有源電力濾波器定義

　　有源電力濾波器（APF：Active power filter）是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Σ煌笮『皖l率的諧波進(jìn)行快速跟蹤補償，之所以稱為有源，是相對于無源LC濾波器，只能被動吸收固定頻率與大小的諧波而言，APF可以通過采樣負(fù)載電流并進(jìn)行各次諧波和無功的分離，控制并主動輸出電流的大小、頻率和相位，并且快速響應(yīng)，抵消負(fù)載中相應(yīng)電流，實現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補償，而且可以既補諧波又補無功和不平衡。

　　有源電力濾波器的優(yōu)勢：

　　（1）低紋波電流，高電流響應(yīng)速度

　　（2）提高系統(tǒng)耐壓，應(yīng)用于較高電壓系統(tǒng)

　　有源電力濾波器分類：

　　按電路拓樸結(jié)構(gòu)分類，電力有源濾波器可分為并聯(lián)型、串聯(lián)型、串－并聯(lián)型和混合型。

　　圖1并聯(lián)型有源濾波器

　　圖1所示為并聯(lián)型有源濾波器的基本結(jié)構(gòu)。它主要適用于電流源型非線性負(fù)載的諧波電流抵消、無功補償以及平衡三相系統(tǒng)中的不平衡電流等。目前并聯(lián)型有源濾波器在技術(shù)上已較成熟，它也是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的一種有源濾波器拓補結(jié)構(gòu)。

圖2串聯(lián)型有源濾波器

　　圖2所示為串聯(lián)型有源濾波器的基本結(jié)構(gòu)。它通過一個匹配變壓器將有源濾波器串聯(lián)于電源和負(fù)載之間，以消除電壓諧波，平衡或調(diào)整負(fù)載的端電壓。與并聯(lián)型有源濾波器相比，串聯(lián)型有源濾波器損耗較大，且各種保護電路也較復(fù)雜，因此，很少研究單獨使用的串聯(lián)型有源濾波器，而大多數(shù)將它作為混合型有源濾波器的一部分予以研究。

圖3混合型有源濾波器

　　圖3所示為混合型有源濾波器的基本結(jié)構(gòu)。它是在串聯(lián)型有源濾波器的基礎(chǔ)上使用一些大容量的無源L-C濾波網(wǎng)絡(luò)來承擔(dān)消除低次諧波，進(jìn)行無功補償?shù)娜蝿?wù)。而串聯(lián)型有源濾波器只承擔(dān)消除高次諧振及阻尼無源LC網(wǎng)絡(luò)與線路阻抗產(chǎn)生的諧波諧振的任務(wù)。從而使串聯(lián)型有源濾波器的電流、電壓額定值大大減少（功率容量可減少到負(fù)載容量的5%以下），降低了有源濾波器的成本和體積。從經(jīng)濟角度而言，這種結(jié)構(gòu)形式在目前是一種值得推薦的方案。但隨著電力電子器件性能的不斷提高，成本不斷下降，混合型有源濾波器可能被下面一種性能價格比更高的有源濾波器代替。

圖4串－并聯(lián)型有源濾波器

　　圖4所示為串－并聯(lián)型有源濾波器的基本結(jié)構(gòu)。它組合了串聯(lián)有源濾波器和并聯(lián)有源濾波器的優(yōu)點，能解決電氣系統(tǒng)發(fā)生的大多數(shù)電能質(zhì)量問題，所以又稱之為萬能有源濾波器或統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPQC），該類有源濾波器的主要問題是控制復(fù)雜、造價較高。

　　有源電力濾波器主要應(yīng)用：

　　1.變頻設(shè)備的應(yīng)用場合　隨著技術(shù)的進(jìn)步，變頻設(shè)備大量應(yīng)用于各類場合，變頻設(shè)備會產(chǎn)生大量的諧波，因此，這類場合是有源濾波器主要的目標(biāo)市場之一。

　　2.不穩(wěn)定負(fù)荷的應(yīng)用場合　不穩(wěn)定負(fù)荷不是有源濾波器的主要市場，但它是電力系統(tǒng)一個極其重要的方面，因為不穩(wěn)定的負(fù)荷雖然所占比例不大，但是它們對電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它負(fù)荷所造成的影響，因此對于該類應(yīng)用場合也應(yīng)作為有源濾波器的主要市場方向之一。

　　3.鋼鐵廠　鋼鐵廠的電弧爐、軋鋼機等是主要的諧波發(fā)生設(shè)備，且主要是沖擊性負(fù)荷，對鋼鐵廠附近的其它負(fù)荷有很大影響。同時，諧波問題對鋼鐵廠無功補償?shù)挠绊懞艽螅詰?yīng)以無功補償和諧波治理同時處理作為目標(biāo)。

