行
业
产
品
功
能
北极星电力网技术频道 作者:电力论文3 2007/12/24 18:45:55
1 引言
常用的有源电力滤波器APF（ActivePowerFilter）是与谐波源／非线性负载并联的，所以被称为并联型APF［1，2］。它通过向交流系统注入与谐波源谐波电流大小相等方向相反的谐波电流来完成谐波补偿任务。并联型APF对电网中的谐波源产生的谐波有良好的抑制作用，经过十几年的研究和发展，它已经进入实用阶段，并将在治理电网谐波污染方面发挥越来越重要的作用［3，4］。并联型APF不是1种理想的补偿装置，其补偿特性会受到谐波源特性的影响。因此它不能用来补偿任何类型的谐波源，只适用补偿电流型谐波源，例如直流侧电感滤波的晶闸管整流器。这是因为电流型谐波源在向电网注入谐波时是以电流源的方式。并联型APF不适用于补偿直流侧电容滤波的二极管整流器，因为这类谐波源是以电压源的方式向电网注入谐波。随着直流侧电容滤波的整流器在电力电子装置中的广泛应用，电压型谐波源已经变成电网中的另1种主要谐波源。对这类谐波源，更适合用串联型APF来进行谐波补偿［5］。这些问题在以往的研究中并未引起注意。本文将通过研究谐波源的性质，根据串联型和并联型APF的工作原理，重点分析它们对不同谐波源的补偿特性，并进行实验研究。本文的结论将为工程应用提供理论依据。
2 电流型和电压型谐波源
在电网中有不同谐波源，它们以不同的方式向电网注入谐波。整流器就是1种常见和典型的谐波源。其直流侧可以采用电感或电容滤波。因此，它们注入电网的谐波特性也有差异，并且还会受到滤波电感或电容大小的影响。
如果整流器直流侧采用电感L滤波，并且L足够大时，那么直流侧电流基本保持恒定，整流器注入电网的谐波电流主要由直流侧电流的大小和各半导体器件的切换方式所决定［6］，与交流侧参数关系不大，具有理想电流源的特性，因此，基本上可以看成是1个理想谐波电流源。当L不是足够大时，直流侧电流会有波动，这时，它注入电网的谐波就不能看成是1个理想谐波电流源，但仍可将其等效成1个谐波电流源，即1个理想谐波电流源与1个等效阻抗Za并联，如图1(a)所示。L越小，Za越小，L越大，Za也越大。因此，直流侧电感滤波的整流器可以看成电流型谐波源。
如果整流器直流侧采用电容C滤波，并且C足够大，那么与直流侧L滤波的整流器相对应，其直流侧电压基本为恒值，并通过各半导体开关器件的切换加到交流侧，因此，此类谐波源产生的谐波电压主要是由直流侧本身的特性决定，基本上与交流侧参数无关［6］，有类似电压源的性质，可以用1个理想谐波电压源与1个等效阻抗Zb串联来等效，如图1(b)所示。滤波电容C越大，等效阻抗Zb就越小，谐波源特性就越接近理想谐波电压源。当C足够大时，则可以看成是理想谐波电压源。因此，直流侧电容滤波的整流器可以看成电压型谐波源。
3．1 并联型APF
并联型APF对谐波源进行补偿时，其系统单相等效电路如图2所示。图中，usf和ush分别是电源电压us的基波和谐波分量，Zs是电源阻抗，ui为电源端电压，而isf和ish分别是电源电流is的基波和谐波分量。并联型APF输出的补偿电流用ic表示。工作时，通过控制APF产生一个与负载谐波电流大小相等方向相反的谐波电流ic注入电网，抵消负载产生的谐波电流，使is接近正弦波。因此，并联型APF本质上属于受控电流源，它以电流源的方式进行谐波补偿［2］。
并联型APF补偿电流型谐波源时，n次谐波电流为
当ush＝0，即电网电压无畸变时，只要ic＝iah，则ish＝0。这说明，不论负载是否为理想谐波电流源，并联型APF均能补偿。所以，并联型APF适合补偿直流侧电感滤波的整流器—电流型谐波源。
并联型APF补偿电压型谐波源时，当ush＝0时，对于n次谐波，只要使并联型APF产生的补偿
电流为
就能使ish＝0。如果按式（2）形成其补偿电流指令—参考电流［6］，并联型APF就能补偿电压型谐波源。但是，补偿效果受Zb的影响，而Zb的大小又由C决定。对Zb较大的电压型谐波源，并联型APF有一定的补偿效果。由于一般实际直流侧电容滤波的整流器，虽然不能等效成理想谐波电压源，但仍然可以看成Zb很小的谐波电压源。因此，补偿此类负载时，并联型APF需要产生的很大ic。特别是当C足够大时，负载看成是理想谐波电压源，Zb接近零，需要产生无穷大的补偿电流，这是达不到的。实际中，要使并联型APF产生需要的补偿电流，则要求提高其产生谐波电流的能力。这就意味着必须提高它的直流侧电压［7］。与此相适应，器件的耐压也必须提高。而器件耐压的提高不可能是无限的，这就决定了并联型APF产生谐波电流的能力是有限的。另外，元器件耐压的提高势必使APF的成本提高、经济性能比下降。综合这些因素，并联型APF不适合补偿直流侧电容滤波的整流器－电压型谐波源。
3．2 串联型APF
串联型APF的系统结构与并联型对偶，其系统单相等效电路如图3所示。其中，uLf和uLh分别是负载电压uL的基波和谐波分量，而uc表示并联型APF输出的补偿电压。工作时，通过控制APF产生1个与负载谐波电压大小相等、方向相反的谐波电压uc，抵消uLh，从而使负载注入电网的谐波电流为零，is变成正弦电流，而ui变成正弦电压。因此，串联型APF本质上属于受控电压源，它以电压源的方式进行谐波补偿［2］。
