毕业设计（论文）混合有源滤波器及其稳态补偿特性分析.doc

邵 阳 学 院毕业设计(论文)课 题 名 称 混合有源滤波器及其稳态补偿特性分析 学 生 姓 名 学 号 0 2 4 1 3 2 6 0 8 5 院(系)、专业 信息与电气工程系 电气工程及其自动化 指 导 教 师 职 称 讲 师 2006 年 6 月 6 日摘 要随着越来越多的非线性负荷在电网中的应用，电网的“谐波污染”问题日益严重，对电网的安全、稳定、经济运行造成了很大的影响。有源电力滤波器具有比无源滤波器更好的滤波性能，因此成为近年来电网谐波抑制的重要手段。但单独使用有源电力滤波器成本较高，基于此，各种兼有有源电力滤波器优良补偿性能和无源滤波器低成本的混合型有源电力滤波器拓扑相继推出。本文首先对电网“谐波污染”和谐波抑制技术进行了简单的综述，然后对有源电力滤波器的基本原理进行了分析。在此基础上，文章重点介绍了一种注入式混合有源电力滤波器拓扑，给出了电路拓扑，对其构成部分进行了说明。在这种拓扑结构中，无源支路在补偿无功功率的同时还可以滤除因非线性负载产生的特征谐波电流。有源部分采用了注入式电路，用来抑制无源支路跟电网等效电感产生的谐振现象以及改善无源滤波器的滤波性能。论文对该混合补偿系统的稳态补偿性能、抑制谐波谐振性能进行了详细的分析，并对补偿方案进行了数字仿真。仿真结果和实验结果证明了所提出的混合有源滤波器的可行性和正确性。关键词：谐波污染；混合有源滤波器；无功补偿；功率因数；ABSTRACTAs more nonlinear loads in the grid applications, grid "harmonics pollution" growing problem, of the grid security, stability, economic performance have had a great impact. Active power filter is better than passive filters filter performance, and therefore in recent years become an important means of curbing grid resolved. However, the use of separate active power filter higher costs, because of this, various commercial active power filter compensation performance and excellent low-cost hybrid passive filter active power filter over successively introduced. The first grid "harmonics pollution," and resolved to contain a simple synthesis technology, and the basic principles of active power filter analyzed. On this basis, the article focused on a hybrid active power filter into line, given the circuit order, a description of its components. In this configuration, the passive filter of the compensation system can be use for compensation reactive power as well as for harmonic mitigation caused by the nonlinear load. The active power filter which adopted the injection type topology has the function of damping the resonance between the passive