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1、第六章 电力有源滤波器n电力有源滤波器（APF)的基本原理n电力有源滤波器系统结构和主电路n并联型和并联混合型APFn串联型和串联混合型APFn串并联型APF（UPQC)6.1 电力有源滤波器的基本原理n电力有源滤波器(APF)：动态抑制谐波、 补偿无功。新型电力电子装置。n并联型APF系统构成：非线性负载为谐波源，产生谐波并消耗 无功。指令电流运算电路：检测出补偿对象电 流中的谐波和无功等分量。n图71补偿电流发生电路：根据指令信 号产生补偿电流。包括：电流跟踪控 制，驱动和主电路。主电路采用PWM变流器，产生补 偿电流时主要作为逆变器。n工作过程：检测补偿对象的电压和电流 ，经指令运算电路
2、得出补偿电流的指令信 号，经补偿电流发生电路放大，得出补偿 电流，与负载电流中的谐波和无功电流抵 消，得到期望的电源电流。n若只补偿负载谐波电流：将iLh反极性作 为补偿电流的指令信号iC* 。 补偿电流iC与iLh大小相等方向相反，相互 抵消，使电源电流iS只含基波，不含谐波 。n若谐波和无功同时补偿： 补偿电流iC与iLq+iLh大小相等方向相反相互 抵消，使电源电流iS只含基波有功分量。 对不对称三相电路的负序电流等补偿同样 适用。电力有源滤波器的特点nAPF可对频率和大小都变化的谐波和变化 的无功功率实现动态补偿。响应速度极快 。n可同时对谐波和无功进行补偿，并且补偿 无功大小可以连续
3、调节。n补偿无功不需要储能元件，补偿谐波时所 需储能元件容量也不大。n即使补偿对象电流过大，APF也不会发生 过载，并能正常发挥作用。电力有源滤波器的特点n受电网阻抗影响不大，不容易和电网阻抗 发生谐振。n能跟踪电网频率变化，补偿性能不受频率 变化影响。n既可以对一个谐波和无功源单独补偿，也 可以对多个集中补偿。6.2 电力有源滤波器的系统 构成和主电路形式n并联型APF是最早最基本的结构。现派生 有多种类型。nAPF的萌芽：1969年论文报道，向电网注 入三次谐波电流来减少电源电流中的谐波 成分。n1971年论文报道，完整描述了电力有源滤 波器的基本原理。电力有源滤波器的系统 构成和主电路形
4、式n1976年提出了采用PWM控制变流器构成 的APF ,确立了电力有源滤波器的基本概念 ，基本拓扑和控制方法。将PWM变流器视 为补偿电流发生器，但仍局限于实验室。n进入80年代，APF的研究逐渐活跃，研究 热点。重大突破：1983年赤木泰文等提出 了“三相电路的瞬时无功功率理论”，基 于此理论的检测方法成功应用于APF。电力有源滤波器的系统 构成和主电路形式n目前，三相电路的瞬时无功功率理论被认 为是APF的主要理论基础之一。n并联型APF最早单独使用。后来提出了串 联型、串联混合型、并联混合型APF，适 应不同的补偿对象，提高性能，减小容量 。n图726.2.1 单独使用的APF的系统构
5、成n根据接入电网的方式，分为并联型和串 联型两大类。两者又细分，各有特点。 一、单独使用的并联型APF n与APF并联的一阶高通滤波器（或使用 二阶），用于滤除APF所产生的开关频率 附近的谐波。n并联型：主电路与负载并联接入电网。n图73单独使用的并联型APFn单独使用方式：补偿电流基本上全由 APF提供。nAPF的最基本形式，目前应用最多。主 要用于：只补偿谐波；只补偿无功，连续可调；补偿三相不对称电流；补偿供电点电压波动；以上任意项组合。单独使用的并联型APFn主要缺点：要求变流器容量大，电源（ 电网）基波电压直接施加于变流器，补偿 电流基本全由变流器提供。并联混合型APFn与LC滤波器
