張久，陳林

（1. 中國(guó)人民解放軍92002部隊(duì)，廣東汕頭 515011；2. 廈門(mén)理工學(xué)院電子與電氣工程系，福建廈門(mén) 361024）

0 引言

艦船電力系統(tǒng)由于使用了大量非線性電力電子裝置，產(chǎn)生了大量的諧波和無(wú)功，必須對(duì)其進(jìn)行抑制[1]。用于進(jìn)行諧波治理的混合型有源濾波器是無(wú)源（PF）和有源濾波器（APF）組合而成的，以發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)。本文對(duì)混合型有源濾波器各種拓?fù)?、濾波原理進(jìn)行總結(jié)和比較，包括 3種基本的拓?fù)?，以及改進(jìn)的拓?fù)洹?/p>

1 三種基本拓?fù)浜驮?/h2>

APF與PF結(jié)合、與網(wǎng)串/并聯(lián)，可能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有多種，但目前實(shí)用的基本拓?fù)溆腥N，并聯(lián)APF+并聯(lián)PF、并聯(lián)APF+串聯(lián)PF、APF與PF串聯(lián)后并入系統(tǒng)。

并聯(lián)APF+并聯(lián)PF[2]的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。此種結(jié)構(gòu)主要用來(lái)補(bǔ)償電流型非線性負(fù)載，典型例子是直流側(cè)為阻感負(fù)載的整流電路。針對(duì)特定諧波源，由PF濾除負(fù)載中特定次諧波以濾除大部分諧波，APF以等效電流源形式并入電網(wǎng)，向電網(wǎng)注入電流抵消諧波源產(chǎn)生的諧波電流，達(dá)到補(bǔ)償目的。

圖1 并聯(lián)APF+并聯(lián)PF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及單相諧波等效電路圖

PF由特定次和高通濾波器組成，濾除負(fù)載中特定次諧波以濾除大部分諧波，再將負(fù)載和 PF看成補(bǔ)償對(duì)象，用容量相對(duì)較小的 APF動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，APF用于補(bǔ)償剩余諧波及改善PF的補(bǔ)償特性，抑制并聯(lián)諧振。

當(dāng)采用負(fù)載電流檢測(cè)方式時(shí)，ic=KiL,，iL是負(fù)載電流，Zs、ZF分別為系統(tǒng)、PF的等效阻抗。K為APF諧波檢測(cè)、控制電路和補(bǔ)償電流發(fā)生器的等效增益?？傻茫?/p>

其中下標(biāo)h表示諧波分量。式(1)中，若能保證K=1，則可有效消除非線性負(fù)載引起的諧波分量，同時(shí)合理設(shè)計(jì) PF參數(shù)，使分母遠(yuǎn)大于式中電壓分量，使由系統(tǒng)電壓引起的諧波分量趨于零。實(shí)際系統(tǒng)電壓的畸變不很?chē)?yán)重，即USh非常小。則電源電流中的諧波成分 iSh= 0，實(shí)現(xiàn)了諧波補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

并聯(lián)APF+串聯(lián)PF[3]的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2。此種結(jié)構(gòu)主要用于補(bǔ)償電壓型非線性負(fù)載，典型例子是電容濾波型整流電路。通過(guò) PF的濾波作用使串聯(lián)APF的容量要求大大減小。APF以等效電壓源形式串聯(lián)在電源和諧波源之間以輸出補(bǔ)償電壓，抵消負(fù)載產(chǎn)生的諧波電壓，達(dá)到補(bǔ)償目的。

圖2 串聯(lián)APF+并聯(lián)PF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及單相諧波等效電路圖

PF由5次、7次和高通濾波器組成，補(bǔ)償大部分諧波。APF看作可變阻抗，它對(duì)基波的阻抗為0，對(duì)諧波卻呈現(xiàn)高阻抗（系數(shù)為K），迫使諧波電流流入PF而不會(huì)流入系統(tǒng)，即APF起到了諧波隔離器的作用，同時(shí)可抑制電網(wǎng)阻抗對(duì) PF的影響以及電網(wǎng)與 PF可能發(fā)生的諧振，改善了PF濾波效果。

UCh=KiSh，可得：

使K ? ZF、 ZS，則 iSh≈ 0，實(shí)現(xiàn)了濾波目的。

APF與PF串聯(lián)后并入系統(tǒng)[4]的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 APF與PF串聯(lián)后并入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及單相諧波等效電路圖

