舰船用混合型有源滤波器拓扑及原理综述

张久，陈林

（1. 中国人民解放军92002部队，广东汕头 515011；2. 厦门理工学院电子与电气工程系，福建厦门 361024）

0 引言

舰船电力系统由于使用了大量非线性电力电子装置，产生了大量的谐波和无功，必须对其进行抑制[1]。用于进行谐波治理的混合型有源滤波器是无源（PF）和有源滤波器（APF）组合而成的，以发挥两者的优势。本文对混合型有源滤波器各种拓扑、滤波原理进行总结和比较，包括 3种基本的拓扑，以及改进的拓扑。

1 三种基本拓扑和原理

APF与PF结合、与网串/并联，可能的拓扑结构有多种，但目前实用的基本拓扑有三种，并联APF+并联PF、并联APF+串联PF、APF与PF串联后并入系统。

并联APF+并联PF[2]的系统结构如图1。此种结构主要用来补偿电流型非线性负载，典型例子是直流侧为阻感负载的整流电路。针对特定谐波源，由PF滤除负载中特定次谐波以滤除大部分谐波，APF以等效电流源形式并入电网，向电网注入电流抵消谐波源产生的谐波电流，达到补偿目的。

图1 并联APF+并联PF系统结构图及单相谐波等效电路图

PF由特定次和高通滤波器组成，滤除负载中特定次谐波以滤除大部分谐波，再将负载和 PF看成补偿对象，用容量相对较小的 APF动态补偿，APF用于补偿剩余谐波及改善PF的补偿特性，抑制并联谐振。

当采用负载电流检测方式时，ic=KiL,，iL是负载电流，Zs、ZF分别为系统、PF的等效阻抗。K为APF谐波检测、控制电路和补偿电流发生器的等效增益。可得：

其中下标h表示谐波分量。式(1)中，若能保证K=1，则可有效消除非线性负载引起的谐波分量，同时合理设计 PF参数，使分母远大于式中电压分量，使由系统电压引起的谐波分量趋于零。实际系统电压的畸变不很严重，即USh非常小。则电源电流中的谐波成分 iSh= 0，实现了谐波补偿的目的。

并联APF+串联PF[3]的系统结构如图2。此种结构主要用于补偿电压型非线性负载，典型例子是电容滤波型整流电路。通过 PF的滤波作用使串联APF的容量要求大大减小。APF以等效电压源形式串联在电源和谐波源之间以输出补偿电压，抵消负载产生的谐波电压，达到补偿目的。

图2 串联APF+并联PF系统结构图及单相谐波等效电路图

PF由5次、7次和高通滤波器组成，补偿大部分谐波。APF看作可变阻抗，它对基波的阻抗为0，对谐波却呈现高阻抗（系数为K），迫使谐波电流流入PF而不会流入系统，即APF起到了谐波隔离器的作用，同时可抑制电网阻抗对 PF的影响以及电网与 PF可能发生的谐振，改善了PF滤波效果。

UCh=KiSh，可得：

使K ≫ ZF、 ZS，则 iSh≈ 0，实现了滤波目的。

APF与PF串联后并入系统[4]的系统结构如图3。

图3 APF与PF串联后并入系统结构图及单相谐波等效电路图

与结构1相比，APF不承受电源的基波电压，对有源部分的容量要求较小，APF与PF之间通过耦合变压器连接，适当减小APF中开关器件承受的电压。UCh=KiSh，当不考虑系统谐波电压的影响，即 USh= 0时，可得：

当K≫时，则K决定了整个滤波器的特性，iSh趋近于0，实现了补偿谐波目的。

2 改进的拓扑和原理

APF的容量取决于其承受的电压和流过的电流，为了减小APF的容量，多种改进的拓扑被提出。在此，本文将给出典型的几种改进的拓扑和原理。

2.1 注入式HAPF

在结构3中，由于变压器的耦合作用，使所有的基波无功电流都流过APF，迫使APF所需求的容量大大增加，必然增加APF实现的技术难度和成本，限制了APF的应用。为进一步降低APF的容量，注入式HAPF[5]被提出，如图4。

C1、C2和L1为注入支路，C和L组成的是主要次谐波和高通滤波支路。APF输出的电压通过变压器耦合到 PF的某次滤波支路的电感和电容两端，其中C1、C2和L1组成的LC滤波支路调谐在某次谐波频率，而L1与C2调谐在基波频率，利用L1与C2对基波谐振的特性，使 APF既不承受基波电压也不承受基波电流，从而极大减小了APF的容量，降低了有源谐波补偿系统的投资，提高性价比，达到 APF实用化及谐波抑制的目的。

图4 注入式HAPF结构图及单相谐波等效电路图

Uch=Kish，Zs、ZFC、ZFL、ZL分别为电网阻抗、电容 C1的阻抗、C2和L1的串联阻抗、特定次谐波支路总的等效阻抗，可得：

令k=ZFCZL+1，=kZS，可得：

由式(5)可得，当iLh、Ush为定值时，如果K增大，ish将减小。当K值足够大时，大部分负载谐波将流入PF，达到很好的滤波效果，且不考虑系统电压畸变引起的谐波电流时，即 Ush=0，则必然有更多的谐波电流流入 PF支路，如果，则由负载产生的谐波电流将流入 LC滤波器，如果，则滤波特性由K决定。