6、混合使用。n克服并联型要求容量较大的缺点。nLC无源滤波器：结构简单，成本低。分 担APF的部分补偿容量。n两者结合，优势互补。n两种混合方式：并联型APF与LC并联并联型APF与LC串联nAPF与LC并联方式之一：LC高通滤波器主要补偿较高次谐波 ，滤除补偿对象中较高次谐波，消除补 偿电流中器件通断引起的谐波。使对 APF主电路开关频率要求降低。LC高通只分担部分谐波补偿任务， 对降低APF容量作用不明显，但对APF开 关频率要求不高，实现大容量相对容易 。n图74nAPF与LC并联方式之二：LC滤波器包括多组单调谐滤波器 和高通。主要补偿绝大部分谐波和无 功。APF主要作用是改善系统性能，
7、 容量比单独使用时大幅降低。LC滤波器均有可能与电网阻抗发 生谐振，对APF有效控制可抑制。n图75谐波和无功基本上全由LC滤波 器补偿。APF主要作用是改善LC滤 波特性，克服LC滤波器易受电网 阻抗影响和谐振等缺点。APF不承受交流电源基波电压 ，容量小。并联型APF与LC串联方式n图76二、单独使用的串联型APFnAPF作为电压源串联在电源与谐波源之 间。n并联型APF：大都用于补偿可看作电流源 的谐波源。比如阻感负载整流器。向电网 注入补偿电流，抵消谐波，使电源电流为 正弦波形。n并联型APF表现为电流源特性。单独使用的串联型APFn串联型APF：主要用于补偿可看作电压源 的谐波源。比
8、如电容滤波型整流器，交流 侧可视为电压源。n串联型APF表现为电压源特性。与并联型 对偶。n串联型APF输出补偿电压，抵消由负载或 电源产生的谐波电压，使供电点电压为正 弦波形。图710串联混合型APFn与LC滤波器混合使用方式：LC滤波器与负 载并联，与电源之间串入APF。n谐波基本由LC滤波器补偿。n APF的作用：改善LC滤波特性。APF相当于可变阻抗：对基波阻抗为0，对 谐波呈高阻，阻止谐波流入电网，迫使谐波 流入LC滤波器。也阻止网侧谐波。谐波隔离作用，抑制电网阻抗对LC的影响 和发生谐振。n图7116.2.2 APF的主电路形式一、 桥式PWM变流器主电路n四象限变流器主电路，与逆
9、变器、SVG主电 路基本相同。只是应用场合、要求不同，控 制方法也不同。n分为电压型和电流型，直流侧储能元件不 同。n电流型不会因直通而发生短路故障。但直 流侧大电感始终有电流，内阻损耗较大，故 目前应用较少。随着超导储能磁体研究实用 化，必可取代L，电流型应用增多。n图71213 三相三线制系统n图71415二、多重化主电路形式nAPF实际应用一般容量较大，器件串并联 难度大，且无法发挥单个器件的容量。n多重化主电路的优点：容易实现大容量；提高等效开关频率，从而改善补偿电流的 跟随性能；降低对器件开关频率要求，减小器件损耗 。APF采用的多重化主电路形式n串联电抗器多重化方式：直接通过交流
10、侧电抗器并联，容易实现。n采用平衡电抗器多重化方式：各APF之间 加入平衡电抗器，抑制环流，开关频率低 时适用。n使用变压器的串联多重化方式：通过变 压器二次侧将各APF输出串联起来，各路 PWM波直接经变压器叠加，铁损较大。n图71719n并联型APF主电路n串联型APF主电路n采用变压器连接的并联型APFn基于三电平结构的并联型APFn图716 三相四线制电路6.3 并联型有源电力滤波器n单独使用的并联型APF最基本，工业应用 最多。n分析三相三线制系统。n谐波源：三相全控整流器，阻感负载。6.3.1 指令电流运算电路n作用：根据APF的补偿目的，得出补偿电 流的指令信号。n图720n谐波
11、和无功电流实时检测方法，如何运 用于APF中？n指令电流运算电路的出发点是要满足APF 的补偿目的，而要满足此补偿目标要求， 需要明确补偿对象即负载的工作情况。n假设负载为三相全控桥整流电路， 30，可见其网侧电流方波滞后，并且含有 谐波，消耗无功功率。n图721和22（图左右翻转）n由ip、 iq运算方式可检测出负载电流iL中 的谐波分量iLh 。补偿电流iC*应与iLh 极性相 反。n若APF能保证iC与iC*完全一致（电流跟踪 ），则补偿后的电源电流iS与负载电流的基 波分量iLf完全相同。（如图）若APF的补偿目的：仅补偿谐波n由ip、 iq运算方式可检测出负载电流iL中 的谐波和无功
