1 引 言
随 着 电 力 电 子 技 术 的 飞 速 发 展 ， 大 功 率 开 关 器 件 被 大 量 应 用 到 各 种 电 源 装 置 中 ， 为 各 种 设 备 提 供 了 一 个 高 速 、 高 效 、 节 能 的 控 制 手 段 。 但 是 ， 由 于 利 用 开 关 的 通 断 对 电 能 进 行 变 换 ， 必 然 会 产 生 无 功 电 流 和 高 次 谐 波 ， 引 起 波 形 失 真 ， 对 电 力 系 统 各 项 设 备 及 其 用 户 和 通 信 线 路 产 生 日 趋 严 重 的 有 害 影 响 。 传 统 的 无 源 补 偿 装 置 是 并 联 电 容 器 或 LC滤 波 器 ， 其 阻 抗 固 定 ， 不 能 跟 踪 负 荷 无 功 需 求 的 变 化 ， 远 远 不 能 满 足 电 力 系 统 对 无 功 功 率 和 谐 波 进 行 快 速 动 态 补 偿 的 要 求 。 有 源 电 力 滤 波 器 （ 简 称 APF） 是 一 种 用 于 动 态 抑 制 谐 波 和 补 偿 无 功 的 新 型 电 力 电 子 装 置 ， 它 能 对 大 小 和 频 率 都 变 化 的 谐 波 和 无 功 分 量 进 行 实 时 的 补 偿 ， 又 被 称 为 静 止 无 功 发 生 器 （ SVG） 。 作 为 柔 性 交 流 输 电 系 统 （ FACTS） 中 的 重 要 部 分 ， APF的 研 究 受 到 了 各 国 学 者 的 高 度 重 视 。
如 何 实 现 大 功 率 有 源 电 力 滤 波 器 已 取 得 了 不 少 的 研 究 成 果 。 对 于 大 容 量 的 电 力 电 子 装 置 ， 如 果 简 单 地 采 用 普 通 电 路 的 主 电 路 拓 扑 ， 则 对 所 使 用 的 电 力 电 子 器 件 在 容 量 方 面 有 比 较 高 的 要 求 。 由 于 电 力 电 子 器 件 随 着 容 量 的 增 大 其 所 允 许 的 开 关 频 率 却 越 来 越 低 ， 而 较 低 的 开 关 频 率 又 直 接 影 响 有 源 电 力 滤 波 器 的 补 偿 效 果 ， 所 以 在 将 有 源 电 力 滤 波 器 用 于 大 容 量 谐 波 补 偿 时 就 面 临 着 器 件 开 关 频 率 与 容 量 之 间 的 矛 盾 。 为 解 决 这 一 矛 盾 ， 国 内 外 学 者 提 出 了 各 种 性 能 优 越 的 有 源 滤 波 器 主 电 路 拓 扑 结 构 。 要 实 现 大 容 量 的 谐 波 补 偿 或 实 现 有 源 补 偿 功 能 的 多 样 性 ， 需 要 APF具 有 较 大 的 装 置 容 量 。 但 由 于 受 目 前 电 力 电 子 器 件 功 率 、 价 格 及 其 串 并 联 技 术 等 的 限 制 ， 这 势 必 使 装 置 初 始 投 资 变 大 ， 并 且 大 容 量 的 有 源 电 力 补 偿 还 将 带 来 大 的 损 耗 、 大 的 电 磁 干 扰 以 及 制 约 APF的 动 态 补 偿 特 性 等 问 题 。 因 此 ， 各 种 性 能 优 越 的 混 合 型 补 偿 方 案 的 研 究 应 运 而 生 。 本 文 将 几 种 应 用 比 较 广 泛 的 拓 扑 进 行 归 拢 比 较 ， 指 出 它 们 各 自 的 优 缺 点 ， 并 在 此 基 础 上 提 出 了 基 于 载 波 相 移 技 术 的 电 流 型 APF和 级 联 型 APF结 构 。
2 APF的 工 作 原 理 及 其 分 类
