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【摘 要】并联有源电力滤波器可以动态抑制谐波、补偿无功,具有良好的动态响应速度和补偿特性,得到了广泛的关注和认可.但由于电力电子器件自身承受电压、电流以及开关频率的制约,使得有源电力滤波器在大容量工业场合的应用受到了一定的限制.为了解决有源滤波器中开关器件容量与开关速度之间的矛盾,常采用容量小但开关速度相对较快的器件进行串并联、多个独立的小容量有源电力滤波器模块并联以及多重化主电路等方案.采用混合型有源滤波器,克服了开关器件容量和成本等方面的限制,兼顾了无源滤波器和有源滤波器两者的长处,具有较高的性价比.

【关 键 词】有源电力滤波器,混合型,多重化,模块化

1.引言

随着电力电子器件在工业中的广泛应用,电网中的谐波污染问题日益严重.目前,消除谐波的方法主要有无源电力滤波器（PF）、有源电力滤波器（APF）和混合型有源电力滤波器.无源滤波器结构简单、成本较低、技术比较成熟,但存在容易和系统发生并联谐振,导致谐波放大,使得无源滤波器过载等缺点.有源电力滤波器可以动态抑制谐波、补偿无功,具有良好的动态响应速度和补偿特性,得到了广泛的关注和认可.

2.并联混合型有源电力滤波器

在低压大功率工业应用场合,采用有源电力滤波器与LC无源滤波器并联使用的混合滤波器,主要是为了降低有源滤波器的容量.基本思路是利用LC无源滤波器来分担有源滤波器的一部分补偿任务,让有源滤波器的补偿容量相对较小.两者结合应用既可以克服有源滤波器容量大,成本高的缺点,又可以取得良好的补偿性能,具有较高的性价比.1987年M.Takeda等人提出用并联APF和并联PF相结合的混合型有源电力滤波器方案,如图1所示,在这种结构中,无源滤波器可以包括多组单调谐滤波器及高通滤波器.例如,对于三相桥式整流电路谐波源,无源滤波器典型的组成包括5次、7次及高通滤波器,有时还包括11次甚至13次滤波器.这样,无源滤波器承担了主要的滤除工作,而有源电力滤波器只需补偿LC无源滤波器未能补偿的谐波.这种混合型滤波器可以对较宽范围的谐波进行补偿,性能要好于单独使用的无源滤波器,同时防止了可能出现的谐波放大作用,而APF只需提供很小的补偿电流对高次谐波进行补偿,因而APF容量不需很大.与单独使用的并联有源电力滤波器相比,两者有不少相似之处,另外该方案特别适合于原有采用无源滤波器抑制谐波的改造项目.

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图1并联型混合有源电力滤波器框图

3.多重化有源电力滤波器

多重化主电路由N个PWM变流器模块并联组成,如图2所示,这些PWM变流器模块直流侧并联在一起,共用一组直流电容器.各个模块的交流侧通过各自的进线电抗后接在一起,再经过一个高通滤波器滤除开关纹波后接入电网.

多重化主电路等效开关频率的提高是采用每个PWM变流器基准时钟相位错开的方法实现的.即对各个PWM变流器上的电力电子器件开通的时刻在相位上错开,依次滞后2p/N（N为PWM模块并联个数）.这样每组PWM变流器上的电力电子器件的开关频率并没有改变,而系统的开关频率是由这N组变流器的开关频率迭加而成,故系统总的开关频率是各PWM变流器开关频率的N倍.很显然,系统总的谐波补偿容量是各个模块补偿容量之和.

图2多重化并联有源电力滤波器框图

为使各个模块的电流输出相互平衡,对计算出的总指令电流还需进行均流分配处理,即各PWM变流器输出的补偿指令电流为总指令电流的1/N.经过分配电路后的指令电流输出到各个模块,通过各模块中的电流跟踪控制电路,控制各模块的主电路产生所需的补偿电流.多重化并联有源电力滤波在使用时,虽然只需一套控制系统,但各个模块的协调控制相对复杂,且对系统的可靠性提出了较高要求.

4.模块并联有源电力滤波器

对于低压大容量有源电力滤波器,特别关注的是电力电子的器件允许流过的电流大小及器件的开关频率.为了提高系统补偿谐波电流的大小,最先想到的办法的是采用多个电力电子器件的并联,增大输出电流.该方案的优点在于主电路的基本拓扑不发生变化,系统的控制方法也不用改变.但这种方案并不能提高系统的等效开关频率,且存在器件的均流问题,对器件的一致性及功率单元的结构设计等提出了较高要求.因此,在大容量有源电力滤波器的研究中,采用这种拓扑结构的方案并不多见.而采用多模块并联有源电力滤波器的补偿方式比较灵活,采用不同数量的补偿模块并联后,可以应用于不同容量及要求的谐波抑制场合,因此在解决各种&#