有源电力滤波器在大功率变频器供电电网中的应用

0 引言
近年来，由于变频调速和节能的需要，变频器已经广泛应用于电力、机械、工业、生活等各个领域。由于变频器中要进行大功率二极管整流、大功率IGBT逆变，结果是在输入输出电路产生电流高次谐波，干扰供电系统、负载及其它邻近电气设备。随着大功率变频器的大量使用，其产生的谐波污染问题也日益严重。
1 变频器谐波的产生机理及危害
要探讨变频器的谐波产生机理，首先要了解变频器的工作原理，从结构上，变频器有间接变频器和直接变频器之分。间接变频器将工频电流通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换成可控频率的交流。而直接变频器是将工频电流直接变换成可控频率的交流，没有中间的直流环节。直接变频器的每相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆电路。正反两组按一定周期相互切换，在负荷上就获得了交变输出的电压Uo，Uo 的幅值决定于各整流装置的整流相数和移相角。

目前应用较多的还是间接变频器。间接变频器有3 种不同的结构方式：
（1）用可控整流器变压，用逆变器变频，调压和调频分别是在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合；
（2）用不控整流器整流斩波器变压，用逆变器变频，这种变频器整流环节用斩波器，用脉宽调压；
（3）用不控整流器整流，用PWM逆变器变频，这种变频器采用可控关断的全控型器件（如IGBT等），输出波形才会非常逼近正弦波。通常变频器的主电路都选用图1 所示交-直-交形式，它包括整流AC/DC 输入和逆变DC/AC 输出两部分。
1.1 输入部分
在三相桥式整流电路中，由非线性二极管组成的三相桥式整流桥及其二极管参数的离散会引起电压主波形为正弦波，而电流波形为矩形波，波形可以按傅立叶级数分解为基波和各次谐波，通常含有5次、7 次、11 次、13 次等高次谐波。
1.2 输出部分
大部分变频器采用PWM 或SPWM 调制的交直流变频方式，线电压是正弦脉宽、幅值相等的窄矩形波，其等效后是连续的矩形波，而三相的相电压是阶梯波，因此，电压是非线性的，电流接近正
弦但也含有丰富的谐波。输出表达式为

式中：uo为变频器输出电压；
ud为变频器直流侧电压；
琢为调制度（0臆琢臆1）；
棕r 为调制信号角频率；
渍为正弦调制波的初相角；
棕r为载波信号角频率；
n 为变频器输出谐波次数。
式（1）中第一项为输出波形中的基波分量，即调制时所要求的正弦波；第二项是输出波形中的谐波分量。
变频器的电源系统和电力设备输出的高压母线相连接，在这条线路上同时还存在着电容器、发电机、变压器、电动机等负载，变频器产生的高次谐波电流将按各自的阻抗分流到电源系统和并联的负载上，对相关电气设备造成不同程度的影响。
2 谐波的治理
变频器给人们带来极大的方便、高效率和巨大的经济效益的同时，对电网注入了大量的谐波，使供电质量不断恶化。另一方面，随着以计算机为代表的大量敏感设备的普及应用，人们对公用电网的供电质量要求越来越高。目前谐波与电磁干扰、功率因数降低已并列为电力系统的三大公害。
因而消除变频器产生的高次谐波对改善供电质量和确保电力系统安全、稳定、经济运行有着非常积极的意义。
要对变频器产生的谐波电流进行补偿或抑制，通常有两种方案：
（1）装设补偿装置；
（2）对接入电网的变频器进行改造以符合相关规定。
对已有的变频器进行改造，成本较高，而采用补偿装置进行补偿则更为合理。装设谐波补偿装置的传统方法就是采用LC
调协滤波器。这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。但是，也存在明显的缺点，就是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，容易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补
偿固定频率的谐波，补偿效果也不理想。有源电力滤波器是一种用于快速动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，其应用可克服无源滤波器等传统的谐波抑制和无功功率补偿方法的缺点，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的补偿谐波装置。有源电力滤波器的系统结构如图2 所示，主要有指令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路四个部分组成。

畸变率高于62豫，5 次电流电流达到48.4A；变压器低压出线畸变也达15%，非常有必要进行谐波治理。
在上述测试的两个谐波测