对 APF可 以 这 样 来 定 义 ： 将 系 统 中 所 含 有 害 电流 （ 高 次 谐 波 电 流 、 无 功 电 流 及 零 序 负 序 电 流 ） 检 出 ， 并 产 生 与 其 相 反 的 补 偿 电 流 ， 以 抵 消 输 电 线 路 中 有 害 电 流 的 半 导 体 变 流 装 置 。 变 流 装 置 在 检 测 系 统 的 控 制 下 将 直 流 电 能 转 化 为 有 害 电 流 所 需 要 的 能 量 ， 或 者 说 ： 补 偿 装 置 所 产 生 的 电 流 波 形 正 好 与 有 害 电 流 的 频 率 幅 值 完 全 相 同 ， 而 相 位 正 好 相 差 180° ， 从 而 达 到 了 补 偿 有 害 电 流 的 效 果 。 作 为 一 种 用 于 动 态 抑 制 谐 波 、 补 偿 无 功 的 新 型 电 力 电 子 装 置 ， APF能 对 大 小 和 频 率 都 变 化 的 谐 波 以 及 变 化 的 无 功 进 行 实 时 补 偿 。 它 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 ． 可 分 为 电 压 型 APF和 电 流 型 APF。 如 图 1和 图 2所 示 ， 电 压 型 APF直 流 侧 接 有 恒 压 大 电 容 ； 电 流 型 APF的 直 流 侧 接 有 恒 流 大 电 感 。 电 压 型 APF在 工 作 时 需 对 直 流 侧 电 容 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 。 电 压 型 APF的 优 点 是 损 耗 较 少 ， 效 率 高 ， 是 目 前 国 内 外 绝 大 多 数 APF采 用 的 主 电 路 结 构 。 虽 然 电 压 型 APF在 降 低 开 关 损 耗 、 消 除 载 波 谐 波 方 面 占 有 一 定 优 势 ， 但 电 流 型 APF能 够 直 接 输 出 谐 波 电 流 ， 不 仅 可 以 补 偿 正 常 的 谐 波 ， 而 且 可 以 补 偿 分 数 次 谐 波 和 超 高 次 谐 波 ， 并 且 不 会 由 于 主 电 路 开 关 器 件 的 直 通 而 发 生 短 路 故 障 ， 因 而 在 可 靠 性 和 保 护 上 占 有 较 大 的 优 势 。 随 着 超 导 储 能 磁 体 的 研 究 ， 一 旦 超 导 储 能 磁 体 实 用 化 ， 必 可 取 代 大 电 感 器 ， 促 使 电 流 型 APF的 应 用 增 多 。
2.1 新 型 电 流 型 APF
在 许 多 文 献 中 ， 对 电 压 型 的 有 源 滤 波 器 讨 论 较 多 ， 主 要 原 因 是 电 压 型 有 源 滤 波 器 用 电 容 储 存 能 量 ， 其 效 率 高 于 电 感 储 存 能 量 。 此 外 ， 电 压 型 变 流 器 的 交 流 增 益 较 高 。 但 是 ， 电 流 型 有 源 滤 波 器 也 有 许 多 优 于 电 压 型 有 源 滤 波 器 的 特 点 [1],[2]：
1) 电 流 型 有 源 滤 波 器 直 接 控 制 电 流 ， 而 电 压 型 有 源 滤 波 器 通 过 控 制 电 压 间 接 控 制 电 流 ， 对 于 并 联 型 有 源 滤 波 器 场 合 ， 电 流 型 有 源 滤 波 器 有 更 好 的 电 流 控 制 能 力 ；
2) 电 流 型 有 源 滤 波 器 中 ， 采 用 L－ C滤 波 器 ， 这 种 结 构 能 在 传 输 带 宽 与 抑 制 高 次 谐 波 之 间 做 出 较 好 的 折 中 ， 在 同 样 的 开 关 频 率 和 输 出 相 同 的 谐 波 能 量 时 ， 电 流 型 有 源 滤 波 器 滤 除 开 关 谐 波 的 效 率 高 于 电 压 型 有 源 滤 波 器 ；
3) 电 流 型 有 源 滤 波 器 保 护 更 容 易 ， 工 作 稳 定 性 更 高 。
