APF有源滤波技术的原理与应用

汤海梅

（天津中德职业技术学院，天津市 300350）

一、概述

随着国民经济的快速发展和持续增长，电力建设更是取得日新月异的新成就，大功率开关器件的广泛应用，整流调速装置，交流变频装置，电气化铁路，电弧炉等各种电力电子设备不断增加，这些非线性负荷，使电网产生冲击以及三相不平衡等等电网质量受到严重的影响。

由于电力电子的发展，对供电质量提出更高要求，一直依靠的无源滤波技术治理谐波非线性等不能满足要求，无源滤波只是用电力电容器，电抗器和电阻的适当组合而成的无源滤波装置，进行滤波。虽然结构简单，运行维护方便，但无源滤波器只是根据特定出现的几次谐波来计算，计算复杂，装置容量大，同时也只能就地补偿，滤波特性受系统参数影响较大，有时可能造成滤波器过载。无源滤波器体积大，占地面积大，有效材料消耗也多，因此人们开始研究新的滤波装置，即利用新的功率器件IGBT的PWM逆变器组成有源滤波装置，即APF（Active Power Filter）。

二、有源滤波系统的原理

有源滤波装置应用如图1所示。有源滤波器是因为负载有谐波时有效治理装置，可以提供动态基波无功补偿和对电压闪变的抑制。通过开关合闸后，经过熔断器，限流电阻，以限制通电时瞬间的电流冲击，对电容器充电，当电容器达到额定值后，QF1接触器自动闭合，装置开始工作，电容器作为储能元件，为PWM逆变器和内部电抗器向外输出补偿电流提供能量，这时电容器还可以提供控制和监控系统的工作电源，CT1是检测负载电流，CF2是检测电网电流。经过高速数字处理器DSP分析谐波成份来驱动PWM，使产生反向谐波分量，这样完全抵消对应的谐波分量，可以自动消除系统中的各次谐波。有源电力滤波器，由于采用了数字信号处理技术，对测量和调节负载的频率波形和电压幅值的变化，在消除谐波之后，还具有防止电容器的谐振功能，有源滤波器的应用不会担心电路参数变化时谐振隐患，同时可以提供对电压突变和负载频繁变化的无功调节功能。

图1 APF系统原理图

有源滤波APF适用于三相三线工业性负载。用于整流器，变频器，UPS，中频炉，电弧炉等工业非线性负载。可以滤除2－60次谐波。

三相四线可适用于商用办公大楼，照明，电脑，UPS，电梯，变频空调等在中线中产生三次谐波的负载，可以滤除2－25次谐波。此外，根据负载性质，接上适当的电容器，可以进行无功补偿，提高功率因数。

APF系统图核心是检测出补偿对象电流中的谐波电流和无功补偿电流等。下面以等效电路来说明。

1．谐波电流

有源滤波器补偿负载谐波电流成分的等效电路如下：

图2 补偿谐波电流时的等效原理图

从图中可以得到电网侧的谐波电流可以写成：

式中S代表网侧，L代表负载侧，f代表基波，h代表谐波，Z代表阻抗。

从（1）式中若esh＝0则说明电源电压没有畸变。只要控制APF滤波器的输出电流ich＝iLh，此时网侧的谐波电流ish＝0。

2．补偿无功

有源滤波器补偿负载无功电流的等效电路如下：

图3 补偿无功时的等效原理图

从图中可以得到电网侧的无功电流表达式写成

式中S代表网侧，L代表负载侧，P代表有功分量，Q代表无功分量，Z代表阻抗。

从（2）式中可以看出，只要控制有源滤波的输出补偿电流，使其icq＝iLq，则电网侧的无功电流isq＝0。

从以上等效电路中看出，APF补偿电路要精确检测出谐波电流和无功电流，通过调节产生相位相反的补偿电流来补偿，能使系统恢复正常工作状态。

有源滤波器的主要性能：

（1）采用IGBT高速开关，可迅速消除谐波；

（2）输出电流响应时间小于10ms；

（3）APF具有自动限流于额定电流；

（4）设计选型简单，只需测量负载谐波电流大小；

（5）可以多机并联运行；

（6）在负载三相不平衡APF可以补偿三相电流平衡；

（7）APF可以在各种不同负载条件下稳定运行，输出电流跟踪准确，补偿效果好；

（8）可以抑制闪变干扰；

（9）可以同时滤波和补偿基波电流；

（10）具有自适应功能，可以自动跟踪补偿变化着的谐波。

三、有源滤波APF投入方式

有源滤波装置可以在电网的任意点接入。对在目标电网负载进行测量分析。例如：电压跌落系统，驱动系统，继电器系统，PLC系统，电磁铁系统等根据负载实际情况制定可行的补偿方案。APF的补偿方案，如图4所示。

图4 APF系统接入方式

最为经济有效的方案取决于非线性负荷和电网的类型。设备的额定输出决定了基波无功功率补偿的容量。确定设备规格时，必须考虑所要采用的操作模式是仅消除谐波还是既消除谐波又进行无功功率补偿。当中性线上的谐波电流超过相电流的5%时，采用三相四线的APF补偿设备可减少中性线电流。改善配电网的电能质量。

四、谐波信号的检测方法

谐波信号的检测是APF补偿的准确性的一个关键问题。APF的控制主要由谐波信号检测和补偿分量时产生两大部分组成。APF检测出电网中电流电压的畸变部分，然后通过控制功率电路产生相位相反的补偿电流分量，投入到电网中，以达到消除谐波的目的。

谐波信号的检测分为以下几种方式：

1．提取基波分量法

在检测到的信号中提取出基波分量，它与原信号之差就是所需补偿的谐波，通常由带通滤波器实现，造成输出信号畸变，补偿效果差。

2．数字化分析法

此方法建立在Fourier分析的基础上，因此要求补偿的波形是周期性的，否则会带来误差，可以选择消除的谐波时次数，缺点是实时性差。

3．自适应检测法

将电压作为参数输入，负载电流作为原始输入，从负载电流中消去与电压波形相同的有功分量，得到需要的补偿的谐波与无功分量，但动态响应速度太慢。

4．瞬时空间矢量法

瞬时空间矢量法是目前APF中应用最广泛的一种，其中id－iq检测法，不仅在电网电压畸变时适用，在电网电压不对称时也同样有效。它基于同步旋转坐标变换的d－q法可在电网电压不对称畸变情况下，精确地检测出谐波电流，当电网电压对称无畸变时，各电流分量的检测电路比较简单。

五、结论

随着我国电能质量治理工作不断深入，利用APF能对电网电压幅值，频率变化的谐波和无功功率进行补偿，具有高度的可控性和快速响应特性，并能跟踪补偿各种谐波的电流控制，自动产生所需变化无功功率，无功功率不会产生共振的危害，根据实际负荷，APF可在系统的任意点投入，体积小，重量轻，有源滤波技术必将受到更多人们关注，市场应用潜力巨大，将会对电力系统产生深远影响。

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