為并聯(lián)型APF與PF串聯(lián)使用的結構圖
3.1.3 注入電路方式
注入電路方式又可分為與LC串聯(lián)諧振注入電路方式和與LC并聯(lián)諧振注入電路方式兩種。這種方式可降低APF的容量，它是用電感和電容構成注入回路，利用電感電容電路的諧振特性，使得APF只需承受很小部分的基波電壓，從而使APF 容量減小。
3.2 串聯(lián)型有源濾波器
串聯(lián)型APF的包括單獨使用方式和與無(wú)源濾波器混合使用方式兩種。串聯(lián)型APF的結構圖如圖4。這種裝置相當于一個(gè)電壓控制電壓源，通過(guò)對電源電壓中的諧波分量的檢測，產(chǎn)生與之相反的附加電壓信號，從而實(shí)現系統與諧波的隔離，使電源端電壓恢復正弦波形。這種方式的特點(diǎn)是有源濾波器作為電壓源串聯(lián)在電源和基波源之間，它主要用于消除帶電容二極管整流電路等，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(dòng)對敏感負載的影響。
與并聯(lián)型APF相比，由于串聯(lián)型APF中流過(guò)的是正常負荷電流，因此損耗較大；此外，串聯(lián)型APF的投切，故障后的退出及各種保護也較并聯(lián)APF復雜。因此，目前應用較多的是串聯(lián)型APF與PF混合使用方式。圖5為這種方式的典型系統結構。該方案的特點(diǎn)是諧波基本由PF補償，而APF作用只是改善PF的濾波特性。
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3.3 混合型有源濾波器
混合型是指串聯(lián)APF和并聯(lián)APF的混合使用。如圖6，串聯(lián)的APFI將電源與負載隔離，阻止電源諧波電壓傳入負載端，同時(shí)也阻止了負載中的諧波電流污染電網(wǎng)；并聯(lián)的APFII則提供了一個(gè)低阻抗的諧波電流支路，用于吸收負載中的諧波電流，阻止負載中的諧波電流在電源端產(chǎn)生額外的諧波電壓。
這種混合型APF結合了串聯(lián)型APF和并聯(lián)型APF的優(yōu)點(diǎn)，又稱(chēng)為統一電能質(zhì)量調節器(UPQC)?；旌闲虯PF結構的主要缺點(diǎn)是控制方法復雜，成本較高。
4 有源濾波器的發(fā)展趨勢
有源濾波器是改善供電質(zhì)量，凈化電網(wǎng)污染的一種有效裝置，自從七十年代提出以來(lái)，有源濾波技術(shù)得到了長(cháng)足的發(fā)展，越來(lái)越多的APF投入了運行，無(wú)論從現實(shí)功能還是運行功率上都有明顯進(jìn)步。目前，APF已經(jīng)運用在提高電能質(zhì)量，解決三相電力系統中終端電壓調節，電壓波動(dòng)抑制，電壓平衡改善以及諧波消除和無(wú)功補償等問(wèn)題上。從近年來(lái)的研究和應用[1-8]可以看出，有源濾波器的發(fā)展前景如下：
1)隨著(zhù)新型能源的發(fā)展，有源濾波器的運用范圍得到極大擴展。特別是新型能源發(fā)電后并入電網(wǎng)時(shí)，有源濾波器可減少其對電網(wǎng)產(chǎn)生危害，如文獻[8]介紹了一種可運用于太陽(yáng)能發(fā)電的有源濾波器。
2)從成本和效率，以及擴大容量來(lái)說(shuō)，APF與PF混合使用的有源濾波器系統將得到更加廣泛得運用。
3)有源濾波器裝置的多功能化也是其發(fā)展的一個(gè)方向。APF在消除高次諧波的同時(shí)，提高電力系統的穩定性，抑制閃變和補償無(wú)功。這樣既符合電力系統發(fā)展的需要，又從功能上降低了裝置得成本。
5 結束語(yǔ)
本文在介紹有源濾波器的工作原理的基礎上，分析了各種有源濾波器的結構特點(diǎn)，總結了有源濾波器的發(fā)展現狀，展望了有源濾波器的發(fā)展趨勢。
隨著(zhù)我國電力事業(yè)的發(fā)展，電能質(zhì)量的要求將不斷提高，利用有源濾波進(jìn)行電能質(zhì)量治理有著(zhù)巨大的市場(chǎng)潛力。特別在補償諧波、無(wú)功功率、中線(xiàn)電流、不平衡電流等方面，有源濾波技術(shù)必將擁有更加廣闊的前景。