　　4.有色冶金　有色冶金的負(fù)荷除電弧爐性質(zhì)的負(fù)荷外，還由于采用直流濕法冶金而產(chǎn)生大量的直流成分。

　　5.港口機械　港機是大型的提升設(shè)備，一般都采用很大的變頻器，因此是港口機械主要的諧波發(fā)生源，因此對于該類應(yīng)用場合也應(yīng)作為有源濾波器的市場方向之一。

　　6.電氣化鐵路　電氣化鐵路一般使用直流電機拖動，因此是一個市政方面的主要諧波源。根據(jù)現(xiàn)有上海、北京等地電氣化鐵路的運行情況，大多數(shù)系統(tǒng)都安裝了濾波器。預(yù)計本產(chǎn)品可以達(dá)到電氣鐵路濾波器國產(chǎn)化的作用?！?7.高精度自動化生產(chǎn)線　高精度自動化生產(chǎn)線本身不產(chǎn)生諧波，但是對于電能質(zhì)量有很高的要求，因此需要在高精度自動化生產(chǎn)線的供電側(cè)安裝有源濾波器，以降低諧波對生產(chǎn)線的影響。

　　8.辦公大樓、大型商業(yè)區(qū)等節(jié)能燈和空調(diào)集中場所　辦公大樓、大型商業(yè)區(qū)等節(jié)能燈和空調(diào)集中場所的諧波情況也非常嚴(yán)重，治理方法宜采用集中治理方法，以節(jié)省成本。

　　三相四線并聯(lián)型有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)與工作原理

　　并聯(lián)有源電力濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波和補償無功的新型電力電子裝置，近年來，有源電力濾波器的理論研究和應(yīng)用均取得了較大的成功。對其主電路（VSI）參數(shù)的設(shè)計也進(jìn)行了許多探討，但是，目前交流側(cè)濾波電感還沒有十分有效的設(shè)計方法，然而該電感對有源濾波器的補償性能十分關(guān)鍵。

　　圖1為三相四線制并聯(lián)型有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)。主電路采用電容中點式的電壓型逆變器。電流跟蹤控制方式采用滯環(huán)控制。

　　圖1 三相四線制并聯(lián)型有源濾波器的結(jié)構(gòu)

　　以單相控制為例，分析滯環(huán)控制PWM調(diào)制方式實現(xiàn)電流跟蹤的原理。在該控制方式中，指令電流計算電路產(chǎn)生的指令信號ic*與實際的補償電流信號ic進(jìn)行比較，兩者的偏差作為滯環(huán)比較器的輸入，通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路的PWM的信號，此信號再通過死區(qū)和驅(qū)動控制電路，用于驅(qū)動相應(yīng)橋臂的上、下兩只功率器件，從而實現(xiàn)電流ic的控制。

　　以圖2中A相半橋為例分析電路的工作過程。開關(guān)器件S1和S4組成A相的半橋變換器，電容C1和C2為儲能元件。uc1和uc2為相應(yīng)電容上的電壓。為了能使半橋變換器正常跟蹤指令電流，應(yīng)使其電壓uc1和uc2大于輸入電壓的峰值。

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

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

　　圖2 電壓型逆變器A相工作過程圖

　　當(dāng)電流ica》0時，若S1關(guān)斷，S4導(dǎo)通，則電流流經(jīng)S4使電容C2放電，如圖2（a）所示，同時，由于uc2大于輸入電壓的峰值，故電流ica增大（dica/dt》0）。對應(yīng)于圖3中的t0～t1時間段。

　　當(dāng)電流增大到ica*+δ時（其中ica*為指令電流，δ為滯環(huán)寬度），在如前所述的滯環(huán)控制方式下，使得電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換到圖2（b），即S4關(guān)斷，電流流經(jīng)S1的反并二極管給電容C1充電，同時電流ica下降（dica/dt《0）。相對應(yīng)于圖3中的t1～t2時間段。

　　圖3 滯環(huán)控制PWM調(diào)制器的工作狀態(tài)

　　同樣的道理可以分析ica《0的情況。通過整個電路工作情況分析，得出在滯環(huán)PWM調(diào)制電路的控制下，通過半橋變換器上下橋臂開關(guān)管的開通和關(guān)斷，可使得其產(chǎn)生的電流在一個差帶寬度為2δ的范圍內(nèi)跟蹤指令電流的變化。

　　當(dāng)有源濾波器的主電路采用電容中點式拓?fù)鋾r，A，B，C三相的滯環(huán)控制脈沖是相對獨立的。其他兩相的工作情況與此相同。