有源滤波器技术综述

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1、有源滤波器技术综述仇锋郭涛吴睿作者：power来源：网络点击：103日期：2007-09-02一、引言近几十年来电力电子技术不断发展并广泛应用于工业、民用、军事等各领域。电力电子设备的大量应用产生引入了大量的谐波及无功电流成分，造成负载电流的不平衡及零序电流的增加，使得系统的效率降低电网的功率因数下降。同时大量电力电子设备的应用还产生电磁干扰问题，对其它用电设备造成影响甚至使得其它用电设备无法正常工作。上世纪70年代前国内外大量采用无源L-C滤波器进行谐波抑制、无功补偿、功率因数的提高。但无源L-C滤波器有其固有的缺陷，如补偿谐波次数固定、体积大、存

2、在谐振现象。在谐波污染日益严重的情况下研究人员希望找到一种能动态、灵活补偿谐波及无功电流的解决方案。上世纪70年代提出了应用电力电子装置进行谐波及无功补偿的方法，这就是有源滤波器(activepowerfilter，简写为APF)。其基本原理是通过对电网电压及负载电流的分析计算得到与负载电流谐波和无功分量相同的补偿电流，通过变换器向电网注入补偿电流提供给负载使用，使得电源电流的谐波和无功分量为零从而提高系统的功率因数。APF与传统的无源滤波器相比有体积小，补偿灵活等优点。APF发展初期由于受到功率理论及功率器件、集成电路发展的约束并没有取得较大的突破

3、，仅局限于应用模拟器件设计。功率理论、功率器件和微控制器及大规模集成电路技术的发展大力推动了APF技术的发展。二、有源滤波器的分类有源滤波器的分类可基于变换器储能元件的类型、功率电路的拓扑结构及所应用的供电系统，这些分类也存在着一定的交叉。1、基于变换器储能元件形式的分类在APF的发展过程中有两种储能形式的APF变换器。电流源型脉宽调制APF如图1所示，该APF的储能元件为电感。电流源型APF作为非线性电流源补偿非线性负载产生的谐波电流，其结构简单、性能稳定，但损耗较大不适用于大功率场合。由于无法级联且单台的容量不大所以应用较少。另一种为电压源型宽调

4、制APF如图2所示，该APF的储能元件是直流侧的电容。该种APF直流侧并联电容逆变桥损耗较小。由于是电压源的形式，所以容易实现并联从而可降低单台APF的容量。电压源形式的APF技术较成熟、完善目前使用较多。2、基于拓扑结构的分类基于拓扑结构APF可分为并联型APF、串联型APF、串联与并联相结合的综合型APF、有源与无源相结合的混合APF。图1、图2所示为一典型的并联型APF，其输出与负载输入端相并联。输出电流与负载谐波或无功电流大小相同，向负载提供谐波或无功电流(静态无功补偿)，从而使得电源电流正弦化提高电源功率因数。并联型APF即可消谐波也可发出

5、无功或两者同时进行。通常并联型APF安装在负载端。图3所示为串联型APF，其输出与负载和电源相串联。输出电压与负载电压之和等于电源电压。从而可以控制输出电压抑制电源电压波动、消除电源电压谐波、平衡终端电压。图4所示为串联与并联相结合的综合型APF，在该种拓扑结构中串联型APF与并联型APF共用一直流测电容。该种拓扑的APF被认为是一种较理想的APF，该种APF即可补偿电流的谐波和无功分量又可补偿电压的谐波分量抑制电压波动平衡终端电压。但也有固有的缺陷，如控制复杂，投入较大。随着电力电子元器件容量的不断增加价格的不断下降及DSP技术的不断发展该种拓扑结

6、构有很好的发展前景。图5所示为有源串联滤波器与无源滤波器相结合的混合型APF。负载谐波中较低次的谐波含量较高，采用无源滤波器主要用于滤除较低次数的谐波补偿大部分的无功。这样与之相结合的有源滤波器容量大大减小，投入可大大降低。以上几种拓扑为基本的拓扑形式，近几年来也有人提出新的拓扑形式。图6将三电平逆变器技术应用于并联型APF中可使APF自身产生的谐波电流减少。由于电平数的增加开关器件的耐压会大大减小同时可增大APF的容量。同样该拓扑也可用于串联型APF中。图7拓扑中采用耐压较高开关频率较低的IGBT逆变桥用于电压谐波的补偿和基波无功电流的补偿。采用耐

7、压较低但开关频率较高的MOSFET逆变桥则用于谐波电流的补偿。MOSFET逆变桥利用IGBT逆变桥中直流侧部分直流电容电压。由于采用了IGBT与MOSFET的混合结构使得IGBT的容量得到了有效的降低。与传统的APF拓扑结构相比该种结构的APF可补偿的谐波电流次数更高范围更广泛，直流侧电压降低逆变桥损耗减小。3、基于供电系统的分类基于APF所应用的供电系统，APF可分为用于单相两线制的APF，用于三相三线制的APF，用于三相四线制的APF，用于直流系统的APF。电流源型APF、电压源型APF、并联型APF、串联型APF、综合型APF、混合型APF都可

8、用于单相两线制、三相三线制、三相四线制供电系统中、用于直流电源的APF。4、拓扑电路的发展方向现阶段并联型A