filter and the equivalent inductance of the power network and improving the compensation characteristic of the passive power filter. The steady compensation characteristic of the compensation system and the resonance damping are analyzed in detail and the digital simulation is performed. The feasibility and the validity of the integrated compensation system is validated by the theoretic analyze and simulation results.KEY WORDS: Harmonics pollution; Hybrid active filter; Reactive power compensation; Power factor绪 论随着电力电子装置应用的日益广泛，电网中的谐波污染也日益严重，另外过低的功率因数造成电能传输的额外耗损，也限制了输电线路的传输容量理想的电力系统是以单一而固定的频率，规定的固定幅值的电压，以及完整的正弦波形供应电能的，但是实际上这些条件没有一个能满足。电压和频率偏移问题以及如何使它们处于控制之下的方法是常规的电力系统分析与控制的课题，波形畸变（即谐波）问题在电力系统中原来是不详细探讨的。但随着社会的发展和科技的进步，一方面谐波污染随着非线性负载的数量和容量日益增加而日趋严重，另一方面供电方及其电力系统设备、用户及其用电器对电能质量的要求越来越高，因此人们对这个问题也越来越重视。如何有效的治理谐波，将谐波控制在允许限值以下，是摆在科技工作者面前的具有重要现实意义的课题。本章首先介绍了电力系统中谐波产生的原因及其对电网和用户造成的危害，然后扼要介绍谐波治理的主要措施，并对有源滤波器的发展现状和主要的拓扑结构进行了系统的介绍。1.1电力系统谐波目前，在理想的交流供电系统中，电源以单一恒定频率（50Hz或60Hz）的正弦变化规律向电网供电，电网可以近似为一个线性时不变系统，系统中各点的电流和电压都随着时间推移严格按照单一恒定供电频率的正弦规律变化。这些电压和电流彼此之间仅仅存在幅值和相位的差异，都是具有相同频率的正弦量。但是随着电力电子技术的发展，大量的电力电子变流装置和各种非线性负载的比重不断增加，引起电力系统中的电流和电压波形产生畸变。从频域的角度来看，在这些畸变的电流和电压波形中，不仅仅包含与供电电源同频率的正弦量，而且出现了一系列的频率为基波整数倍的正弦分量，这一系列的正弦分量统称为谐波。1.1.1 电力系统谐波产生的原因电网谐波主要来自于3个方面：一是发电源质量不高产生谐波；二是输配电系统产生谐波；三是用电设备产生的谐波。其中用电设备产生的谐波最多。发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，磁极磁场并非完全按照正弦规律分布，因此感应电动势就不是理想的正弦波，输出电压中也就包含一定的谐波。但这种谐波电动势的频率和幅值只取决于发电机本身的结构和工作情况，基本与外接负载无关，可以看成谐波电压源。在设计发电机时，采取了许多削弱谐波电动势的措施，因此，其输出电压的谐波含量是很小的。国际电工委员会（IEC）规定发电机的端电压波形在任何瞬间与其基波波形之差不得大于基波幅值的5%。因此，在分析公用电网的谐波时，可以认为发电机电动势为纯正弦波形，不考虑其谐波分量。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%。变压器励磁电流的谐波含量和铁心饱和程度直接相关，即和其所加的电压有关。正常情况下，所加电压为额定电压，铁心基本工作在线性范围内，谐波电流含量不大。但在轻载时电压升高，铁心工作在饱和区，谐波电流含量就会大大增加。另外，变压器投入运行过程、暂态扰动、负载剧烈变化及非正常状态运行时，都会产生大量的谐波。