载 波 相 移 SPWM技 术 [3]的 本 质 是 自 然 采 样 SPWM技 术 和 多 重 化 技 术 的 有 机 组 合 ， 该 技 术 可 以 在 较 低 的 器 件 开 关 频 率 下 取 得 与 较 高 开 关 频 率 等 效 的 结 果 。 不 但 使 SPWM技 术 应 用 于 特 大 功 率 场 合 成 为 可 能 ， 而 且 在 提 高 装 置 容 量 的 同 时 ， 有 效 地 减 小 了 输 出 谐 波 ， 提 高 了 整 个 装 置 的 信 号 传 输 带 宽 。 这 就 解 决 了 大 功 率 装 置 与 器 件 开 关 频 率 较 低 的 矛 盾 ， 可 使 GTO等 特 大 功 率 器 件 组 成 的 变 流 器 用 于 APF装 置 。 我 们 提 出 了 一 种 实 用 于 APF的 基 于 载 波 相 移 SPWM技 术 的 电 流 型 变 流 器 。 与 SPWM技 术 相 比 ， 采 用 这 项 技 术 来 消 除 相 同 的 谐 波 所 需 的 开 关 频 率 更 低 。
基 于 载 波 相 移 SPWM技 术 的 电 流 型 APF系 统 如 图 3 所 示 。 图 中 有 N个 电 流 型 变 流 器 单 元 。 在 此 ， 电 流 型 变 流 器 单 元 指 一 般 三 相 六 开 关 电 流 型 变 流 器 。 开 关 由 可 关 断 器 件 （ 如 IGBT） 和 二 极 管 串 联 构 成 如 图 3(b)所 示 。 N个 电 流 型 变 流 器 单 元 在 交 流 侧 并 联 组 成 电 流 型 组 合 变 流 器 ， L、 C构 成 二 阶 低 通 滤 波 器 滤 除 开 关 频 率 谐 波 ， 图 3(b)中 电 阻 R为 电 感 及 线 路 中 寄 生 电 阻 ， 然 后 直 接 并 入 电 网 。 直 流 侧 采 用 各 个 变 流 器 单 元 相 互 独 立 的 结 构 ， 以 便 实 现 均 流 反 馈 。 由 于 CPS－ SPWM组 合 变 流 器 输 入 与 输 出 之 间 具 有 良 好 的 线 性 传 输 关 系 [4]， 所 以 可 以 方 便 地 引 入 一 些 优 秀 的 控 制 方 法 。
2.2 APF基 本 拓 扑 结 构
根 据 APF与 电 力 系 统 的 连 接 方 式 可 将 其 分 为 并 联 型 、 串 联 型 及 串 － 并 联 混 合 型 。 图 4所 示 为 并 联 型 APF， 由 于 与 系 统 并 联 ， 可 等 效 为 一 个 受 控 电 流 源 。 并 联 型 APF可 产 生 与 负 载 谐 波 或 无 功 电 流 大 小 相 等 、 相 位 相 反 的 补 偿 电 流 ， 从 而 将 电 源 侧 电 流 补 偿 为 正 弦 波 。 并 联 型 APF主 要 用 于 感 性 电 流 源 型 负 载 的 谐 波 补 偿 ， 目 前 技 术 上 已 相 当 成 熟 ， 投 入 运 行 的 APF多 为 此 方 案 。 图 5为 串 联 型 APF， 通 过 变 压 器 串 联 在 电 源 与 负 载 间 ， 可 等 效 为 一 受 控 电 压 源 ， 主 要 用 于 消 除 带 电 容 的 二 极 管 整 流 电 路 等 电 压 型 谐 波 源 负 载 对 系 统 的 影 响 ， 以 及 系 统 侧 电 压 谐 波 与 电 压 波 动 对 敏 感 负 载 的 影 响 。 串 联 型 APF中 流 过 的 是 正 常 负 载 电 流 ， 损 耗 较 大 ， 而 且 投 切 、 故 障 后 退 出 及 各 种 保 护 也 较 复 杂 。 图 6所 示 为 串 － 并 联 型 APF， 其 兼 有 串 、 并 联 型 APF的 功 能 ， 可 解 决 配 电 系 统 发 生 的 绝 大 多 数 电 能 质 量 问 题 ， 具 有 较 高 性 价 比 。
本文关键字：滤波器 电工文摘，电工技术 - 电工文摘
