第２９卷第５期 ２００８年１０月 电力电容器与无功补偿 Ｐｏｗｅｒ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ＆Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ Ｖ０１．２９ Ｎｏ．５ Ｏｃｔ．２００８ 电力有源滤波器与无功补偿技术 叶选茂１，杨茂２ （１．四川波宏电力滤波设计研究有限公司，成都６ｌ００７２；２．四川电力试验研究院．成都６１００７２） 摘要：首先简要介绍了电力有源滤波的特点及其分类，然后着重介绍串联型电力有源滤波器 的结构、原理及控制策略，最后对ＡＰＦ技术应用中应考虑的一些问题作简单介绍。 关键词：ＡＰＦ；谐波；无功补偿；ＰＷＭ逆变器； 中图分类号：ＴＭ７１４．３文献标识码： 文章编号：１６７４．１７５７（２００８）－０５－００１２－０３ Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｌｔｅｒ ａｎｄ Ｒｅａｃｉｆｉｖｅ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＹＥ Ｘｕａｎ．ｍａｄｌ，ＹＡＮＧ Ｍａ０２ （１．Ｓｉｃｈｕａｎ Ｂｏｈｏｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００７２； ２．Ｓｉｃｈｕａｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｓｔ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｃｈｅｎｇｄｕ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ６１００７２，Ｃｈｉｎａ） Ｆｉｌｔｅｒ（ＡＰＦ）， ｃｏｎ— ａｎｄ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｔｈｅｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｏｆ ｓｅｒｉｅｓ ＡＰＦ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｓｏｍｅ ｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ ＡＰＦ ａｒｅ ｂｒｉｅｆｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＡＰＦ；Ｈａｒｍｏｎｉｃ；Ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ＰＷＭ ｉｎｖｅａｅｒ ０引言 电力电子技术是科学技术发展的重要支柱， 然而电力电子技术带来方便、高效、巨大利益的同 时，其非线性、冲击性和不平衡用电特性，给公用 电网供电质量造成严重污染，向公用电网注入大 量的谐波和无功功率。 在研究如何有效地抑制用户向电网注入谐波 和无功功率的同时还应看到，目前我国尚未达到 对所有接入电网的污染用户进行百分之百治理的 水平，仍会有大量谐波注入电网，那么对特定的用 户而言电网本身就是个谐波源，因此，研究采用何 种治理手段来提高那些对电能质量有高要求的特 殊用户用电端的电能质量水平，就有着十分重要 的现实意义，为此我们提出使用电力有源滤波器 （ＡＰＦ）来提高其用户端电能质量的方法。 １ 注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流，使 电源的总谐波电流为零，从而达到实时补偿谐波 电流的目的。具有以下几个特点： １）不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无 功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理； ２）滤波特性不受系统阻抗等的影响，可消除 与系统阻抗发生谐振的危险； ３）具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着 的谐波，即具有高可控性和快速响应性等特点。 