用电设备产生的谐波是由与电力系统相连的各种非线性负载产生的3,13。这些非线性负载主要是整流器、交流调压电路以及频率变换器等电力电子装置，由于这些电力电子装置都为可变结构非线性电力负荷，工作于非线性状态，在高效利用电能的同时也向电网注入大量的非线性电流，给公共电网的电能质量带来了隐患。另外，工业用的电弧炉、电石炉也是个比较大的谐波源，由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器注入电网。其中主要是2谐波和7次谐波。 除此以外 ,其它像电视机、电池充电器等装置也会产生谐波。虽然单个装置的功耗不大 ,但由于数量很多 ,因此它们给供电系统注入的谐波分量也不容忽视。1.1.2 电力系统谐波危害电能是现代社会生产和人民生活中主要的和必不可少的重要能源，一般情况下，电网中引起的谐波的主要因素包括负载侧的各种变流装置、具有磁饱和特性的装置以及非线性不平衡电路等，电源侧的发电机的线槽间隙谐波、输电线路电晕放电、系统的不对称运行或不对称故障等。在电力电子装置广泛应用以前，由于电力系统谐波未对生产和生活产生严重的影响和危害，因此只把供电频率和电压幅值的稳定程度及其与额定值间的差异作为衡量电能质量的标准。随着电力电子技术的发展，供电系统中增加了大量的非线性负载，特别是以开关方式工作的静止变流器，从低压小容量家用电器到高压大容量的工业交、直流变换装置都有着广泛的应用，它是一种非线性时变拓扑负荷，不可避免地会产生非正弦波形，向电网注入谐波，已成为电网中的“公害”。供电系统中还有电弧炉、电焊机、变压器、旋转电机等其它非线性负载，都会在电网中产生不同频率和幅值的谐波，甚至像电视机、荧光灯、电池充电器等装置也会产生谐波，虽然单个装置的容量不大，但由于数量很多，因此它们给供电系统注入的谐波分量也不容忽视。谐波不仅会消耗系统的无功功率储备，其危害还主要表现在以下几个方面：（1）电力电容器引起的谐波放大。由于电容器的容抗与频率成反比，因此在谐波电压作用下的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多，从而使谐波电流的波形畸变更比谐波电压的波形畸变大得多，即便电压中谐波所占的比例不大，也会产生显著的谐波电流。特别是在发生谐振的情况下，很小的谐波电压就可引起很大的谐波电流，导致电容器因过流而损坏。（2）增加旋转电机的损耗。谐波电压或电流会在电机的定子绕组、转子回路以及定子和转子铁芯中引起附加损耗。由于涡流和集肤效应的关系，定子和转子导体内的这些附加损耗要比直流电阻引起的损耗大。另外，谐波电流还会增大电机的噪音和产生脉动转矩。（3）增加输电线的损耗，缩短输电线寿命。谐波电流一方面在输电线路上产生谐波压降，另一方面增加了输电线路上的电流有效值，从而引起附加输电损耗。在电缆输电的情况下，谐波电压以正比于其幅值电压的形式增强了介质的电场强度，这影响了电缆的使用寿命，据有关资料介绍，谐波的影响将使电缆的使用寿命平均下降约60%。（4）增加变压器的损耗。变压器在高次谐波电压的作用下，将产生集肤效应和邻近效应，在绕组中引起附加铜耗，同时也使铁耗相应增加。另外，3的倍数次零序电流会在三角形接法的绕组内产生环流，这一额外的环流可能会使绕组电流超过额定值。对于带不对称负载的变压器来说，如果负载电流中含有直流分量，会引起变压器的磁路饱和，从而会大大增加交流激磁电流的谐波分量。（5）造成继电保护、自动装置工作紊乱。谐波能够改变保护继电器的动作特性，这与继电器的设计特点和原理有关。当有谐波畸变时，依靠采样数据或过零工作的数字继电器容易产生误差。谐波对过电流、欠电压、距离、周波等继电器均会起拒动和误动的影响，保护装置失灵和动作不稳定。零序三次谐波电流过大，可能引起接地保护误动作。（6）引起电力测量的误差。测量仪表是在纯正弦波情况下进行校验的，如果供电的波形发生畸变，仪表则容易产生误差。比如，感应式电能表对设计参数以外的频率的响应不灵敏，频率越高，误差越大，而且为负误差，当频率约为1000时，电度表将会停止转动。（7）干扰通讯系统。供电系统中的静止变流器在换相期间电流波形发生急剧变化，该换相电流会在正常供电电压中注入一个脉冲电压，该脉冲电压所包含的谐波频率较高，甚至达到1，因而会引起电磁干扰，对通信线路、通信设备会产生很大的影响。