并聯有源濾波器與無源濾波器的研究

摘 要:并聯型有源電力濾波器是最基本也是工業中最常用的，但是其成本很高。為了彌補這一缺點，提出了將無源濾波器與有源濾波器結合起來組成混合型有源電力濾波器。這能有效克服原有濾波器的不足，降低成本。

關鍵詞:有源濾波器;無源濾波器;混合型有源電力濾波器

在各種有源電力濾波器中單獨使用的并聯型有源電力濾波器是最基本的一種，也是工業中應用最多的一種。與無源濾波器相比有源濾波器有很多優點，但由于使用電力電子開關，因此有源電力濾波器成本高，要在配電系統中廣泛推廣還有困難。有源電力濾波器的成本的與容量成一定的比例關系，因此對于一定容量的非線性負載，如果能減小有源電力濾波器的容量就可以減低成本。為此人們提出了將無源濾波器與有源濾波器結合起來組成混合型有源電力濾波器(Hybrid Active Power Filter-HAPF)，其基本思想是利用LC濾波器分擔有源濾波器的部分補償任務。它一方面克服了單獨使用無源或有源濾波器的不足，另一方面又可以有效降低有源濾波器的容量，從而可以有效降低成本。

一、并聯有源濾波器與無源濾波器的連接方式

并聯型有源電力濾波器與LC濾波器混合使用的方式又可分為兩種:一種是有源電力濾波器與LC濾波器并聯;另一種是有源電力濾波器與LC濾波器串聯。

圖1所示為并聯有源電力濾波器與LC濾波器并聯方式的兩種形式。圖1(a)的方式中，有源電力濾波器與高通濾波器均與諧波源接入并聯電網，兩者共同承擔補償諧波的任務，高通濾波器主要補償較高次的諧波。這里，高通濾波器，一方面用于消除補償電流中因主電路中器件通斷而引起的諧波，另一方面它可消除補償對象中次數較高的諧波，從而使得對有源電力濾波器主電路中器件開關頻率的要求也可以有所降低。

這種方式中，由于LC濾波器只分擔了少部分補償諧波的任務，故對降低有源電力濾波器的容量起不到顯著的作用。圖1(b)的方式，LC濾波器包括多組單調諧濾波器及高通濾波器，承擔了絕大部分補償諧波和無功的任務。有源電力濾波器的作用是改善整個系統的性能，其所需的容量與單獨使用方式相比可大幅度降低。但是從理論上講，凡使用LC濾波器均存在與電網阻抗發生諧振的可能，因此在有源電力濾波器與LC濾波器并聯使用的方式中，需對有源電力濾波器進行有效的控制，以抑制可能發生的諧振。

圖2所示為并聯有源電力濾波器與無源濾波器串聯方式。該方式中，無源濾波器由調諧在5、7和11等次的單調諧濾波器，或者一個高通濾波器并聯構成，諧波和無功功率主要由無源濾波器補償，有源電力濾波器的作用是改善LC濾波器的濾波特性，它只需補償LC濾波器未能補償的諧波，并克服LC濾波器易受電網阻抗的影響、易與電網阻抗發生諧振等缺點。然而，在這種方式中，有源電力濾波器不用承受交流電源的基波電壓，而且只需要提供很小的補償電流，因此，其所需裝置容量不是很大。

二、并聯混合型有源電力濾波器的補償原理與補償特性

根據圖2，可以畫出并聯混合型有源電力濾波器的單相等效電路[10]，如圖3所示，其中ZS為系統阻抗，ZF為LC濾波器的總阻抗(為討論方便，下面將系統和LC濾波器的基波阻抗記為ZS和ZF，而諧波阻抗記為ZSH和ZFH)，uS、uAF分別表示系統電壓和APF輸出電壓，iS、iL、iF分別表示系統側電流、負載電流和濾波器支路電流。

采用電流比例控制，控制APF的輸出電壓等于系統側諧波電流的K倍，即

uAF=KiSh

這里將有源濾波器等效為一個受控電壓源，則整個電路為線性電路，可以利用迭加原理對圖4進行分析。

在理想情況下，通過控制混合型濾波器中有源部分的輸出電壓即可達到補償諧波的目的。此時，由于無源濾波器在諧波下的阻抗很小，使得有源濾波器的輸出電壓uAF也很小，使其容量僅占整個濾波器容量很小的一部分，整體的成本得以下降。同時，當無源濾波器和電力系統之間的并聯阻抗在某次諧波下接近無窮大時將會發生并聯諧振，有源濾波器的投入使得無源濾波器支路對各次諧波阻抗均為零，不會達到并聯諧振的條件，可以抑制并聯諧振的發生;當無源濾波器和電力系統之間的串聯阻抗在某次諧波下接近零時，只要它們之間有一定的諧波電壓就會導致諧波放大，發生串聯諧振，有源濾波器的投入使無源濾波器和電力系統串聯阻抗之間的諧波電壓為零，可以有效地抑制串聯諧振。

混合有源電力濾波器克服了無源濾波器和有源電力濾波器的缺點，降低了逆變器容量，能同時補償變化的無功功率和抑制各次諧波，動態性能好，提高了性價比，有較好的應用前景。