三相四线并联型有源电力滤波器的结构及工作原理

　　有源电力滤波器定义

　　有源电力滤波器（APF：Active power filter）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对不同大小和频率的谐波进行快速跟踪补偿，之所以称为有源，是相对于无源LC滤波器，只能被动吸收固定频率与大小的谐波而言，APF可以通过采样负载电流并进行各次谐波和无功的分离，控制并主动输出电流的大小、频率和相位，并且快速响应，抵消负载中相应电流，实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功和不平衡。

　　有源电力滤波器的优势：

　　（1）低纹波电流，高电流响应速度

　　（2）提高系统耐压，应用于较高电压系统

　　有源电力滤波器分类：

　　按电路拓朴结构分类，电力有源滤波器可分为并联型、串联型、串－并联型和混合型。

　　图1并联型有源滤波器

　　图1所示为并联型有源滤波器的基本结构。它主要适用于电流源型非线性负载的谐波电流抵消、无功补偿以及平衡三相系统中的不平衡电流等。目前并联型有源滤波器在技术上已较成熟，它也是当前应用最为广泛的一种有源滤波器拓补结构。

图2串联型有源滤波器

　　图2所示为串联型有源滤波器的基本结构。它通过一个匹配变压器将有源滤波器串联于电源和负载之间，以消除电压谐波，平衡或调整负载的端电压。与并联型有源滤波器相比，串联型有源滤波器损耗较大，且各种保护电路也较复杂，因此，很少研究单独使用的串联型有源滤波器，而大多数将它作为混合型有源滤波器的一部分予以研究。

图3混合型有源滤波器

　　图3所示为混合型有源滤波器的基本结构。它是在串联型有源滤波器的基础上使用一些大容量的无源L-C滤波网络来承担消除低次谐波，进行无功补偿的任务。而串联型有源滤波器只承担消除高次谐振及阻尼无源LC网络与线路阻抗产生的谐波谐振的任务。从而使串联型有源滤波器的电流、电压额定值大大减少（功率容量可减少到负载容量的5%以下），降低了有源滤波器的成本和体积。从经济角度而言，这种结构形式在目前是一种值得推荐的方案。但随着电力电子器件性能的不断提高，成本不断下降，混合型有源滤波器可能被下面一种性能价格比更高的有源滤波器代替。

图4串－并联型有源滤波器

　　图4所示为串－并联型有源滤波器的基本结构。它组合了串联有源滤波器和并联有源滤波器的优点，能解决电气系统发生的大多数电能质量问题，所以又称之为万能有源滤波器或统一电能质量调节器（UPQC），该类有源滤波器的主要问题是控制复杂、造价较高。

　　有源电力滤波器主要应用：

　　1.变频设备的应用场合　随着技术的进步，变频设备大量应用于各类场合，变频设备会产生大量的谐波，因此，这类场合是有源滤波器主要的目标市场之一。

　　2.不稳定负荷的应用场合　不稳定负荷不是有源滤波器的主要市场，但它是电力系统一个极其重要的方面，因为不稳定的负荷虽然所占比例不大，但是它们对电力系统产生的影响却远远大于其它负荷所造成的影响，因此对于该类应用场合也应作为有源滤波器的主要市场方向之一。

　　3.钢铁厂　钢铁厂的电弧炉、轧钢机等是主要的谐波发生设备，且主要是冲击性负荷，对钢铁厂附近的其它负荷有很大影响。同时，谐波问题对钢铁厂无功补偿的影响很大，所以应以无功补偿和谐波治理同时处理作为目标。

　　4.有色冶金　有色冶金的负荷除电弧炉性质的负荷外，还由于采用直流湿法冶金而产生大量的直流成分。

　　5.港口机械　港机是大型的提升设备，一般都采用很大的变频器，因此是港口机械主要的谐波发生源，因此对于该类应用场合也应作为有源滤波器的市场方向之一。

　　6.电气化铁路　电气化铁路一般使用直流电机拖动，因此是一个市政方面的主要谐波源。根据现有上海、北京等地电气化铁路的运行情况，大多数系统都安装了滤波器。预计本产品可以达到电气铁路滤波器国产化的作用。　 7.高精度自动化生产线　高精度自动化生产线本身不产生谐波，但是对于电能质量有很高的要求，因此需要在高精度自动化生产线的供电侧安装有源滤波器，以降低谐波对生产线的影响。

　　8.办公大楼、大型商业区等节能灯和空调集中场所　办公大楼、大型商业区等节能灯和空调集中场所的谐波情况也非常严重，治理方法宜采用集中治理方法，以节省成本。

　　三相四线并联型有源电力滤波器的结构与工作原理

　　并联有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置，近年来，有源电力滤波器的理论研究和应用均取得了较大的成功。对其主电路（VSI）参数的设计也进行了许多探讨，但是，目前交流侧滤波电感还没有十分有效的设计方法，然而该电感对有源滤波器的补偿性能十分关键。

　　图1为三相四线制并联型有源电力滤波器的结构。主电路采用电容中点式的电压型逆变器。电流跟踪控制方式采用滞环控制。

　　图1 三相四线制并联型有源滤波器的结构

　　以单相控制为例，分析滞环控制PWM调制方式实现电流跟踪的原理。在该控制方式中，指令电流计算电路产生的指令信号ic*与实际的补偿电流信号ic进行比较，两者的偏差作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路的PWM的信号，此信号再通过死区和驱动控制电路，用于驱动相应桥臂的上、下两只功率器件，从而实现电流ic的控制。

　　以图2中A相半桥为例分析电路的工作过程。开关器件S1和S4组成A相的半桥变换器，电容C1和C2为储能元件。uc1和uc2为相应电容上的电压。为了能使半桥变换器正常跟踪指令电流，应使其电压uc1和uc2大于输入电压的峰值。

　　（a）ica》0，dica/dt》0（b）ica》0，dica/dt《0

　　（c）ica《0，dica/dt《0（d）ica《0，dica/dt》0

　　图2 电压型逆变器A相工作过程图

　　当电流ica》0时，若S1关断，S4导通，则电流流经S4使电容C2放电，如图2（a）所示，同时，由于uc2大于输入电压的峰值，故电流ica增大（dica/dt》0）。对应于图3中的t0～t1时间段。

　　当电流增大到ica*+δ时（其中ica*为指令电流，δ为滞环宽度），在如前所述的滞环控制方式下，使得电路状态转换到图2（b），即S4关断，电流流经S1的反并二极管给电容C1充电，同时电流ica下降（dica/dt《0）。相对应于图3中的t1～t2时间段。

　　图3 滞环控制PWM调制器的工作状态

　　同样的道理可以分析ica《0的情况。通过整个电路工作情况分析，得出在滞环PWM调制电路的控制下，通过半桥变换器上下桥臂开关管的开通和关断，可使得其产生的电流在一个差带宽度为2δ的范围内跟踪指令电流的变化。

　　当有源滤波器的主电路采用电容中点式拓扑时，A，B，C三相的滞环控制脉冲是相对独立的。其他两相的工作情况与此相同。