串联型和并联型电力有源滤波器的比较

1.有源电力滤波器的基本原理

图7-47为最基本的有源电力滤波器原理图。负荷为谐波源，它产生谐波并消耗无功。实时谐波、无功检测电路检测补偿对象的电压和电流，经控制电路中的指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负荷电流中要补偿的谐波及无功电流相抵消，最终得到期望的电源电流。

图7-47 有源电力滤波器原理图

有源电力滤波器利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。有源电力滤波器特点如下：

1）实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波、无功和负序进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应。

2）补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需储能元件容量也不大。

3）受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振。

4）能跟踪电网频率的变化，补偿性能不受电网频率变化的影响。

5）可对一个及多个谐波和无功源进行补偿。

2.有源电力滤波器的分类

有源电力滤波器可以按不同方式进行分类，各分类方式有相互包含、相互交叉的现象。

（1）按电源性质分类

有源电力滤波器按电源性质可分为交流有源电力滤波器、直流有源电力滤波器。交流有源电力滤波器应用较广泛，可应用于不同频率、不同相数、不同线制的交流输电及用电系统中。相比而言，直流有源电力滤波器的应用则较少，其研究及应用正在不断开展中。直流有源电力滤波器的典型应用是在直流输电系统中滤除直流输出谐波，另外则是在高精度输出直流电源上。

（2）按直流侧储能元件分类

有源电力滤波器工作时为了与交流侧交换能量达到补偿谐波的效果，其直流侧必须有储能元件。根据有源电力滤波器直流侧储能元件的不同，有源电力滤波器可分为电感储能型有源电力滤波器和电容储能型有源电力滤波器。电感储能型有源电力滤波器也称为电流源型有源电力滤波器（Current-fed-type APF），如图7-48所示。电容储能型有源电力滤波器也称为电压源型有源电力滤波器（Voltage-fed-type APF），如图7-49所示。电流源型有源电力滤波器作为非线性电流源补偿非线性负载产生的谐波电流，其结构简单、性能稳定，但损耗较大，不适用于大功率场合。由于无法级联且单台的容量不大，所以应用较少。电压源型有源电力滤波器直流侧并联电容，逆变桥损耗较小，由于是电压源的形式，所以容易实现级联从而可降低单台APF的容量。电压源形式的APF技术较成熟、完善，目前使用较多。

（3）根据接入电网的方式分类

有源电力滤波器按其接入电网的方式不同，大致可分为并联型APF（Shunt APF）、串联型APF（Series APF）及统一电能质量调节器三类，前两者又分别包括不同类型。有源电力滤波器的分类如图7-50所示。

3.并联型有源电力滤波器

由于APF的主电路与负载并联接入电网，故称为并联型有源电力滤波器，这是有源电力滤波器中最基本的形式，也是目前应用最多的一种，因此研究的对象采用单一并联型有源电力滤波器。

图7-48 电流源型有源电力滤波器

图7-49 电压源型有源电力滤波器

图7-50 有源电力滤波器的分类

（1）并联型有源电力滤波器的补偿原理

并联型有源电力滤波器的系统构成框图如图7-51所示。电源为三相交流电网电源，非线性负载产生谐波并吸收无功功率。其中i_sa为电源电流，i_la为负载电流，i_ca为补偿电流。并联型有源电力滤波器主要由指令电流计算部分和补偿电流发生部分（电流跟踪控制电路、驱动电路、功率主电路）两部分组成。其中指令电流计算部分是整个并联型有源电力滤波器的核心部分，只有产生正确的指令电流才能达到良好的补偿效果。电流跟踪控制电路、驱动电路、功率主电路的作用是将产生的指令电流转化为实际的补偿电流。由于并联型有源电力滤波环节采用输出电流闭环控制，因此可以将其看做电流源。具体的补偿原理分析如下：

图7-51 并联型有源电力滤波器的系统构成框图

设电源电压为

式中，U_s为电源电压有效值（V）。

流过负载的非正弦电流可以用傅里叶级数展开表示为

式中，i_l（t）为负载电流瞬时值（单位为A）；I₁为基波电流有效值（单位为A）；I_n为n次谐波电流有效值（单位为A）；i₁（t）为基波电流瞬时值（单位为A）；i_h（t）为谐波电流瞬时值（单位为A）。

只进行谐波补偿时，通过电流采样元件采样得到负载电流，然后经过计算得出谐波电流，将其作为指令电流，通过控制电路控制逆变器向电网注入补偿电流i_c（t），使得i_c（t）=i_h（t），便可以补偿负载的谐波电流使得电源电流正弦化，大大提高电源的功率因数。

若在补偿谐波电流的同时进行无功补偿，可进一步将基波电流分解为

i₁（t）=i_1p（t）+i_1q（t） （7-44）

式中，i_1p（t）为基波有功电流瞬时值；i_1q（t）为基波无功电流瞬时值。从而补偿电流为

i_c（t）=i_h（t）+i_1q（t） （7-45）

经过补偿后的电源电流为与电源电压同相的标准正弦波。

（2）指令电流运算电路

指令电流运算电路的作用是检测出非线性负载电流中的谐波、无功和负序分量。有源电力滤波器的关键技术是如何实时检测非线性负载电流中的谐波、无功和负序分量，以获得控制电路所需的补偿电流指令信号。(www.xing528.com)

