有源电力滤波器的基本原理及作用

1.有源电力滤波器的分类

有源电力滤波器(APF)的分类如图5-20所示。

图5-20　APF的分类

1)按主电路结构分类

根据主电路储能元件的不同，APF可分为电压型和电流型两种，其电路结构如图5-21所示。

图5-21　APF的电路结构

(a)电压型；(b)电流型

APF通过谐波检测得到的指令信号使三极管导通，从而补偿电网中的谐波电流。

电压型APF的主电路电流侧接有大电容，在正常工作时，其电压基本保持不变，且具有损耗小、效率高、初期投资小，可任意并联扩容，易于单机小型化，经济性好等优点，适用于电网级谐波补偿。目前90%以上的APF为电压型，技术相对成熟、完善。

电流型APF的主电路直流侧接有大电感，在正常工作时，其电流基本保持不变，但由于其主电路直流侧始终有电流通过，而该电流将在电感的内阻上产生较大的损耗，不适用于大容量系统，因此目前使用较少。不过随着超导储能技术的不断发展，今后可能会有更多的电流型APF投入使用。

2)按接入电网方式分类

从接入电网的连接方式看，APF可分为并联型、串联型和串-并联混合型三大类，具体种类划分如图5-22所示。

图5-22　APF按接入电网方式分类

并联型APF是有源电力滤波器中最基本的构成方式，如图5-23所示。APF与系统并联等效为一个受控电流源，向系统注入与谐波电流大小相等、方向相反的电流，从而达到滤波的目的，主要适用于电流源型感性负载的谐波补偿。并联型APF通过耦合变压器或电感接入系统，不会对系统运行造成影响，具有投切方便、灵活及保护简单的优点。另外，并联型APF还可以并联使用以提供大的电流，可以应用于多种容量的场合。目前工业上已投入运行的APF多采用此方案。

图5-23　并联型APF结构

并联型APF又可以分为单独使用方式、与无源滤波器(PF)混合使用方式和注入电路方式3种。其中，并联型APF与PF混合使用方式又分为并联式和串联式两种，分别如图5-24(a)和图5-24(b)所示；注入电路方式分为串联谐振式和并联谐振式两种，分别如图5-25(a)和图5-25(b)所示。

图5-24　并联型APF与PF混合使用

(a)并联式；(b)串联式

图5-25　并联型APF注入电路方式

(a)串联谐振式；(b)并联谐振式

串联型APF经耦合变压器串入系统，可等效为一个受控电压源，主要作用是消除电压源型谐波及系统侧电压谐波与电压波动对敏感负载的影响，其结构如图5-26所示。串联型APF的主要优点是能补偿电网谐波电压和三相不平衡电压，对电压敏感性负载尤为适用，可以为负载提供一个合适的系统电压。与并联型APF相比，其主要缺点是当流过很大的负载电流时，会使变压器的额定参数上升，体积变大；此外，串联型APF的投切和故障后的退出及保护也较为复杂。目前，串联型APF的应用较少。

图5-26　串联型APF结构

串联型APF可分为独立使用方式、与PF混合使用方式两种。其中，串联型APF与PF混合使用方式如图5-27所示。

图5-27　串联型APF与PF混合使用方式

串-并联混合型APF又称统一电能质量调节器(Unified Power Quality Controller，UPQC)，它综合了串联型APF和并联型APF两种结构，充分发挥了两者各自的优点，并通过将两者组成一个完整的用户电力装置来解决电能质量的综合性问题，其结构如图5-28所示。并联型APF直接并入系统，起到补偿谐波电流、无功电流、三相不平衡及调节直流母线电压的作用；串联型APF通过耦合变压器串入系统，起到补偿谐波电压、消除系统不平衡、调节电压波动与电压闪变等作用。UPQC同时具有并联型APF和串联型APF两者的优点，被认为是最理想的APF的结构，其主要缺点是成本较高和控制复杂。UPQC的电路结构和控制方法是目前电力电子技术领域的一个研究热点。

图5-28　UPQC结构

2.有源电力滤波器谐波检测原理

三相电流、电压的瞬时值分别用ia、ib、ic和ea、eb、ec表示，由于是三相三线系统，所以三相电流与电压满足ia＋ib＋ic＝0和ea＋eb＋ec＝0。因而，三相三线系统中电流和电压实际上只有两项是独立的，利用电力系统分析中常用的α-β变换，可以将三相电流、电压信号变换为正交的α-β坐标系中的向量。由下面的变换可以得到α、β两相瞬时电压eα、eβ和瞬时电流iα、iβ，即

α-β坐标系中的电压、电流矢量图如图5-29所示。(https://www.xing528.com)

图5-29　α-β坐标系中的电压、电流矢量图

在图5-29所示的α-β平面上，矢量eα、eβ和iα、iβ分别可以合成(旋转)矢量e和矢量i。

式(5-17)和式(5-18)中，φe和φi分别为e和i的辐角。

根据定义，三相瞬时有功电流和瞬时无功电流分别为i在e及其法线上的投影，瞬时有功功率为i与e的点乘，瞬时无功功率为i与e的叉乘，即

式中，φ＝φe－φi。

将式(5-21)和式(5-22)写成矩阵形式，即

假设三相电网电压平衡且无畸变，则ea、eb、ec可表示成

式中，E——个相电压的幅值；

ω1——基波电压的角频率。

根据式(5-15)和式(5-24)，得

式中，e——e的模。

根据式(5-23)和式(5-25)，得

将ip、iq分解为直流分量和交流分量，得

对ip、iq中各种电流分量进行反变换，由于C－1＝C，得

在α-β坐标系下的基波正序有功电流为

在α-β坐标系下的基波正序无功电流为

在α-β坐标系下的负序和谐波电流为

在α-β坐标系下的广义无功电流为

将iα和iβ从两相正交坐标系反变换到abc三相坐标系，得

由式(5-16)和式(5-26)，得

ip-iq算法是在假定电网为对称且无畸变的正弦波的情况下推导出来的。在实际电网中，电网电压经常会出现不对称和畸变现象，需要对算法采取一定的措施，才能准确地检测出不同的电流分量。

以瞬时无功理论为基础，计算出以p、q或ip、iq为出发点，分别可以得出三相电路谐波和无功电流检测的两种方法，分别称为p-q检测法和ip-iq检测法。

1)p-q检测法

图5-30　p-q检测法原理图

图5-31　ip-iq检测法原理图

3.电压型并联APF的结构与工作原理

电压型并联APE的结构如图5-32所示。图5-32中，交流电网对非线性负载供电，非线性负载为谐波源，产生谐波并且消耗无功功率。APF由四部分组成：谐波电流检测电路、电流跟踪控制电路、主开关器件驱动电路和主电路。根据APF的补偿目的检测出负载电流中的谐波分量，同时还要检测直流侧母线电压。然后将这些信号输入电流跟踪控制电路，通过控制算法生成一系列PWM信号，以此作为补偿电流的指令信号。这些信号经过电平转换后输入主开关器件驱动电路，驱动主电路中的主开关器件。此时，APF产生补偿电流并注入电网，该电流与非线性负载电流相位相反，幅值为负载电流中的谐波分量，从而达到滤除谐波的目的。

图5-32　电压型并联APF系统的结构