比如电力载波通信、远动装置信号以及与架空线平行的通讯线路，谐波的影响都很大。（8）延缓电弧熄灭。在超高压长距离输电线路上，较大的谐波电流会使电弧熄灭延缓，导致单相重合闸失败，扩大事故。在消弧线圈接地系统中较大的谐波分量同样会延迟或阻碍消弧线圈的灭弧作用。谐波分量还会使电流过零时的值过大，导致断路器断弧困难，影响断流能力。（9）对其它设备的影响。谐波还会对下列设备产生影响：导致功率开关器件控制装置误动作；导致功率开关器件故障而损坏；使日光灯的镇流器及补偿用电容器过热和损坏；对计算机产生干扰；影响互感器的测量精度；使熔断器在没有超过整定值时就熔断；影响功率处理器的正常运行；影响电视机的画面质量；影响电子显微镜的清晰度；影响其它换流设备或其它任何由电压过零所控制的设备的同步。以计算机技术和功率半导体制造技术为基础和先导，开关器件功率处理能力和切换速度有了显著提高，电力电子装置的工业市场和应用领域正在不断扩大。有资料分析，预计到2000年，一些发达国家50%以上负载将要通过电力电子装置供电。在电价较高的国家，电力电子技术的应用市场可能会更大。有专家统计，我国目前电能的30%是经过各类功率变换后供用户使用的。随着功率变换装置容量的不断增大、使用数量的迅速上升和控制方式的多样性等，电力电子装置的潜在负作用将日益突出。另一方面，各类家用电器层出不穷，精密仪器设备发展迅猛，信息时代已经到来，越来越多的电气用户对取用的电能形态和功率流动的控制与处理提出了新的要求。这样一来，越来越严重的谐波污染与越来越高的电能质量要求形成了一对日趋尖锐的矛盾。综上所述，对电能质量已经不能仅用频率和电压这两个指标来评价了，谐波已成为电能质量另一个重要指标。因此，无论是从保障电力系统的安全、稳定、经济运行的角度，还是从用户用电设备的安全、正常工作的角度，有效地治理谐波，将其限制在允许范围之内，还电网一个洁净的电气环境，营造“绿色电网”，已经迫在眉睫。我国谐波治理的水平还比较低，对电力科技工作者来说，谐波治理问题的研究具有十分重大的理论和现实意义。1.2谐波治理方案为了保证供电质量，防止谐波的各种危害，必须采取措施来抑制供电系统中的高次谐波。目前国内外主要从配电系统、高次谐波发生源以及谐波抑制装置三方面来抑制高次谐波。本文主要讨论采用谐波抑制装置来抑制高次谐波。装设谐波补偿装置的传统方法就是采用LC无源滤波器（Passive FilterPF）。它利用电感、电容元件的谐振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，从而减小流向电网的谐波电流。这种方法在吸收高次谐波的同时还具有改善负载功率因数的功能。而且结构简单，成本较低，技术成熟，一直被广泛应用。但这种滤波器还存在一些不足之处：（1）由于调谐偏移和残余电阻的存在，调谐滤波器的阻抗等于零的理想条件是不可能出现的，阻抗的变化大大妨碍了滤波效果，并且还存在滤波器过负荷的可能性。（2）随着电源侧谐波发生源的增加，可能会引起滤波器的过负荷。（3）根据高次谐波次数的多少，需设置多个L-C滤波电路，并且当滤波器投入运行之后，如果高次谐波的次数和大小发生了变化，便会影响滤波效果。（4）同一系统内，在装有很多滤波器的情况下，欲取得高次谐波流入的平衡是很困难的。（5）L-C滤波器电路会因系统阻抗参数变化而发生与系统并联谐振问题，从而使装置无法运行。（6）消耗大量的有色金属，体积大，占地面积大。（7）只能滤除固定频率的谐波电流，当电网频率发生偏移时其滤波特性将发生较大的变化。与传统的PF一样，APF（包括HAPF）也是给谐波电流或谐波电压提供一个在谐振频率处等效导纳为无穷大的并联网络或等效阻抗为无穷大的串联网络34，但是一台APF理论上可以拥有无穷多个谐振频率。与PF相比，APF具有以下一些优点：（1）滤波性能不受系统阻抗的影响。（2）不会与系统阻抗发生串联或并联谐振，系统结构的变化不会影响治理效果。（3）原理上比PF更为优越，用一台装置就能完成各次谐波的治理。（4）实现了动态治理，能够迅速响应谐波的频率和大小发生的变化。（5）由于装置本身能完成输出限制，因此即使谐波含量增大也不会过载。