电流检测技术主要有：

1）基于Fryze时域分析的有功电流检测法。

2）基于赤木泰文三相瞬时无功功率理论的检测方法。

3）基于自适应干扰抵消原理的自适应闭环检测法。

4）基于频域分析的FFT检测法。

并联型APF的输出相电压的原理图如图7-51所示。图中U_a、U_b、U_c为逆变器a、b、c三相的输出相电压，U_dc为逆变器直流侧电压，E_a、E_b、E_c为三相电源的电压，i_ca、i_cb、i_cc为有源电力滤波器的实际输出电流，i^*_ca、i^*_cb、i^*_cc为有源电力滤波器需要输出的电流，i_fa、i_fb、i_fc为负载侧电流，L为逆变器输出电感，CT为电流传感器，C为直流侧电容。

（3）补偿电流发生电路

1）有源滤波器的主电路。

有源滤波器的主电路通常采用PWM变流器。根据直流侧储能元件的不同，可分为电压型和电流型两种。图7-52和图7-53所示为电压型和电流型PWM变流器。电压型PWM变流器的直流侧接有电容器，在正常工作时，可看做电压源，在交流侧的输出电压为PWM波；电流型PWM变流器的直流侧接有电感器，在正常工作时，可看做电流源，在交流侧的输出电流为PWM波。

图7-52 电压型PWM变流器

图7-53 电流型PWM变流器

2）电流跟踪控制电路。

电流跟踪控制电路的作用是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流之间的相互关系，得出控制补偿电流发生电路中主电路各个器件通断的PWM信号，以保证补偿电流跟踪其指令信号的变化。

由于并联型有源电力滤波器产生的补偿电流应实时跟随其指令电流信号的变化，要求补偿电流发生器有很好的实时性，因此电流控制采用跟踪型PWM控制方式。目前跟踪型PWM控制方式主要有滞环比较控制和三角波比较方式。

3）直流侧电容电压控制方法

有源滤波器工作时为谐波电流提供通路的同时也在不断影响着直流侧电容上的电压。也就是说，电容电压随着逆变器交流侧电流的变化而变化。逆变器交流侧输入电流（在此节分析中逆变器输出电流正方向为由连接点指向逆变器）抵消负载谐波电流的电流成分，所以有源电力滤波器又可以看做是一主动为负载谐波电流提供通路的装置，其目的在于避免谐波电流流向电源。在谐波电流流向逆变器的同时，也意味着谐波电流包含的有功功率也流向了逆变器直流侧电容，导致直流侧电容随着负载电流中的谐波成分的变化而变化。

对直流侧电压U_c的控制是由图7-54中的PI（Proportional Integral，比例积分）控制器实现的。图中U_cr是U_c的给定值，U_cf是U_c的反馈值，两者之差经PI调节器后得到调节信号Δi_d，它叠加到瞬时有功电流的直流分量i_p上，经运算在指令信号i_h中包含一定的基波有功电流，补偿电流发生电路根据i_h产生补偿电流注入电网，使得有源电力滤波器的补偿电流中包含一定的基波有功电流分量，从而使有源电力滤波器的直流侧与交流侧交换能量，将U_c调节至给定值。

图7-54 包括直流侧电压控制环节的i_p-i_q运算方法原理图

4.串联型有源电力滤波器

由于串联型有源电力滤波器与负载是串联关系，所以只要在有源电力滤波器串入主电路的变压器上产生一个与谐波电压大小相等，方向相反的电压，就能在电源侧得到一个正弦电压，从而使得在电源阻抗上的电压降为电源电压（正弦电压）与该正弦电压之差，也为一正弦电压，从而使得流过电源阻抗的电流（电源电流）为正弦电流。

图7-55所示为加入串联型有源电力滤波器后的系统，其通过变压器串联在电源与负载之间，可被等效为一个受控电压源。此系统通过产生谐波电压（或在以谐波电流为控制参考信号时，等效为对谐波电流呈现高阻抗），达到补偿谐波源、消除对电网侧影响的目的，也可以用于消除系统电压谐波与电压波动对敏感负载的影响。

图7-55 加入串联型有源电力滤波器后的系统

（1）PWM逆变器控制方法

基于功率平衡原理采用滞环电流PWM控制法的单相串联型有源电力滤波器控制电路如图7-56所示，单相串联型有源电力滤波器的原理图如图7-57所示。

图7-56 基于功率平衡原理采用滞环电流PWM控制法的单相串联型有源电力滤波器控制电路

图7-57 单相串联型有源电力滤波器的原理图

参考信号获取电路：通过测取有源电力滤波器上的电容电压k_Cu_C与参考信号比较，经过PI调节器获得等效电抗1/R_e，检测出电源电压k_su_s，经过一个乘法器获得比较参考信号k_su_s/R_e。

功率电路：由滞环控制驱动电路和变流器组成，它跟踪k_su_s/R_e，产生电流i_m，并将该电流注入变压器的二次绕组。

串联变压器及滤波电路：滤波元件L_m、C_m。用于滤除PWM逆变器的开关纹波。

由图7-57可以看出，基于功率平衡原理的单相串联型有源电力滤波器需要检测的信号是有源电力滤波器中逆变器直流侧电容电压u_C、电源电压u_s以及电源电流i_s，然后由控制电路产生控制信号去控制有源电力滤波器逆变器上开关管的动作。

（2）电路结构

三相串联型有源电力滤波器的控制思路是完全按照该单相串联型有源电力滤波器的控制方法，让各相电流直接跟踪该相的电压，控制方程为i_x=u_x/R_e（为对应的任意一相电流、电压）。三相串联型APF原理图如图7-58所示，其系统电路图如图7-59所示。

图7-58 三相串联型APF原理图

图7-59 三相串联型APF的系统电路图

基于功率平衡原理的滞环控制单相串联型有源电力滤波器的主电路部分包括主电路各相关参数的计算；控制电路主要包括PI调节器电路、乘法器电路、滞环控制电路、保护电路和驱动电路。