Proceedings of the CSEE Vol.26 No.2 Jan. 2006
©2006 Chin.Soc.for Elec.Eng.
文章编号：0258-8013 (2006) 02-0106-06 中图分类号：TM711 文献标识码：A 学科分类号：470⋅40
并联混合型有源电力滤波器的系统
参数设计及应用研究
范瑞祥，罗 安，李欣然
（湖南大学电气与信息工程学院，湖南省 长沙市 410082）
Parameter Design and Application Research of Shunt Hybrid Active Power Filter
FAN Rui-xiang, LUO An, LI Xin-ran
(College of Electrical Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, Hunan Province, China)
ABSTRACT: According to the requirement of harmonic elimination and reactive power compensation, the paper presents a parameter design method of a novel high capacity shunt hybrid active power filter. The method focuses on the minimum of the cost and the optimization of harmonic elimination. Some application notices are also given here. A high capacity shunt hybrid active power filter designed by this method has been applied in a smelt factory. The detecting result shows the filter system meets the requirement of the design and the harmonic suppression effect is obvious. For China has few experience of HAPF applications till now, the method given here can help to design a filter system for High capacity applications.
KEY WORDS: Power electronics; Shunt hybrid; Single tuned filter; Output filter; Coupling transformer
摘要：根据大容量谐波抑制兼无功功率补偿的要求，从达到滤波效果和经济成本最小两个方面考虑，该文提出了一种并联混合型注入式有源电力滤波器（Hybrid Active Power Filter, HAPF）结构，并对该新型有源电力滤波器有源和无源部分的参数设计进行了研究，形成了一套混合型大容量有源滤波器的参数设计方法。以该方法设计的HAPF在某冶炼厂谐波治理工程中得以应用，体现出较好的滤波效果和优良的性价比，具有良好的工程推广应用前景。由于目前国内有源滤波器的工程应用实例极少，因此该套设计方法对其它HAPF的研究与应用还可起到一定的指导和借鉴作用。
关键词： 电力电子；并联混合型；单调谐滤波器；输出滤波器；耦合变压器
基金项目：国家自然科学基金(60474041)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (60474041).
1 引言