與結(jié)構(gòu)1相比，APF不承受電源的基波電壓，對(duì)有源部分的容量要求較小，APF與PF之間通過(guò)耦合變壓器連接，適當(dāng)減小APF中開(kāi)關(guān)器件承受的電壓。UCh=KiSh，當(dāng)不考慮系統(tǒng)諧波電壓的影響，即 USh= 0時(shí)，可得：

當(dāng)K?時(shí)，則K決定了整個(gè)濾波器的特性，iSh趨近于0，實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償諧波目的。

2 改進(jìn)的拓?fù)浜驮?/h2>

APF的容量取決于其承受的電壓和流過(guò)的電流，為了減小APF的容量，多種改進(jìn)的拓?fù)浔惶岢觥Ｔ诖?，本文將給出典型的幾種改進(jìn)的拓?fù)浜驮怼?/p>

2.1 注入式HAPF

在結(jié)構(gòu)3中，由于變壓器的耦合作用，使所有的基波無(wú)功電流都流過(guò)APF，迫使APF所需求的容量大大增加，必然增加APF實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度和成本，限制了APF的應(yīng)用。為進(jìn)一步降低APF的容量，注入式HAPF[5]被提出，如圖4。

C1、C2和L1為注入支路，C和L組成的是主要次諧波和高通濾波支路。APF輸出的電壓通過(guò)變壓器耦合到 PF的某次濾波支路的電感和電容兩端，其中C1、C2和L1組成的LC濾波支路調(diào)諧在某次諧波頻率，而L1與C2調(diào)諧在基波頻率，利用L1與C2對(duì)基波諧振的特性，使 APF既不承受基波電壓也不承受基波電流，從而極大減小了APF的容量，降低了有源諧波補(bǔ)償系統(tǒng)的投資，提高性?xún)r(jià)比，達(dá)到 APF實(shí)用化及諧波抑制的目的。

圖4 注入式HAPF結(jié)構(gòu)圖及單相諧波等效電路圖

Uch=Kish，Zs、ZFC、ZFL、ZL分別為電網(wǎng)阻抗、電容 C1的阻抗、C2和L1的串聯(lián)阻抗、特定次諧波支路總的等效阻抗，可得：

令k=ZFCZL+1，=kZS，可得：

由式(5)可得，當(dāng)iLh、Ush為定值時(shí)，如果K增大，ish將減小。當(dāng)K值足夠大時(shí)，大部分負(fù)載諧波將流入PF，達(dá)到很好的濾波效果，且不考慮系統(tǒng)電壓畸變引起的諧波電流時(shí)，即 Ush=0，則必然有更多的諧波電流流入 PF支路，如果，則由負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流將流入 LC濾波器，如果，則濾波特性由K決定。

2.2 諧振阻抗型HAPF

諧振阻抗型HAPF是在結(jié)構(gòu)3的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的，在耦合變壓器副方并聯(lián)了一個(gè)基波串聯(lián)諧振電路FSRC[6]，使系統(tǒng)兼具較大容量的無(wú)功靜能力和較小的APF容量，如圖5。

iCh=KiLh，ZS、ZR、ZF分別為電網(wǎng)阻抗、FSRC等效阻抗、PF等效阻抗，可得：

K可取值為1。若ZR非常大時(shí)，系統(tǒng)可達(dá)到理想的濾波特性， iSh≈ 0，達(dá)到濾波的目的。當(dāng)系統(tǒng)中的PF補(bǔ)償較大容量的無(wú)功功率時(shí)，PF的基波阻抗較小，有較大的基波無(wú)功電流流入PF。此時(shí)，由于FSRC諧振于基波頻率，其基波阻抗近似為 0，相當(dāng)于基波電流的短路通道，所以流過(guò)PF的基波電流都將流入FSRC，而不會(huì)流入耦合變壓器和APF；而且，相對(duì)于PF而言，F(xiàn)SRC承受的基波壓降較小，大部分由 PF分擔(dān)了。開(kāi)關(guān)器件的功率等級(jí)可以大大降低，從而減小投資。

圖5 諧振阻抗型HAPF結(jié)構(gòu)圖及單相諧波等效電路圖

2.3 基波旁路通道串聯(lián)HAPF

帶基波旁路通道的SHAP[7]是在結(jié)構(gòu)2基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，在變壓器的高壓側(cè)（即APF側(cè)）增設(shè)了諧振于電網(wǎng)基波頻率的由L、C組成的無(wú)源支路，其目的是給電網(wǎng)電流中的基波成分提供一條低阻抗的通道，減輕APF的負(fù)擔(dān)，如圖6。