采用串联型APF对电流型谐波源进行补偿时，当ush＝0，即电网电压无畸变时，对于n次谐波，有
型APF能补偿电流型谐波源。但是，补偿效果受Za的影响，而Za的大小又由L决定。对Za比较小的电流型谐波源，串联型APF有一定的补偿效果。由于一般实际的直流侧电感滤波的整流器，其电感电流虽有波动，不能看成理想的谐波电流源，但非常接近理想谐波电流源，因此，Za相当大。这样，串联型APF需要产生很大的补偿电压。如果要使补偿效果好，则必须提高其产生谐波电压的能力。这就意味着必须提高它的直流侧电压［7］。与并联型APF补偿电压型谐波源的情况相似，这是不现实的。所以，串联型APF不适合补偿直流侧电感滤波的整流器－电流型谐波源。[FS:PAGE]
如果ush＝0，无论Zb的大小如何，只要uc＝－ubh，则ish＝0。因此，不论负载是否理想谐波电压源，串联型APF均能对其进行补偿。所以，串联型APF适合补偿直流侧电容滤波的整流器－电压型谐波源。
4 实验研究
实验时，电流型谐波源和电压型谐波源分别为直流侧电感滤波和电容滤波的三相桥式二极管整流器。补偿装置采用本课题组研制的三相并联型和串联型有源电力滤波器［5～8］。
并联型APF适合补偿电流型谐波源，这已经被许多实验所证明［1～4］。本文给出了并联型APF对电压型谐波源的补偿情况（图4）。
图4（a）显示的是补偿前的电源电流is，而图4（b）是补偿后的is。实验时，C取得大一些，为1000μF，并联型APF直流侧电压Ud为120V。补偿前is的畸变率THD是68．2％，而补偿后变为28．6％。可以看出，补偿后电源电流仍存在较大畸变，说明谐波补偿未起到明显的效果。即使继续提高并联型APF的Ud，补偿效果仍无较大改观，从而证实并联型APF不适合补偿直流侧电容滤波的整流器—电压型谐波源。
串联型APF对电流型谐波源的补偿情况见图5、图6。
图5（a）为补偿前的is，其THD为31．0％。补偿后，is的THD变为9．7％，波形如图5（b）所示。is波形有一定改善。说明当L比较小时，串联型APF对电流型谐波源具有一定的补偿作用。通过提高串联型APF的Ud，对is的THD影响不大，说明在正常工作条件下串联型APF产生谐波电压的能力已不能有很大提高。图6（a）所示的是L取得比较大，为0．5H时补偿前is的波形，其THD为27．8％。补偿后的is如图6（b）所示，其THD变为15．2％。此时，串联型APF的Ud仍为120V。可见，补偿效果不好，说明随着L的增大，串联型APF补偿电流型谐波源的效果变差。通过较大幅度地提高串联型APF的Ud尽管降低了is的THD，但作用不很明显，THD还为13％左右，串联型APF仍不能达到好的补偿效果，这是由于其产生谐波电压的能力不能满足补偿要求。
上述实验证实了理论分析的结果，即串联型APF不适合补偿直流侧电感滤波的整流器—电流型谐波源。
串联型APF补偿电压型谐波源时的结果见图7。C很大，为2200μF。串联型APF的Ud取为正常工作时要求值70V即可，比并联型APF补偿电压型谐波源时的Ud要低得多。补偿前is畸变严重，其THD为69．5％，补偿后is接近正弦波，其THD仅为3．8％，说明谐波补偿效果良好。这证实了理论分析结论，即串联型APF适合补偿直流侧电容滤波的整流器—电压型谐波源。
5 结论
（1）电网中的谐波源一般可分为2种，即电流型和电压型谐波源。直流侧电感滤波的整流器视同电流型谐波源，而直流侧电容滤波的整流器视同电压型谐波源。APF对它们的补偿特性是不同的。当补偿电流型和电压型谐波源时，为达到良好的谐波补偿效果，应注意APF类型的选取。
（2）并联型APF通常被看作受控谐波电流源，它以电流源的形式进行谐波补偿。而串联型APF通常被看作受控谐波电压源，它以电压源的形式进行谐波补偿。所以，并联型APF适合补偿电流型谐波源，对电压型谐波源的补偿效果比较差，特别是当串联等效阻抗较小时。串联型APF适合补偿电压型谐波源，对电流型谐波源的补偿效果比较差，特别是当并联等效阻抗较大时。
参考文献：
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［7］ 杨君，王兆安，邱关源．并联型电力有源滤波器直流侧电压的控制［J］．西安：西安交通大学学报，1996（4）：37－41．
［8］ 王群，姚为正，王兆安．低通滤波器对谐波检测电路检测效果的影响［J］．西安交通大学学报．1999（4）：53－58．
作者简介：
王 群（1960－），男，博士后，研究方向为电网谐波分析、有源电力滤波技术和神经网络应用；
姚为正（1967－），男，博士，研究方向为开关电源，电网谐波抑制和无功功率补偿；
刘进军（1970－），男，博士，研究方向为电力电子装置的谐波抑制和无功功率补偿。
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