随着电力电子器件在工业中的广泛应用，电网的谐波污染问题日趋严重。谐波不仅影响电气设备的正常工作，还给电网的安全经济运行带来隐患[1-2]。目前，消除谐波的方法主要有无源滤波器(Passive Power Filter, PPF)、有源滤波器[3] (Active Power Filter, APF)和混合型滤波器[4-7] (Hybrid Active Power Filter, HAPF)。PPF的滤波特性由电网阻抗与滤波支路阻抗的比值决定，并受电网系统参数的影响很大。APF虽能克服PPF存在的缺陷，但受其开关器件容量和成本等方面的限制，无法独立挂载在大功率高压电网运行。而HAPF兼顾了两者的长处，初期投资小，性价比高，能满足高压大容量系统实用化的要求，是目前工程应用中主要采用的形式[8-10]。文章以高压大容量系统谐波治理为目的，提出了一种基于并联混合型注入式结构的有源电力滤波器的设计方法，经实际工程应用表明，该方法设计的HAPF参数合理，滤波效果满足设计要求。由于目前国内有源滤波器的工程应用实例极少，因此该套设计方法对其它HAPF的工程应用可起到一定的指导和借鉴作用。
2 整体结构设计
APF在工程应用中，首先需要考虑的是成本和技术上的可行性，根据某冶炼厂谐波治理工程大容量、高电压、低成本和兼顾无功补偿的要求，设计一种新型的并联混合型注入式有源滤波器，其拓扑结构如图1所示。
PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn
第2期 范瑞祥等： 并联混合型有源电力滤波器的系统参数设计及应用研究
电网
谐波源
107
~ ~ ~ Lo
电压型逆变器 Co
耦合变压器 Cc C1 L1
输出滤波器
基波串联谐振电路 无源滤波器组
图1 并联混合型注入式有源滤波器结构图 Fig.1 Shunt hybrid active power filter configuration
这种结构以电压型逆变器作为主要的有源部分，采用基于IGBT模块的脉宽调制PWM逆变器，直流端为一大电容，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。有源部分通过耦合变压器经基波串联谐振注入型电路后，与以多组单调谐滤波器组成的无源滤波器PPF一起并联接入电网。注入支路由C1、L1和CC构成。其中C1和L1构成在基波频率谐振的电路，而整体作为一条无源滤波支路。由于L1C1网络在基波频率处发生串联谐振，阻抗很小，逆变器只承受很小的基波电压，因此装置有效地克服了有源滤波器的容量限制，而对于高于基波频率的谐波分量，L1C1网络阻抗较大，有源部分产生的谐波电流绝大部分将流入主电路，不会对有源部分的谐波输出产生严重影响。
从图1可以看出，该HAPF是将串联谐振注入型APF进一步与PPF并联混合而成，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，这使得其兼具较大容量的无功补偿和谐波抑制能力以及较小的逆变器容量的特点。与其它结构的HAPF相比较，该HAPF中并联的PPF可以补偿较大容量的无功功率和滤除掉特定次数的谐波电流，谐振注入电路部分的电容也能进行较大容量的无功补偿。与此同时，基波无功电流和谐波电流都只有极少部分流入耦合变压器和逆变器，因此不会由于进行无功补偿而导致其有源部分容量的增大，而PPF滤除掉的部分特征谐波电流也不会流入有源部分，这使得有源逆变器的容量进一步减少，从而使逆变器主电路避免采用多重化的主电路结构或开关器件的串并联，大大减少了实际应用中的工程造价，有效提高了性价比。
器、输出滤波器、电压型逆变器和直流电容6部分组成。其中电压型逆变器采用了智能功率模块（IPM），其缓冲电路和IPM接口电路的设计参考文献[4]。
3.2 无源部分的设计
3.2.1单调谐滤波器的设计
主要针对谐波治理对象的谐波含量特点，设置专门的单调谐无源滤波器进行滤波兼无功补偿[11-12],其中一条单调谐滤波支路还可构成谐振注入支路，给有源滤波器提供谐波电流注入通道。
单调谐滤波器由电感、电容和电阻组成，它的工作原理是利用电感和电容对某次谐波频率产生串联谐振使得滤波器的阻抗很小，从而把负载中的该次谐波电流引入滤波器。滤波器对n次谐波的阻抗为
1
Zfn=Rfn+j(nωSL−) (1)
nωSC其中，ωS为基波角频率。滤波器的谐振频率为