2.2 谐振阻抗型HAPF

谐振阻抗型HAPF是在结构3的基础上改进而来的，在耦合变压器副方并联了一个基波串联谐振电路FSRC[6]，使系统兼具较大容量的无功静能力和较小的APF容量，如图5。

iCh=KiLh，ZS、ZR、ZF分别为电网阻抗、FSRC等效阻抗、PF等效阻抗，可得：

K可取值为1。若ZR非常大时，系统可达到理想的滤波特性， iSh≈ 0，达到滤波的目的。当系统中的PF补偿较大容量的无功功率时，PF的基波阻抗较小，有较大的基波无功电流流入PF。此时，由于FSRC谐振于基波频率，其基波阻抗近似为 0，相当于基波电流的短路通道，所以流过PF的基波电流都将流入FSRC，而不会流入耦合变压器和APF；而且，相对于PF而言，FSRC承受的基波压降较小，大部分由 PF分担了。开关器件的功率等级可以大大降低，从而减小投资。

图5 谐振阻抗型HAPF结构图及单相谐波等效电路图

2.3 基波旁路通道串联HAPF

带基波旁路通道的SHAP[7]是在结构2基础上发展而来的，在变压器的高压侧（即APF侧）增设了谐振于电网基波频率的由L、C组成的无源支路，其目的是给电网电流中的基波成分提供一条低阻抗的通道，减轻APF的负担，如图6。

与结构2相比，APF的容量进一步降低，成本进一步减少；当APF发生故障时，只需断开APF，系统仍然可以通过基波旁路通道给负载提供能量，方便了系统的保护。对APF来说，希望它不流过基波电流，只流过电网谐波电流。但是，如果对APF基波电流不进行控制，因APF为电压源，其输出阻抗甚低，从而电网基波电流仍将会大部分流过APF。为了阻止电网基波电流流过APF，可以让APF对流过其自身的基波电流iCf呈现较大阻抗KCf，即 UCf=KCf·iCf。

下标 f表示基波分量。ZS、ZP、ZM、ZF、ZL分别表示电网基波阻抗、基波旁路通道阻抗、APF输出的基波阻抗、PF基波阻抗、负载等效的基波阻抗，可得：

当(ZMf+ KCf)≫ ZPf时，有 iCf≈ 0， iPf≈iSf，即APF基本上不流过基波电流，电网基波电流全部由基波旁路通道流过。

图6 基波旁路通道HAPF 单相基波等效电路图

3 不同拓扑结构的性能特点比较

上述三种基本拓扑和改进拓扑有各自的优势和缺点，现总结如下：

并联APF+并联PF：比较容易在已存在的PF的系统中实现；但电网与APF及APF与PF之间存在谐波通道，特别是APF与PF之间的谐波通道，可能使APF注入的谐波又流入PF及系统中。同时，APF容量虽然降低了，但是APF仍然承受全部基波电压，开关器件的耐压等级没有降低。

串联APF+并联PF：对APF容量要求很小、投资较少、运行效率高，适用于大容量谐波源；但对电网中的闪变分量，用该方法不能实现隔离；当负载电流中存在 PF不能滤除的谐波时，由于APF强制这部分谐波流入PF，这将在负载入端产生谐波电压；APF串联在电路中，绝缘较困难，维护也不方便。

APF与PF串联：不存在过电流危险，出现故障不会危及电网，与PF间的隔离问题易解决；但对电源的谐波电压非常敏感。

注入式：可同时用于补偿谐波、三相不对称电流、供电电压的波动，动态补偿性能好，无须承担基波电压和无功电流；但开关频率要求很高，对应的容量要求较大。

谐振阻抗型：滤波效果很好、具备一定的无功静态补偿能力、有源部分容量小；补偿特性基本不受电网阻抗的影响；且FSRC和PF失谐对补偿特性影响都不大；但有源部分若控制为谐波电压源，则存在补偿能力和较小容量的矛盾，控制为谐波电流源，在性能和经济上都更加优越；对电压源型负载，其内阻抗对补偿特性影响较大。

基波旁路型：APF容量降低；当APF发生故障，基波旁路可保护系统；可利用原有的PF组，节省成本。

4 总结

三种基本拓扑是利用PF滤除大部分的谐波，利用APF来滤除剩余的谐波，改善滤波效果；改进拓扑主要是利用对基波和谐波呈现不同的阻抗，来达到减小APF承受的基波，减小APF的容量，实现APF实用化的目的。

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[1]吴任国. 有源滤波和无功补偿技术在舰船综合电力系统中的应用[J]. 船电技术, 2007, 27(5): 294-296-302.

[2]吴在军, 赵志宏, 王宝安. 并联混合型有源电力滤波器稳定性分析与控制[J]. 电力自动化设备, 2011,31(7): 36-41.

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[4]Fujita H, Akagi H. A practical approach to harmonic compensation in power systems-series connection of passive and active filters[J]. IEEE Trans. Ind. Appl.,1991, 27(6): 1020-1025.

[5]唐欣, 罗安, 涂春鸣. 新型注入式混合有源滤波器的研究[J]. 电工技术学报, 2004, 19(11): 50-55.

[6]涂春鸣. 新型谐振阻抗型混合有源滤波器RITHAF研究[D]. 长沙:中南大学, 2003.

[7]钟洪浩. 新型混合有源电力滤波器研究[D]. 杭州:浙江大学, 2005.