（6）具备多种补偿功能，可以对无功功率和负序进行补偿。（7）谐波补偿特性不受电网频率变化的影响。（8）可以对多个谐波源进行集中治理。但是由于单独使用的有源电力滤波器容量小，结构比较复杂，成本髙等原因而很少应用于工程实际。近年来，结合无源电力滤波器和有源电力滤波器优点的混合型有源电力滤波器成为研究的热点话题。在这种电力滤波器中，无源电力滤波器承担大部分的谐波滤除工作，而让有源电力滤波器滤除变化较快的部分谐波并有效抑制无源滤波器跟电网之间的谐振。1.3有源滤波器的发展现状1969年B.M.Bird和J.F.Marsh发表的论文中描述了通过向交流电网注入三次谐波电流来减少电源电流中的谐波成分，从而改善电源电流波形的新方法是有源电力滤波器基本思想的萌芽。1971年H.Sasaki和T.Machida首次完整地描述了有源电力滤波器的基本原理，但由于当时采用线性放大的方法产生补偿电流，其损耗大、成本高，因而公在实验室中研究，未能在工业中实用。1976年，L. Gyugyi等人提出了用大功率晶体管PWM逆变器构成的有源滤波器40，并正式确立了有源滤波的概念，提出了有源滤波器主电路的基本拓扑结构和控制方法。从原理上看，PWM变流器是一种理想的补偿电流发生电路，但是由于当时电力电子技术的发展水平还不高，全控型器件功率小、频率低，因而有源滤波器仍局限于实验研究。用有源滤波器对电力谐波进行动态治理真正进入实用阶段还是在80年代。各种新型电力半导体器件的相继问世、PWM技术的发展以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，都极大地促进了有源滤波技术的发展。1983年赤木泰文等人提出的“三相电路瞬时无功功率理论”35极大的推动了有源电力滤波器的发展及其工程应用。在国外，有源电力滤波器已开始在工业和民用设备上得到广泛使用，并且谐波补偿的次数逐步提高，有的可以高达25次谐波；单机装置的容量逐步提高。如在日本和美国，应用领域可以接受的APF的容量已增加到50MVA，其应用领域从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展。国内有源电力滤波器的应用技术和电子工业发达的国家相比有一定的差距。国内对有源电力滤波器的研究基本上都局限于仿真研究和小型试验装置，工程实践应用仅仅也只是小功率的应用，而正式投入电网运行的几乎为零，只有几台类似产品投入工业试运行，如华北电力试验研究所、冶金部自动化研究院和北京供电公司联合开发、研究的有源高次谐波抑制装置于1992年在北京木材厂中心变电站投入工业运行，该装置采用了三个单相全控桥逆变器（功率开关为GTR），用于低压电网单个谐波源的谐波补偿，装置容量小,且只能补偿几个特定次数的谐波（5、7、11、13次）,调制载波的频率（3.3kHz）不高。1.4 有源滤波器的主电路形式有源滤波器的主体是有源逆变器。对于有源滤波器来说，有源逆变器及其控制是至关重要的部分，按照有源逆变器的类型可以分为两种基本的类型，即电流型有源逆变器和电压型有源逆变器。电流型逆变器的结构如图1-1所示，其直流侧采用电感作为贮能元件，在正常工作时流过电感的电流基本上保持不变，因此可以看作电流源，其优点是不会因为主电路开关器件的直通而发生短路故障。但是，电流型逆变器直流侧的大电感上始终有电流流过，该电流将在大电感上产生较大的损耗，另外对直流侧电感上的电流控制也比较复杂，因此目前比较少用。电压型逆变器的结构如图1-2所示，其直流侧采用电容作为贮能元件，在正常工作时电容器两端的电压基本保持不变，因此可以看作电压源。本文的研究对象是由电压型逆变器构成的混合型有源电力滤波器。 图1-1 电流型有源逆变器 图1-2 电压型有源逆变器1.5 有源滤波器的拓扑结构具体选择有源滤波器时，电路结构的选择是一个很重要的环节，因为不同的滤波器结构适合不同的应用目的和不同的功率范围。根据电路结构和连接方式有源滤波器的分类如图1-3所示。主要包含有串联型有源滤波器、并联型有源滤波器以及混合型有源电力滤波器。本文的研究对象是并联混合型有源电力滤波器。虽然有源滤波器发展至今，其主电路拓扑结构和工作原理都发生了变化，但都是从最早期的并联型APF，根据对偶原理或通过混合逐步演变而来的。