1fn= (2)
2πLC从式(1)、(2)可以看出，单调谐无源滤波器对基波的阻抗是呈容性的，也就是说，单调谐无源滤波器能够提供一定的无功功率。为减少因电网频率偏差原因使滤波器与系统在特征频率上出现并联谐振的几率，在确定单调谐滤波器的调谐频率时应将其设置为稍低于相应的特征频率，即应使滤波器从感性域上接近串联谐振。
在根据谐波治理对象的谐波含量特点确定单调谐无源滤波器的具体滤波次数后，电容C和电感L具体参数设计主要由以下几个方面进行考虑：
（1）LC的容量 单调谐滤波器中的电容和电抗器主要承受两种频率的激励作用，一个是电网基波频率电压，另一个是调谐频率电流。那么电容和电抗器的容量可表示为
2
In2
Qc≈U2ωsc+
nωsc (3)
22
QL≈(U2ωsc)wsL+InnωsL
3 主要结构参数设计
3.1 混合滤波器组成
结构如图1所示的混合型有源滤波器主要由无源滤波器PPF、基波串联谐振注入支路、耦合变压
式中 U2为基波相电压；In为n次谐波电流，在实际应用中应增大10%来考虑背景谐波的影响。
（2）LC的数值 采用投资费用最小的方法设计单调谐滤波器。设电容和电感的单位容量的投资为P和H，则滤波器所需的资金为
y=PQc+HQL (4)
PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn
108 中 国 电 机 工 程 学 报 第26卷
联系式(2)、(3)，显然y可表达为c的函数，为求得y，取最小值时c的值，用y对c求导并令其等于0得电容值为
c=
2(P+H)In2nωs2U2(P+H/n2) (5)
优化目标2 对有源部分发出的主要补偿谐
波而言，通过L1、C1支路的分流尽可能少。即对主要次数谐波Cc与L1、C1支路的电抗比值最小。
C2(x)=min(Zb) (10)
约束条件1 补偿足够的无功功率，即
Q1set−Q1≤0 (11)
其中 Q1set为系统要求最小固定补偿的基波无功功率。
约束条件2 装置有源部分承受的电压小于开关器件耐压的极值。
u1−u1set≤0 (12)
其中u1set为开关器件耐压的极值。
以上约束条件可以简写为G(x)≤0
其中 x=[CC,C1,L1]T为决策向量。
根据式(2)得电感值为
1
L=22 (6)
cnws
若此参数值还不能满足无功补偿容量的要求，则可考虑加装并联电容器[13]，这样不但经济合理而且对滤波效果不会产生较大影响。
（3）品质因素Q 定义品质因素为谐振频率ωn下L或C的电抗与Rfn的比值
ωL1
(7) Q=n=
RfnωnRfnC
于是，对注入支路多目标优化问题可以用以下滤波器对于调谐频率的谐波阻抗与其品质因数
的通用多目标优化模型表示： Q成正比，即Q越大，阻抗越小，其阻抗的频率响
应曲线越尖锐，频率选择性越好。但是，滤波器对Findx
T于参数的变化会越敏感，一旦失谐，其性能将会变
opt.F=[C1(x), C2(x)] (13)
化很大，而且一旦无源滤波器和电网发生串、并联s.t.G(x)≤0谐振，谐波放大的程度也越大。因此，滤波器的品
选用多目标模糊优化方法进行优化，它可将多质因素不能取得太大，也不能取得太小。在工程上，
个优化目标转换为单目标的优化求解问题，具有算可采用如下的方法确定最佳Q值
法简单，计算速度快等特点。 cose+1
(8) Q=
2tsine应用模糊集理论求解多目标优化问题，就是把
式中 e为电网系统的最大阻抗角；t为电网的最大目标函数表示为对应的隶属函数，即对目标函数频偏。 Ci(x)构造相应的隶属函数µi(x)，满足
Q值确定之后即可根据式(7)得到Rfn的大小。µi(x)∈[0,1]，并可以用µi(x)表示第i个优化目标若电感器内存在的内阻还不够大，可考虑添加外接达到最优的程度。µi(x)越趋近于1，表明目标Ci(x)电阻器。 越趋近于最优解。由于两个目标优化问题都是求极3.2.2 注入支路滤波器的设计 小值问题，最优隶属函数可以采用降半梯形分布，
如图1所示的谐振注入支路滤波器结构，要求
如图2所示。
L1和C1调谐在基波频率，利用L1和C1对基波谐振