與結(jié)構(gòu)2相比，APF的容量進(jìn)一步降低，成本進(jìn)一步減少；當(dāng)APF發(fā)生故障時(shí)，只需斷開(kāi)APF，系統(tǒng)仍然可以通過(guò)基波旁路通道給負(fù)載提供能量，方便了系統(tǒng)的保護(hù)。對(duì)APF來(lái)說(shuō)，希望它不流過(guò)基波電流，只流過(guò)電網(wǎng)諧波電流。但是，如果對(duì)APF基波電流不進(jìn)行控制，因APF為電壓源，其輸出阻抗甚低，從而電網(wǎng)基波電流仍將會(huì)大部分流過(guò)APF。為了阻止電網(wǎng)基波電流流過(guò)APF，可以讓APF對(duì)流過(guò)其自身的基波電流iCf呈現(xiàn)較大阻抗KCf，即 UCf=KCf·iCf。

下標(biāo) f表示基波分量。ZS、ZP、ZM、ZF、ZL分別表示電網(wǎng)基波阻抗、基波旁路通道阻抗、APF輸出的基波阻抗、PF基波阻抗、負(fù)載等效的基波阻抗，可得：

當(dāng)(ZMf+ KCf)? ZPf時(shí)，有 iCf≈ 0， iPf≈iSf，即APF基本上不流過(guò)基波電流，電網(wǎng)基波電流全部由基波旁路通道流過(guò)。

圖6 基波旁路通道HAPF 單相基波等效電路圖

3 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能特點(diǎn)比較

上述三種基本拓?fù)浜透倪M(jìn)拓?fù)溆懈髯缘膬?yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，現(xiàn)總結(jié)如下：

并聯(lián)APF+并聯(lián)PF：比較容易在已存在的PF的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)；但電網(wǎng)與APF及APF與PF之間存在諧波通道，特別是APF與PF之間的諧波通道，可能使APF注入的諧波又流入PF及系統(tǒng)中。同時(shí)，APF容量雖然降低了，但是APF仍然承受全部基波電壓，開(kāi)關(guān)器件的耐壓等級(jí)沒(méi)有降低。

串聯(lián)APF+并聯(lián)PF：對(duì)APF容量要求很小、投資較少、運(yùn)行效率高，適用于大容量諧波源；但對(duì)電網(wǎng)中的閃變分量，用該方法不能實(shí)現(xiàn)隔離；當(dāng)負(fù)載電流中存在 PF不能濾除的諧波時(shí)，由于APF強(qiáng)制這部分諧波流入PF，這將在負(fù)載入端產(chǎn)生諧波電壓；APF串聯(lián)在電路中，絕緣較困難，維護(hù)也不方便。

APF與PF串聯(lián)：不存在過(guò)電流危險(xiǎn)，出現(xiàn)故障不會(huì)危及電網(wǎng)，與PF間的隔離問(wèn)題易解決；但對(duì)電源的諧波電壓非常敏感。

注入式：可同時(shí)用于補(bǔ)償諧波、三相不對(duì)稱(chēng)電流、供電電壓的波動(dòng)，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償性能好，無(wú)須承擔(dān)基波電壓和無(wú)功電流；但開(kāi)關(guān)頻率要求很高，對(duì)應(yīng)的容量要求較大。

諧振阻抗型：濾波效果很好、具備一定的無(wú)功靜態(tài)補(bǔ)償能力、有源部分容量??；補(bǔ)償特性基本不受電網(wǎng)阻抗的影響；且FSRC和PF失諧對(duì)補(bǔ)償特性影響都不大；但有源部分若控制為諧波電壓源，則存在補(bǔ)償能力和較小容量的矛盾，控制為諧波電流源，在性能和經(jīng)濟(jì)上都更加優(yōu)越；對(duì)電壓源型負(fù)載，其內(nèi)阻抗對(duì)補(bǔ)償特性影響較大。

基波旁路型：APF容量降低；當(dāng)APF發(fā)生故障，基波旁路可保護(hù)系統(tǒng)；可利用原有的PF組，節(jié)省成本。

4 總結(jié)

三種基本拓?fù)涫抢肞F濾除大部分的諧波，利用APF來(lái)濾除剩余的諧波，改善濾波效果；改進(jìn)拓?fù)渲饕抢脤?duì)基波和諧波呈現(xiàn)不同的阻抗，來(lái)達(dá)到減小APF承受的基波，減小APF的容量，實(shí)現(xiàn)APF實(shí)用化的目的。

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