有源濾波器技術(shù)綜述

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1、有源濾波器技術(shù)綜述仇鋒郭濤吳睿作者：power來源：網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)擊：103日期：2007-09-02一、引言近幾十年來電力電子技術(shù)不斷發(fā)展并廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用、軍事等各領(lǐng)域。電力電子設(shè)備的大量應(yīng)用產(chǎn)生引入了大量的諧波及無功電流成分，造成負(fù)載電流的不平衡及零序電流的增加，使得系統(tǒng)的效率降低電網(wǎng)的功率因數(shù)下降。同時(shí)大量電力電子設(shè)備的應(yīng)用還產(chǎn)生電磁干擾問題，對(duì)其它用電設(shè)備造成影響甚至使得其它用電設(shè)備無法正常工作。上世紀(jì)70年代前國內(nèi)外大量采用無源L-C濾波器進(jìn)行諧波抑制、無功補(bǔ)償、功率因數(shù)的提高。但無源L-C濾波器有其固有的缺陷，如補(bǔ)償諧波次數(shù)固定、體積大、存

2、在諧振現(xiàn)象。在諧波污染日益嚴(yán)重的情況下研究人員希望找到一種能動(dòng)態(tài)、靈活補(bǔ)償諧波及無功電流的解決方案。上世紀(jì)70年代提出了應(yīng)用電力電子裝置進(jìn)行諧波及無功補(bǔ)償?shù)姆椒?，這就是有源濾波器(activepowerfilter，簡寫為APF)。其基本原理是通過對(duì)電網(wǎng)電壓及負(fù)載電流的分析計(jì)算得到與負(fù)載電流諧波和無功分量相同的補(bǔ)償電流，通過變換器向電網(wǎng)注入補(bǔ)償電流提供給負(fù)載使用，使得電源電流的諧波和無功分量為零從而提高系統(tǒng)的功率因數(shù)。APF與傳統(tǒng)的無源濾波器相比有體積小，補(bǔ)償靈活等優(yōu)點(diǎn)。APF發(fā)展初期由于受到功率理論及功率器件、集成電路發(fā)展的約束并沒有取得較大的突破

3、，僅局限于應(yīng)用模擬器件設(shè)計(jì)。功率理論、功率器件和微控制器及大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展大力推動(dòng)了APF技術(shù)的發(fā)展。二、有源濾波器的分類有源濾波器的分類可基于變換器儲(chǔ)能元件的類型、功率電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及所應(yīng)用的供電系統(tǒng)，這些分類也存在著一定的交叉。1、基于變換器儲(chǔ)能元件形式的分類在APF的發(fā)展過程中有兩種儲(chǔ)能形式的APF變換器。電流源型脈寬調(diào)制APF如圖1所示，該APF的儲(chǔ)能元件為電感。電流源型APF作為非線性電流源補(bǔ)償非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流，其結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定，但損耗較大不適用于大功率場(chǎng)合。由于無法級(jí)聯(lián)且單臺(tái)的容量不大所以應(yīng)用較少。另一種為電壓源型寬調(diào)

4、制APF如圖2所示，該APF的儲(chǔ)能元件是直流側(cè)的電容。該種APF直流側(cè)并聯(lián)電容逆變橋損耗較小。由于是電壓源的形式，所以容易實(shí)現(xiàn)并聯(lián)從而可降低單臺(tái)APF的容量。電壓源形式的APF技術(shù)較成熟、完善目前使用較多。2、基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分類基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)APF可分為并聯(lián)型APF、串聯(lián)型APF、串聯(lián)與并聯(lián)相結(jié)合的綜合型APF、有源與無源相結(jié)合的混合APF。圖1、圖2所示為一典型的并聯(lián)型APF，其輸出與負(fù)載輸入端相并聯(lián)。輸出電流與負(fù)載諧波或無功電流大小相同，向負(fù)載提供諧波或無功電流(靜態(tài)無功補(bǔ)償)，從而使得電源電流正弦化提高電源功率因數(shù)。并聯(lián)型APF即可消諧波也可發(fā)出

5、無功或兩者同時(shí)進(jìn)行。通常并聯(lián)型APF安裝在負(fù)載端。圖3所示為串聯(lián)型APF，其輸出與負(fù)載和電源相串聯(lián)。輸出電壓與負(fù)載電壓之和等于電源電壓。從而可以控制輸出電壓抑制電源電壓波動(dòng)、消除電源電壓諧波、平衡終端電壓。圖4所示為串聯(lián)與并聯(lián)相結(jié)合的綜合型APF，在該種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中串聯(lián)型APF與并聯(lián)型APF共用一直流測(cè)電容。該種拓?fù)涞腁PF被認(rèn)為是一種較理想的APF，該種APF即可補(bǔ)償電流的諧波和無功分量又可補(bǔ)償電壓的諧波分量抑制電壓波動(dòng)平衡終端電壓。但也有固有的缺陷，如控制復(fù)雜，投入較大。隨著電力電子元器件容量的不斷增加價(jià)格的不斷下降及DSP技術(shù)的不斷發(fā)展該種拓?fù)浣Y(jié)

6、構(gòu)有很好的發(fā)展前景。圖5所示為有源串聯(lián)濾波器與無源濾波器相結(jié)合的混合型APF。負(fù)載諧波中較低次的諧波含量較高，采用無源濾波器主要用于濾除較低次數(shù)的諧波補(bǔ)償大部分的無功。這樣與之相結(jié)合的有源濾波器容量大大減小，投入可大大降低。以上幾種拓?fù)錇榛镜耐負(fù)湫问剑鼛啄陙硪灿腥颂岢鲂碌耐負(fù)湫问?。圖6將三電平逆變器技術(shù)應(yīng)用于并聯(lián)型APF中可使APF自身產(chǎn)生的諧波電流減少。由于電平數(shù)的增加開關(guān)器件的耐壓會(huì)大大減小同時(shí)可增大APF的容量。同樣該拓?fù)湟部捎糜诖?lián)型APF中。圖7拓?fù)渲胁捎媚蛪狠^高開關(guān)頻率較低的IGBT逆變橋用于電壓諧波的補(bǔ)償和基波無功電流的補(bǔ)償。采用耐

7、壓較低但開關(guān)頻率較高的MOSFET逆變橋則用于諧波電流的補(bǔ)償。MOSFET逆變橋利用IGBT逆變橋中直流側(cè)部分直流電容電壓。由于采用了IGBT與MOSFET的混合結(jié)構(gòu)使得IGBT的容量得到了有效的降低。與傳統(tǒng)的APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比該種結(jié)構(gòu)的APF可補(bǔ)償?shù)闹C波電流次數(shù)更高范圍更廣泛，直流側(cè)電壓降低逆變橋損耗減小。3、基于供電系統(tǒng)的分類基于APF所應(yīng)用的供電系統(tǒng)，APF可分為用于單相兩線制的APF，用于三相三線制的APF，用于三相四線制的APF，用于直流系統(tǒng)的APF。電流源型APF、電壓源型APF、并聯(lián)型APF、串聯(lián)型APF、綜合型APF、混合型APF都可

8、用于單相兩線制、三相三線制、三相四線制供電系統(tǒng)中、用于直流電源的APF。4、拓?fù)潆娐返陌l(fā)展方向現(xiàn)階段并聯(lián)型A