µi(x)=[CiDmax−CiD(x)]/(CiDmax−CiDmin) (14)
的特性，使装置有源部分只承受很小的基波电压，
式中 CiDmax为第i个优化目标在约束条件规定域从而极大地减小有源部分的容量。同时L1、C1和
Cc还可组成另一条滤波支路，滤除特定次数的谐内对应的目标函数最大值；CiDmin为第i个优化目波。L1、C1和Cc参数的选择可能对装置的谐波注入标在约束条件规定域内对应的目标函数最小值；能力以及有源部分承受的电压有较大的影响，考虑CiD(x)为这个非空约束域内与x对应的第i个优化到成本因素和无功补偿的要求，在确定需要滤除的目标值。 谐波次数之后，注入支路的参数设计相当于一个典对在满足约束条件下的单目标模糊目标最小型的多目标优化问题。 集[13]构造模糊判决函数为
2优化目标1 总成本最小。即
µD(x)=∑λkµk(x) (15)
C1(x)=min(yPF) (9) k=1
PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn
第2期 范瑞祥等： 并联混合型有源电力滤波器的系统参数设计及应用研究
2
109
其中加权系数λk满足∑λk=1，于是对无源滤
k=1
波器和输出滤波器的多目标优化设计问题就转换为单目标普通规划求解。采用动态规划的方法[14]，求出单目标最优解x*，使得最优判决为
µDopt(x*)=max[µ1(x),µ2(x)] (16)
µl(x) 1.0 CLDmin CLDmax CLD (x)
图2 最优隶属函数
Fig. 2 Optimal subject function
3.3 有源部分的设计
有源部分的设计除电压型逆变器外，主要还包括逆变器直流侧电容电压和容值、输出滤波器电感和电容参数和耦合变压器变比的设计。如果这些参数的设计不当，将直接影响APF的滤波性能，严重时还将导致APF因过流、过压而不能正常工作，甚至毁坏。
（1）输出滤波器的设计
有源逆变器输出电压中除了含有所需的补偿电压外，还含有因功率器件的开断所带来的高频毛刺。如果将有源逆变器的输出电压直接加于注入支路，显然会给电网带来新的高频谐波污染，因此必须用输出滤波器将逆变器工作引起的高频毛刺滤除[14-15]。由于APF中逆变器输出电压频谱主要为低频有效谐波频率和高频开关毛刺频率，为了避免将这两种信号过度放大而导致电路元件过压、过流，一般确定输出滤波器中电感L和电容C的谐振频率fk位于中间频段，使之满足10f 忽略掉电网和负载等阻抗的影响，可以得到上述结构HAPF的单相等效电路图，如图3(a)所示。将耦合变压器原边的电感、电容、和电压按变压器原副边阻抗变换原理进行变换后，可得到进一步简化的等效电路，如图3(b)所示。其中，K为耦合变压器变比，VIn为逆变器输出电压，Lo'=K×Lo，Co'=Co/K，VIn'=K×VIn 图3(b)所示的电路在基波频率以上只有一个谐振点，其幅频特性由谐振点向两边不断地减少。所以在设计输出滤波器和耦合变压器时，应该把这个谐振点尽可能地设计在需要发出的主要特征谐波的中间，以便在需要发出的特征次谐波点取得较高的幅值系数，从而降低逆变器所需的电压等级。即： −jωnL'o=1/[jωnC'o+1/(jωnL1+ 1/jωC1)+jωnCc] (17) 其中，ω n为理想谐振点的频率。因此，根据谐波治理对象的实际情况确定L0和C0的谐振频率后，由式(17)即可获得输出滤波器的设计参数。 Lo + Vin ~ _ (a) HAPF单相等效电路图 II L′o I′Lo I22 + Vin ~ _ I00 Co C1 Cc L1 I11 ILo 1:K II I22 C1 Cc L1 I11 (b) 简化后的等效电路图 图3 HAPF单相等效电路图 Fig. 3 Single-phase equivalent circuit of HAPF （2）耦合变压器的设计 耦合变压器连接在输出滤波器和注入支路之间，不仅可用来匹配有源部分的电压和电流，而且可以起到电气隔离的作用，使得逆变器的维护和绝缘都比较容易。 