12、分量之和iLd （iq通道断开） 。补偿电流指令信号iC*应与iLd 大小相等、 极性相反。n若APF能保证iC与iC*完全电流跟踪，则补 偿后的电源电流iS与负载电流的基波有功分 量iLpf完全相同。 （如图）若补偿目的：同时补偿谐波和无功n图723n由ip、 iq运算方式可检测出负载电流iL中 的瞬时无功分量iLq (不经LPF，直接反变换 ） 。补偿电流指令信号iC*应与iLq 大小相等 、极性相反。n若APF能保证iC与iC*完全电流跟踪，则补 偿后的电源电流iS含有基波有功分量iLpf和 谐波iLh。注意仍含有一定谐波成分。 （如 图）若补偿目的：只补偿无功功率n图724n以瞬时无功
13、功率理论为基础的检测方法 中，补偿电流指令信号iC* 与瞬时有功电流 ip、瞬时无功电流iq存在清晰的对应关系（ 如表7-1）：（4项对应）ip +iq=iLhp: 谐波有功由间谐波和次谐波产生。n表71 例如 只补偿无功：对应项包含 iLfq, iLhqiLq= iL-iLp=n日本电气学会调查，工业上APF主要用于谐波 补偿：只补偿谐波：占71.7；补偿谐波同时补无功： 20.7同时补偿谐波、无功和供电点电压波 动： 5.4同时补偿谐波、无功和负序电流： 1.1同时补偿谐波、无功和不平衡电流： 1.16.3.2 电流跟踪控制电路n电流跟踪控制电路是补偿电流发生电路 的第1个环节。n电流跟踪
14、控制电路的作用：根据指令信 号和实际补偿电流之间的相互关系，得出 主电路各器件通断的PWM控制信号。n电流控制采用跟踪型PWM控制方式，实时 性强。n跟踪型PWM控制方法：瞬时值比较方式； 三角波比较方式1. 瞬时值比较方式（滞环电流跟踪控制）n瞬时值比较方式原理：电流锯齿波状跟 随指令信号变化。n图725n图726n瞬时值比较方式的特点： 硬件电路简单； 电流响应快，实时性强； 无需载波，输出电压不含特定频率 谐波分量 属于闭环控制，跟踪型PWM控制的 共同特点； 若环宽固定，则电流跟踪误差范围 固定，但器件开关频率变化（缺点）。n环宽固定的缺点：当iC 瞬时值很小时，会 导致补偿电流的相对
15、跟随误差过大；当iC 瞬时值变大时，会导致器件开关频率过高 ，甚至超出最高限损坏。n解决方法：滞环比较器环宽随iC大小而自 动调节。n定时控制的瞬时值比较方式：由时钟控 制的比较器代替滞环比较器。每隔一个时 钟周期对iC 判断一次，正则出高，负则出 低。n图727，28定时控制的瞬时值比较方式nPWM信号至少需要一个周期才会跳变一 次。n器件的开关频率最高不会超过时钟频率 的一半。可以避免器件因开关频率过高而 损坏。n缺点：补偿电流的跟随误差不固定，波 形上毛刺忽大忽小。2. 三角波比较方式n与载频三角波比较方式不同：不是直接将iC* 与三角波比较，而是将iC* 与 iC 的偏差iC 经 放大
16、器A后再与三角波比较。nA采用比例P或PI。n与瞬时值比较方式相比的特点：跟随误差较大；输出电压含谐波较少，与三角载波频率 相同；开关频率固定，且为三角载波频率；电流响应较慢。n图7296.3.3 直流侧电压的控制n将UC的控制与ip-iq方法检测结合在一起。（ 图7-27）nUC的反馈值与给定值比较，两者的偏差经PI 调节器后得到调节信号ip ,叠加到瞬时有功电 流的直流分量上（即ip 的平均值）。经运算在 指令信号iC*中包含一定的基波有功电流，使 APF的补偿电流也包含之，从而使APF直流侧 与交流侧能量交换，将UC调节至给定值。n图7-276.3.4 并联型APF控制系统典例转框图n补偿后电源输出的电流为：即，iS 只含有功基波正弦电流分量， pf=1。只要引入的iC适当，就可以恰好将iL 的无功分量完全抵消补偿掉。但注意， iC 并不含有功分量，故补偿网络不消耗有功 功率，只补偿无功功率（Q）。非线性 负载Ps=P Qs=
