对并联混合有源滤波器的几点认识

1、信息科学与工程学院电力谐波综合治理技术对并联混合有源滤波器的几点认识1、并联混合APF产生的缘由：在电力谐波综合治理技术的课程中，我们学习了关于谐波谐波抑制中常用的无源滤波和有源滤波技术，这些技术在谐波抑制中发挥着重要的作用，但是无源滤波器和有源滤波器也有自身的缺点。随着电力电子装置的大量使用，电力系统的谐波和不对称问题日益严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生。因此，需要对电网谐波采取有效的抑制措施。目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器( AcTIve PowerFilter，APF)。APF 是一种可以动态地抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，对大小和频率都变化的谐波和无功进

2、行补偿，其应用可克服LC 滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点。用于谐波治理的传统方式为并联无源 LC滤波器。无源LC滤波器与负载并联接在电网母线上 ,选定 R ,L ,C 的参数 ,使滤波网络在一定的谐波信号频率处产生谐振。u 无源滤波器的缺陷有：Ø 灵活性差 ,一套 LC滤波器只能抑制某一次谐波 ,而谐波种类繁多 ,故一套LC滤波器的利用率较低。Ø 体积大。Ø 易与电网阻抗发生并联谐振 ,引起谐波注入 ,损坏设备。u 有源滤波器的缺陷为：Ø 单独使用的并联型有源滤波器可以通过不同的控制作用对谐波 无功 不平衡分量等进行动态补偿 但由于直接与电网

3、相连 只适合于低压系统的应用不宜于高压、大容量的谐波补偿。 Ø 另外，目前纯有源滤波的成本高、功耗大，而且受到电力电子器件的容量制约，在目前的应用中具有一定的限制。基于以上背景，无源和有源滤波器构成的混合型滤波器主要由无源滤波器滤除谐波电流，有源部分的作用是改善无源滤波器的性能，而且有源部分不直接承受电网基波电压，所以有源部分的容量小且适合高压系统的应用，所以HAPF应运而生。 2、APF工作原理APF 系统的原理如图1 所示。ua是电压us中的a 相电压，负载为谐波源，产生谐波并消耗无功，Udc为APF 直流侧电容的电压，iL、is分别为负载侧、网侧的a 相待检测电流，ic为有源滤

4、波器a相的补偿电流。APF 检测补偿对象的电压和电流，计算出补放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波电流抵消，最终得到期望的电源电流。 图1 并联型有源电力滤波器原理图 3、并联混合型APF 工作原理单独使用的APF 由于容量小等原因，通常只应用在小容量非线性负载的场合，若在大容量场合应用则不太可行。混合型APF 可以较好地解决单独使用APF存在的问题。在抑制谐波和补偿无功功率时，无源滤波器起主要作用，而有源滤波器主要是改善无源滤波器的滤波特性，克服无源滤波器易受电网阻抗的影响等缺点。因此，有源滤波器可用相对低的容量应用于较大的大容量场合，相当于降低了有源滤波器的容量，提高了系统

5、的性价比。并联混合型APF 如图2 所示，其具有一系列的优点，其中，有源滤波器的容量约占补偿对象容量的2% 5%。这与单独使用的并联型有源滤波器相比，大量减少了它的容量。但这种并联混合型APF 中通常需要一个高带宽的PWM 变流器作为有源滤波器的主电路，由此决定了现有的混合型滤波器系统只适用于补偿中等功率以下的负载，一般为500 10 MW。对于功率大于10 MW的非线性负载，制作与其相对应的高宽带、大容量有源滤波器是困难的。因此，并联混合型APF 不能用于抑制大功率非线性负载所产生的谐波。 图2 并联混合型APF 系统。考虑到在实际应用中，大功率非线性负载在要求滤除谐波的同时，也要求混合型滤

6、波系统具有无功补偿能力。但是在传统的并联混合型有源电力滤波系统中，大量的基波无功电流流入并联混合滤波系统的有源部分，使有源滤波器的容量也相应较大。为进一步减少有源滤波器的容量，使并联混合APF 系统能够应用于大功率场合，采用了一种改进型的并联混合型APF 结构，如图3 所示。 图3 改进的混合型APF 系统。图3 中APF 被控制为一个谐波电流源，La为阻抗值很小的附加电感。该改进型的并联混合型APF 与传统的并联混合型APF 相比，主要区别在于APF 被看作一个受控电流源。因此，基波无功电流被强迫流入附加电感La，APF 中只流过谐波电流。由于无源滤波器的存在，APF 不承受谐波电压，又由于

7、La与无源滤波器相比基波阻抗很小，因此，APF 承受的电压也很低，从而APF 的容量也可做得很小。以上分析可知，改进型的并联混合型APF 可应用于较大容量的场合。另外，当APF 过电流或故障时，该系统可借助于快速熔断器，迅速脱离整个滤波系统，与此同时，无源滤波器和附加电感La组成的滤波系统还可正常工作，不至于对电网造成较大的冲击。这点在工程应用上非常重要，因此，这种改进型的并联混合型APF具有很强的实用性。 4、并联混合型APF 设计实现方法图4并联型HAPF拓扑结构Ø 单调谐PF滤波原理及特性单调谐滤波器是指用于吸收单一次数谐波（如单独滤3、5、7次谐波）的滤波器。其物理本质是电工

8、理论的LC串联谐振原理，即对h次谐波成分，当 时，LC串联阻抗为0。Ø 单调谐PF参数的设计l 电容的设计由于电容器的费用占滤波回路的总投资的近60%所以电容器容量最小的设计方案一般就是投资费用最小的方案，所以单调谐PF先选取电容的容量。按照电容器安装容量最小的原则，求得单调谐回路输出的无功功率为：· 加在n次谐波通道上的电网相电压有效值· n次谐波通道流过的n次谐波电流有效值电网基波电流有效值l 电容的设计在上式定义的无功功率条件下，电容器的安装容量将达到最小值。调谐回路的电容值可按下式选取：· n次谐波通道的电容值n次谐波通道发出的基波无功功率

9、83; 基波角频率· 波器中电容器的增值系数，。l 电感的设计确定了单调谐滤波通道中的电容器值后，就可以确定相应的电抗器值，调谐回路的电感值可按下式选取：l 电阻的设计单调谐滤波器的品质因数Q一般取3060范围之内，计算出 根据品质因数Q值可以确定n次谐波通道的电阻值：5、复合电流控制方法的仿真图5并联混合APF仿真框图复合控制是同时检测负载谐波电流和电网谐波电流的一种控制方式。在这种控制方式中，指令电流信号主要来自负载电流，在它的作用下，可对负载中的谐波电流进行较好的补偿。而检测到的电网谐波电流的作用主要是抑制无源滤波器和电网阻抗之间的谐振。电源电流闭环不承担补偿谐波电流的主要任务，因此，放大倍数Ks不需要很大，这样可使系统有较好的稳定性。利用Matlab 对此进行仿真研究，系统框图如图5所示，仿真模型如图6 。图6 仿真模型6、对并联混合型有源滤波器的认识并联型混合有源滤波作为一种新兴的滤波技术，相比于以前单一的无源和有源滤波技术有着不可比拟的优点，基于解决单一滤波方式的缺点和不足，混合滤波技术应运而生；在此基础上，并联混合滤波