所以，存在对APF的一般性定义：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，以抵消输电线路中的有害电流的半导体电力变换装置。图1-3 有源滤波器拓扑结构类型1.6 论文的课题背景、主要内容及章节安排本课题来源于某企业谐波治理与无功补偿科研项目。目前，该企业配电网11次和13次谐波含量超标，功率因数偏低。本课题为该企业谐波治理和无功补偿科研项目的前期准备工作，对提出的补偿方案进行仿真研究，为项目的顺利实施奠定基础。对企业配电网进行谐波治理和无功补偿对企业节能降耗、降低生产成本、提高产品的市场竞争力具有重要的现实意义。本论文以该课题的研究为核心内容，根据企业在谐波治理的同时需要具备一定的无功功率静补能力的特点和要求，针对目前混合型有源滤波器在实际应用中的不足，提出了兼顾谐波治理和无功补偿的新的有源滤波器混合方式由注入式有源滤波器和无源滤波器组成的混合型有源电力滤波装置。并着重研究了HAPFIS的原理、设计和控制问题，同时对相关问题也进行了分析和探讨。论文的主要研究内容包括：（1）、谐波的产生及危害、有源滤波器的研究现状、分类和基本工作原理；（2）、注入式混合有源电力滤波器（IHAPF）的拓扑结构和工作原理；（3）、在只考虑负载电流谐波的情况下做出注入式混合有源电力滤波器的单相等效电路；（4）、根据单相等效电路求取系统的闭环传递函数，并用MATLAB语言编程做出系统的幅频特性曲线；（5）、根据IHAPF的结构和原理利用软件PSIM4.1进行仿真研究，验证注入式混合型有源电力滤波器的滤波性能。根据以上研究内容，论文的后续章节构成如下：第二章，有源滤波器拓扑介绍。本章首先阐述各种主要的有源滤波器拓扑结构进行系统的介绍，为构造新型混合有源滤波器确立理论基础。第三章，注入式混合有源电力滤波器（IHAPF）。针对企业谐波治理的特殊要求，提出新型的注入式混合有源滤波器IHAPF，阐述IHAPF的工作原理，并进行原理仿真，给出仿真结果。第四章，结束语。对本文的研究工作进行的总结，并对进一步的研究工作进行了展望。第2章 有源电力滤波器的基本原理和常用拓扑电力有源滤波器能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿,而且补偿特性不受电网阻抗的影响。国外电力有源滤波器的研究以日本为代表,已进入实用化阶段，随着容量的逐步提高，其应用范围也从补偿用户自身的谐波问题向改善整个电力系统供电质量的方向发展。在装置技术方面，主要朝提高补偿容量、改善补偿性能、降低成本和损耗、多功能化和装置小型化等方向发展，在应用方面，主要致力于针对不同谐波源制定相应的对策,解决最优配置、有源滤波器的相互干扰及其对电网上装设的LC滤波器的影响以及停电和瞬间保护等问题。自1976以来L.Gyugi提出了并联有源滤波器方案，到目前为止已经研究出了有关有源滤波器的近十几种滤波方案，它们各有优缺点，分别应用于不同场合下面详细介绍有源电力滤波器的常用拓扑。2. 1 单独使用的有源滤波器2.1.1 并联型有源滤波器5E76联型有源滤波器是工业应用最多的一种滤波器结构。单独使用的并联有源电力滤波器的单相图如图2-1所示，这种装置相当于一个谐波电流发生器，跟踪负载电流中的谐波分量，产生与之相反的谐波电流，从而抵消线路中的谐波电流。图2-1单独使用的并联有源电力滤波器优点：可用于补偿谐波，补偿三相不对称电流，补偿供电点电压的波动，补偿无功功率，可以根据需要连续调节。缺点：由于APF是和被补偿的谐波负载并联在电网上的，须承受电网电压，这使其容量很大。而构成APF主电路的PWM变流器的容量和动态性能成反比，很难使APF在具有大的容量的同时，还具有良好的动态特性和低的开关损耗。另外，APF的初始投资和运行费用比PF要高，影响到实际应用和推广。适用场合：主要用于带感性负载的整流器负载。2.1.2 串联型有源滤波器串联型APF通过变压器串联于输电线路中（如图2-2），是另一种基本的APF形式，它相当于一个电压控制电压源，跟踪谐波源电压中的谐波分量，产生与之相反的谐波电压，从而隔离谐波源产生的谐波电压。图2-2 串联型有源电力滤波器有源装置容量小，运行效率高，对电压型谐波源有较好补偿特性。