它和传统的无源Ｌｃ滤波器相比，能对频率 和幅值都变化的谐波进行迅速的跟踪补偿，是一 种很有发展前途的谐波抑制手段。 电力有源滤波器的主电路一般由ＰＷＭ逆变 器构成，根据逆变器直流侧储能元件的不同，电力 有源滤波器可分为电压型ＡＰＦ（如图１）和电流型 ＡＰＦ（如图２）；电压型ＡＰＦ的储能元件为电容器， ｐｏｗｅｒ 电力有源滤波器概述 电力有源滤波器（ａｃｔｉｖｅ ｆｉｌｔｅｒ，简称 在工作时需对直流侧电容器电压控制，使直流侧电 压维持不变，因而逆变器交流侧输出为ＰＷＭ电压 波；而电流型ＡＰＦ储能元件为电感，在工作时需对 直流侧电感电流进行控制，使直流侧电流维持不 变，因而逆变器交流侧输出为ＰＷＭ电流波。 ＡＰＦ）是一种能动态抑制谐波和补偿无功的电力 电子装置，是利用可控的功率半导体器件向电网 ?收稿日期：２００８－０４－０３ ?１２? 万 方数据 第２９卷第５期 ２００８年ｌＯ月 电力电容器与无功补偿 Ｐｏｗｅｒ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ＆Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ Ｖ０１．２９ Ｎｏ．５ Ｏｃｔ．２００８ 的主要问题是控制复杂、造价较高。 下面就一种基于电压型ＰＷＭ逆变器的串联 型ＡＰＦ做详细介绍。 ２ 串联型ＡＰＦ的系统结构和工作原理 串联型ＡＰＦ系统原理示意图如图３所示，它 是将有源滤波器ＡＰＦ的专用变压器串联在系统 图１ 电压型有源滤波器 与负载之间。 电力有源滤波器（ＡＰＦ） 图３ 串联型ＡＰＦ系统原理示意图 串联型ＡＰＦ系统结构如图４所示，主要由谐 波检测电路、ＰＷＭ控制电路、驱动电路及三相桥 图２ 电流型有源滤波器 式逆变器四部分组成。其中，前三部分共同组成 ＡＰＦ的控制电路。主电路采用ＩＧＢＴ构成的三相 桥式电压型ＰＷＭ逆变器，￡，和Ｃ，用来滤除ＰＷＭ 逆变器自身产生的脉冲分量。这种电路结构的特 点是电力有源滤波器作为受控电压源，通过变压 器串联在电源和负载之间，其输出的补偿电压抵 消系统中的谐波电压，从而使负载端电压的波形 为正弦波。 电压型ＡＰＦ的优点是损耗较少，效率高，是 目前国内外大多数ＡＰＦ采用的主电路结构。电 流型ＡＰＦ由于电流侧电感上始终有电流流过，该 电流在电感内阻上将产生较大损耗，所以目前较 少采用。但是电流型ＡＰＦ由于开关器件不会发 生直通短路现象，随着超导储能磁体研究的进展， 也将促进多功能电流型ＡＰＦ投入实用。 按电路拓朴结构分类，电力有源滤波器可分 为并联型、串联型、串一并联型和混合型。并联型 ＡＰＦ主要适用于电流源型非线性负载的谐波电流 抵消、无功补偿以及平衡三相系统中的不平衡电 流等。目前并联型有源滤波器在技术上已较成 熟。串联型ＡＰＦ通过一个匹配变压器将有源滤 波器串联于电源和负载之间，以消除电压谐波，平 衡或调整负载的端电压，主要适用于电压源型非 线性负载。混合型ＡＰＦ是在串联型有源滤波器 的基础上使用一些大容量的无源Ｌ—Ｃ滤波网络 来承担消除低次谐波，进行无功补偿的任务，而串 联的有源滤波器只承担消除高次谐振及阻尼无源 Ｌｃ网络与线路阻抗产生的谐波谐振的任务。串 一并联型ＡＰＦ组合了串联有源滤波器和并联有 源滤波器的优点，能解决电气系统发生的大多数 电能质量问题，所以又称之为万能有源滤波器或 统一电能质量调节器（ＵＰＱＣ），该类有源滤波器 图中：以一电源电压；ｚＪ一电源的内部等效阻抗；玑一 串联型ＡＰＦ输出的补偿电压；Ｕａ—ＰｗＭ逆变器直流侧 电压；Ｌｒ、Ｃ，一抑制逆变器高频开关脉动的滤波器。 图４ 串联型ＡＰＦ系统结构图 为了说明串联型ＡＰＦ的基本工作原理，图５ 给出了进行谐波电压补偿的一相等效电路。其中 互是电源的内部等效阻抗，％和配．分别代表电 源基波电压和电源谐波电压，巩是负载的电压， ｉＩ，和ｉ，ｈ分别为电源基波电流和电源谐波电流（ｉ。 ?１３? 万 方数据 第２９卷第５期 ２００８年ｌＯ月 电力电容器与无功补偿 Ｐｏｗｅｒ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ＆Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ Ｖｂｌ．