如图3，有源逆变器的电压Vin和电流ILo可用下式表示： V'in=I'LoZL'0+I11ZCc Vin=(I'LoZL'0+I11ZCc)/k (18) I=I'k LoLo PDF 文件使用 \"pdfFactory Pro\" 试用版本创建 www.fineprint.com.cn 110 中 国 电 机 工 程 学 报 第26卷 所以有源逆变器的容量： S=Vin⋅ILo=(I'LoZL'0+I11ZCc)⋅I'Lo (19) 由于APF的有源部分被控制为一个谐波电流源，且流过耦合变压器的基波电流基本为0，因此流过耦合变压器副方的电流只有谐波电流，最大的时候等于无源滤波后的负载谐波电流。又上面设计各参数的原则是应确保有源逆变器发出的电流大部分都流入CC支路，于是可得I11≈I’Lo，参考式(19)可知： S≈(Z2 L'o+ZCc)⋅I11 (20) 由式(20)可见，有源逆变器的容量与耦合变压 器变比无关，只要知道无源滤波后负载谐波电流的最大值，所需的有源逆变器容量也就可以计算得到。但功率开关器件是分等级的，比如说IGBT，就分600V/20A、1200V/600A等。并不是任何电压和电流的都有，所以在有源逆变器容量为定额时，还需要通过耦合变压器按式(18)来进行匹配，使功率开关器件的容量得到充分的利用。 （3）逆变器直流侧电容的设计 有源逆变电路中的电容的作用是稳定电压，理论上电容值越大越有利于电压的稳定，但大电容成本高，体积大，不利于现场应用。工程实践中确定电容量的主要依据是限制逆变器工作在最低输出频率和额定输出电流时直流电压的低频脉动率。所需滤波电容量可按工程经验公式计算 C=IafUK (21) d式中 I为逆变器的额定输出电流方均根值；Ud为直流电压平均值；f为逆变器的最低输出频率；a为允许的直流电压频率低峰值纹波因数；K是与负载位移因数角有关的系数。 在有源电力滤波器的控制中，若需要调制的信号是指令电流信号ish*，则根据PWM调制原则有源电力滤波器的直流侧电容电压2UCD 应满足下列关系式： 2UCD=2I* shmax/η (22) 式中 i* shmax为有源逆变器指令电流信号的最大幅值；η为PWM调制的调制度。 由前面关于有源逆变器容量的分析和相关参数设计的原则，参考图3，可知在有源电力滤波器取得理想滤波效果时，应有 i*sh≈(ZL'o+ZCc)⋅I11/k (23) 将式(23)代入式(22)可得 2UCD=2(ZL'o+ZCc)⋅I11max/(k⋅η) (24) 其中，i11max为逆变器设计发出谐波分量的最大幅值。 又根据三角波调制法的定义知，0≤η<1。通常为了取得最佳的PWM调制的效果，令η=0.8。代入式(24)可得 2UCD=2.5(ZL'o+ZCc)⋅I11max/k (25) 至此，直流电容电压2UCD 就可以根据式(25)计算得到，实际应用时，考虑到逆变器死区效应的影响，直流电容电压取值应比计算值略大一点。 4 工程应用 根据某冶炼厂的具体谐波状况，结合以上的分析方法，得到如下设计参数：无源部分采用2次和7次单调谐滤波器。电容和电感值分别为36.22 mH、70µF、6.7 mH、30µF、品质因素为50。注入支路兼有4次滤波的功能，L1、C1和Cc分别为28.95 mH、350µF、25µF。输出滤波器的电容和电感值为0.5 mH、60µF。采用耦合变压器容量为100kVA，Y－Y/12连接,6kV绝缘，变比为2。逆变器开关器件IGBT的等级取为600A/1200V，选用三菱公司的智能功率模块PM600HSA120，直流电容取值为40000µF/1000V，采用三相不可控整流桥供电。 目前，采用该设计参数的混合型有源滤波装置已在冶炼厂成功投运。图4是投入混合有源滤波器前后的电网电流波形。通过图4(a)~(c)比较可以看出，所设计的混合有源电力滤波器能够有效的抑制电网谐波，使得电网谐波电流大大降低。同时，由于混合有源电力滤波器补偿了一定的无功，还可以改善变压器的无功状况。 第2期 范瑞祥等： 并联混合型有源电力滤波器的系统参数设计及应用研究 111 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容