因此串联型APF一方面用于改善系统的供电电压，为负载提供基波正弦供电电压，特别适用于对电压很敏感的负载；另一方面用于治理电压型谐波负载，如带电容滤波的整流器，避免负载产生的谐波电压影响电网电压波形。但是串联型APF存在绝缘强度高、难以适应线路故障条件以及不能进行无功功率动态补偿等缺点44，且负载的基波电流全都流过连接用的变压器，其工程实用性受到限制。与并联型APF一样，负载谐波含量较大时串联型APF装置容量也将很大，初期投资也很大。 适用场合：适用于电压源性质的谐波源。2.2 混合型有源滤波器2.2.1 并联型APF并联PF1987年Takeda M.等人提出用并联型APF和并联 PF相结合的混合型有源电力滤波器（如图2-3）。这是一种很重要的无源滤波器和有源滤波器的组合，无源滤波器滤除大部分谐波，而有源滤波器的作用则是滤除部分低次谐波，因此，这种组合结构不需要采用昂贵的大功率开关器件，也可用于大功率系统。但这种装置在使用时，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。图2-3 APF和PF两者并联后再并联接入电网2.2.2 注入型为了将单独使用的APF上承受的基波电压移去，使有源装置只承受谐波电压，从而显著降低有源装置的容量，可以选择用LC串联或并联谐振网络作为注入电路（分别如图2-4和图2-5）。在图2-4的串联谐振注入型APF中，LC网络在基波频率处发生串联谐振，阻抗很小，逆变器不承受基波电压，而对于高于基波频率的谐波分量，LC网络阻抗较大，APF产生的谐波电流绝大部分将流入主电路，但是要同时获得较好的谐波补偿性能和较小的有源装置容量比较困难，而且支路上端的电容将很大。并联谐振注入方式原理与之类似，LC网络在基波频率处发生并联谐振，阻抗很大，基波电压基本上加在LC网络上，而对于高于基波频率的谐波分量，LC网络阻抗很小，并应该远小于支路中另一个电感的谐波阻抗，则APF产生的谐波电流的绝大部分也将流入主电路。另外，值得一提的是，串联谐振注入型APF可以补偿无功功率，既可以由支路上端的电容补偿，也可以由APF进行动态补偿；而并联谐振注入型APF不能补偿无功功率，因为支路上端的并联谐振电路的基波阻抗很大，难以产生较大的基波无功电流注入主电路。图2-4 串联谐振注入型APF图2-5 并联谐振注入型APF2.2.3 串联型APF并联 PF1988年Peng F. Z.等首先提出串联APF加并联PF的结构（如图2-6）。串联APF相当于一个电流控制电压源产生与流过它的谐波电流成K倍比例的谐波电压。这样APF对基波来讲，阻抗为零，而对谐波来讲，相当于阻值为K的电阻，因此它对基波电流和电压无影响，而是增加电源支路对谐波的阻抗，迫使负载电流中的谐波成分尽量流入无源滤波器中，从而改善无源滤波器的补偿效果，也可以阻尼可能在电网阻抗和无源滤波器之间发生的并联谐振。另外，这里的APF还可抑制因电源电压中可能存在的谐波电压而产生流向PF的谐波电流。优点：容量很小，投资较少，运行效率高。对大容量谐波源的补偿是较理想的方案。缺点：由于APF串联于电路之中，当负载过载时有源滤波器也将过载。很难把APF与电源隔离开，易发生短路。APF一旦发生故障也将危及电网，对电源电压的闪变没有作用。适用场合：带有大容量谐波负载的电力系统。图2-6 串联型APF并联 PF的HAPF2.2.4 APF与PF串联后并联接入电网1990年，Fujita H.等人提出将APF与PF相串联后与电网并联的混合型方案，其结构示意图如图2-7所示。该方式中谐波主要由LC滤波器滤除，而有源电力滤波器的作用是改善LC滤波器的滤波特性，克服LC滤波器易受电网阻抗的影响、可能与电网阻抗发生谐振等缺点。而且在这种方式中，有源电力滤波器不直承受系统基波电压作用，因此装置容量小，开关器件耐压等级低，而且改变耦合变压器的变比能够改变有源滤波器的承受的基波电压及基波电流，以适应在补偿一定量的无功功率时能满足有源滤波器的容量和电压等级要求。由于要降低APF承受的基波电压及其流过的基波电流，APF比PF的基波阻抗要小得多，即PF的基波阻抗较大，滤波器支路不可能产生较大的无功电流，所以该方式不适合进行较大容量的无功补偿。