２９ Ｎｏ．５ Ｏｃｔ。２００８ ＝ｉＪ，＋ｉ吐）。工作时，ＡＰＦ相当于一个与负载串联 且受谐波电流控制的受控电压源，将负载侧负载 电流、负载电压、有源滤波器电容电压作为控制对 ３）为保证逆变器直流侧电压的稳定，直流侧 电容值应适当选择； ４）经济上的考虑，ＡＰＦ的技术构想早在７０ 年代就已提出，但直到９０年代ＡＰＦ技术才进入 实际应用，其中一个重要原因就在于ＡＰＦ的实际 成本价格太高，因此在选择应用ＡＰＦ时必须考虑 其成本价格。 ５结束语 ＡＰＦ具有高度可控制和快速响应特性，并且 能跟踪补偿各次谐波、自动产生所需变化的无功 功率，因而已成为电力谐波抑制和无功补偿的重 要手段。本文介绍采用基于电压型变流器的串联 型有源滤波器，用于抵消电网中谐波电压，使电力 用户的电能质量达到可以容许的范围，从而提高 用电企业的安全稳定生产水平，具有较高的推广 象，它产生一个Ｋ倍于谐波电流的谐波电压以＝ Ｋ×ｉ扪而对基波来讲，其Ｋ值为零。由图５可 知，当ｎ∞时，流入负载的谐波电流“川，从而 使ｉＪ，一ｉ．＝ｉ￡。通过控制ＡＰＦ，让Ｋ足够大，就能 使流经负载的电流不含谐波成分，变为一正弦电 流，最终完成对谐波的补偿。 “． 图５ 串联型ＡＰＦ等效电路示意图 价值。随着我国对电网谐波污染治理日益重视， “绿色电力电子”的呼声愈来愈高，电力有源滤波 器必然会得到广泛地推广应用，给我国电力工业 带来巨大的经济效益和社会效益。 参考文献： 当然，由于系统中的谐波成分较多，因此工程 实际中不可能将系统中各次谐波电压都补偿掉， 现实的做法是根据系统中含量较大的或者用户负 载较为敏感的那些谐波成分来选择谐波电压补偿 次数和补偿度。 ３串联型ＡＰＦ的ＰＷＭ逆变器控制方法 ［１］韩英铎，严于贵，姜齐荣，等．信息电力与 ＦＡＣＴＳ＆ＤＦＡＣＴＳ技术［Ｊ］．电力系统自动化， ２０００，２０（１９）：１－７． 根据串联型ＡＰＦ的工作原理，可采用定时瞬 时值比较控制方法，根据谐波电流ｉ，。来获得ＰＷＭ ［２］Ｃｏｎｒｏｙ，Ｅ．Ｐｏｗｅｒ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ １０７． ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ 控制信号，从而驱动主电路中电力开关器件，使 ＰＷＭ逆变器实时产生与以。成比例的谐波电压 以，才能达到使电力有源滤波器对基波阻抗为零 而对谐波呈现一定阻抗的目的，进而实现对变化 的谐波进行实时跟踪补偿的目的。此外，为维持 ＰＷＭ逆变器工作，控制系统还应能控制其直流侧 电容电压保持恒定，这是对控制系统的基本要求。 ４电力有源滤波器的应用 电力有源滤波器的应用一般应考虑以下几个 方面的问题： １）开关器件的选择，对于容量小于２ 采用ＧＴＯ及多重化技术； ２）为减小逆变器向电网注入的开关纹波又 不降低ＡＰＦ的补偿特性，电压型逆变器的输出电 感及无源纹波滤波器应仔细设计； ．１４－ ＭＶＡ ｍｏｄｅｒｎ ｂｕｉｌｄｉｎｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ．２００１．１５（２）：１０１－ ［３］胡铭，陈衍．有源滤波技术及其应用［Ｊ］．电 力系统自动化，２０００，２４（３）． ［４］ＳＭＥＤＬＥＹ Ｋ Ｍ，ＺＨＯＵ Ｌ，ＱＩＡＯ Ｃ．Ｕｎｉｆｉｅｄ Ｃｏｎｓｔａｎｔ?ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｌｔｅｒｓ．ｓｔｅａｄｙ．ｓｔａｔｅ ａｎｄ ＩＥＥＥ Ｄｙｎａｍｉｃｓ［Ｊ］． Ｔｒａｍ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００７，１６ （３）：４２８－４３６． 的ＡＰＦ一般采用ＩＧＢＴ，而容量大于５ ＭＶＡ时可 作者简介： 叶选茂（１９５８一），男，浙江人，高工，主要从事电力电容器 谐波治理及无功功率补偿方面的研究。 杨茂（１９８１一），女，四川人，主要从事电力系统谐波治 理及无功功率补偿等方面的研究。 万 方数据