另外，这种方案的结构较为复杂，需针对特征谐波选取LC网络的调谐频率，不适于非特征谐波源补偿。该方式的谐波阻尼K不能太大，否则会引起系统不稳定。图2-7 APF和PF串联后再并联接入电网2.2.5 并联型APF串联型APF1994年，Akagi H.等提出一种将串联型APF和并联型APF进行混合的HAPF（如图2-8），这种方案结合了两种APF的优点，其中串联型APF将电源和负载隔离，阻止电源谐波电压串入负载端和负载谐波电流流入电网。并联型APF提供一个零阻抗的谐波支路，把负载中的谐波电流吸收掉。但是这种HAPF只能补偿一定量的无功，当负载变化时无法提供足够的无功。另外，当有不平衡负荷向共同耦合节点处注入不平衡电流时，不能修正线路的不平衡电流，因此不能减少三相四线电网中中性线的功率损失，且初期造价是比较高的。图2-8 并联型APF串联型APF的HAPF2.2.6 多重化逆变器PWM逆变器图2-9所示的HAPF系统由一个多重化逆变器和一个PWM逆变器组成。PWM逆变器仅用于补偿负荷中的谐波电流和多重化逆变器产生的谐波电流，PWM逆变器所承受的电压也较小。这样，可显著降低PWM逆变器的容量，并减小开关损耗。但是，这种补偿方式一般需采用3个单相的PWM逆变器和1个多重化逆变器，增加了装置的复杂性和造价。图2-9 多重化逆变器PWM逆变器的HAPF2.2.7 低频高频PWM逆变器在谐波和无功功率都要进行动态补偿的应用场合，可将高频器件与低频器件构成的装置结合起来（如图2-10），以充分发挥不同器件所构成的装置的特点。较低频率的器件如GTO等，器件容量大，用其构成的逆变器较容易实现大容量的无功功率补偿，动态性能好，且低的开关频率可使损耗降低。而由高频器件（如IGBT等）构成的逆变器仅用于补偿负载中的谐波电流，补偿后系统电流仅为基波有功电流。这种混合方式成本高，实际应用较少。图2-10 低频高频PWM逆变器的HAPF2.2.8 注入型APF低频PWM逆变器该方式与上一种方式不同的是，高频逆变器通过一个基波并联谐振LC网络并联接入电网，形成一个注入型APF，这样高频逆变器不承受基波电压，容量可以减小。图2-11 注入型APF低频PWM逆变器的HAPF第3章 注入式混合型有源电力滤波器及其稳态补偿特性本章重点阐述注入式混合型有源电力滤波器的系统构成、工作原理和稳态补偿特性。兼具无源滤波器成本低廉和有源滤波器性能优良的混合型有源电力滤波器是未来电力系统滤波装置的发展方向。注入式混合型有源电力滤波器由单独注入式有源电力滤波器和LC无源支路构成，下面将详细介绍这种有源滤波器拓扑的构成，并利用MATLAB软件对其稳态补偿特性进行详细分析。3.1 注入式混合型有源电力滤波器（IHAPF）的系统构成图3-1 IHAPF系统原理图注入式混合补偿系统以电压型逆变器（IHAPF）作为其有源部分，以多组单调谐滤波器组成的无源滤波器作为其无源部分。考虑到谐波源为12脉波整流装置，其特征谐波为11次和13次，因此两条无源支路分别用来抑制11次和13次谐波电流。3.2 IHAPF稳态补偿特性分析3.2.1 IHAPF抑制谐波的原理IHAPF有源部分通过耦合变压器与基波串联谐振电路并联构成串联谐振注入式混合有源滤波器。整个补偿装置与电网并联。注入支路由电容、电感和电容构成，其中电容和电感构成在基波频率谐振电路，而整体作为一条无源滤波支路。其中，电压型逆变器为基于自关断器件的脉宽调制PWM逆变器，直流端为一大电容，VSI的输出端接有输出滤波器，以此来滤除开关器件通断造成的高频毛刺。图中、分别为电网电流、负载电流和滤波电流，为逆变器的输出电流，为流入基波串联谐振电路的电流。该装置的运行特点是：只由无源部分补偿无功功率，有源部分和无源部分共同抑制谐波，满足整流电源无功补偿和谐波治理要求。整个补偿装置的单相等效电路如图2所示。谐波负载被看作一个谐波电流源，为系统电源电压，有源部分被控制为一个理想的受控电流源。电路中其它各电量的定义和方向如图3-2所示，其中、分别为电网支路、负载支路、并联无源支路、有源支路、基波串联谐振电路、注入支路的电流，、分别为电网阻抗、无源部分阻抗、有源输出支路阻抗、基波串联谐振电路阻抗。图3-2 单相等效电路当只考虑负载谐波电流源作用时的单相等效电路如图3-3所示。有源部分控制为一个受控电流源：，