艦船用混合型有源濾波器拓撲及原理綜述

張久，陳林

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

0 引言

艦船電力系統由于使用了大量非線性電力電子裝置，產生了大量的諧波和無功，必須對其進行抑制[1]。用于進行諧波治理的混合型有源濾波器是無源（PF）和有源濾波器（APF）組合而成的，以發揮兩者的優勢。本文對混合型有源濾波器各種拓撲、濾波原理進行總結和比較，包括 3種基本的拓撲，以及改進的拓撲。

1 三種基本拓撲和原理

APF與PF結合、與網串/并聯，可能的拓撲結構有多種，但目前實用的基本拓撲有三種，并聯APF+并聯PF、并聯APF+串聯PF、APF與PF串聯后并入系統。

并聯APF+并聯PF[2]的系統結構如圖1。此種結構主要用來補償電流型非線性負載，典型例子是直流側為阻感負載的整流電路。針對特定諧波源，由PF濾除負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，向電網注入電流抵消諧波源產生的諧波電流，達到補償目的。

圖1 并聯APF+并聯PF系統結構圖及單相諧波等效電路圖

PF由特定次和高通濾波器組成，濾除負載中特定次諧波以濾除大部分諧波，再將負載和 PF看成補償對象，用容量相對較小的 APF動態補償，APF用于補償剩余諧波及改善PF的補償特性，抑制并聯諧振。

當采用負載電流檢測方式時，ic=KiL,，iL是負載電流，Zs、ZF分別為系統、PF的等效阻抗。K為APF諧波檢測、控制電路和補償電流發生器的等效增益。可得：

其中下標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載引起的諧波分量，同時合理設計 PF參數，使分母遠大于式中電壓分量，使由系統電壓引起的諧波分量趨于零。實際系統電壓的畸變不很嚴重，即USh非常小。則電源電流中的諧波成分 iSh= 0，實現了諧波補償的目的。

并聯APF+串聯PF[3]的系統結構如圖2。此種結構主要用于補償電壓型非線性負載，典型例子是電容濾波型整流電路。通過 PF的濾波作用使串聯APF的容量要求大大減小。APF以等效電壓源形式串聯在電源和諧波源之間以輸出補償電壓，抵消負載產生的諧波電壓，達到補償目的。

圖2 串聯APF+并聯PF系統結構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，補償大部分諧波。APF看作可變阻抗，它對基波的阻抗為0，對諧波卻呈現高阻抗（系數為K），迫使諧波電流流入PF而不會流入系統，即APF起到了諧波隔離器的作用，同時可抑制電網阻抗對 PF的影響以及電網與 PF可能發生的諧振，改善了PF濾波效果。

UCh=KiSh，可得：

使K ? ZF、 ZS，則 iSh≈ 0，實現了濾波目的。

APF與PF串聯后并入系統[4]的系統結構如圖3。

圖3 APF與PF串聯后并入系統結構圖及單相諧波等效電路圖

與結構1相比，APF不承受電源的基波電壓，對有源部分的容量要求較小，APF與PF之間通過耦合變壓器連接，適當減小APF中開關器件承受的電壓。UCh=KiSh，當不考慮系統諧波電壓的影響，即 USh= 0時，可得：

當K?時，則K決定了整個濾波器的特性，iSh趨近于0，實現了補償諧波目的。

2 改進的拓撲和原理

APF的容量取決于其承受的電壓和流過的電流，為了減小APF的容量，多種改進的拓撲被提出。在此，本文將給出典型的幾種改進的拓撲和原理。

2.1 注入式HAPF

在結構3中，由于變壓器的耦合作用，使所有的基波無功電流都流過APF，迫使APF所需求的容量大大增加，必然增加APF實現的技術難度和成本，限制了APF的應用。為進一步降低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濾波支路調諧在某次諧波頻率，而L1與C2調諧在基波頻率，利用L1與C2對基波諧振的特性，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，降低了有源諧波補償系統的投資，提高性價比，達到 APF實用化及諧波抑制的目的。

圖4 注入式HAPF結構圖及單相諧波等效電路圖

Uch=Kish，Zs、ZFC、ZFL、ZL分別為電網阻抗、電容 C1的阻抗、C2和L1的串聯阻抗、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iLh、Ush為定值時，如果K增大，ish將減小。當K值足夠大時，大部分負載諧波將流入PF，達到很好的濾波效果，且不考慮系統電壓畸變引起的諧波電流時，即 Ush=0，則必然有更多的諧波電流流入 PF支路，如果，則由負載產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是在結構3的基礎上改進而來的，在耦合變壓器副方并聯了一個基波串聯諧振電路FSRC[6]，使系統兼具較大容量的無功靜能力和較小的APF容量，如圖5。

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

K可取值為1。若ZR非常大時，系統可達到理想的濾波特性， iSh≈ 0，達到濾波的目的。當系統中的PF補償較大容量的無功功率時，PF的基波阻抗較小，有較大的基波無功電流流入PF。此時，由于FSRC諧振于基波頻率，其基波阻抗近似為 0，相當于基波電流的短路通道，所以流過PF的基波電流都將流入FSRC，而不會流入耦合變壓器和APF；而且，相對于PF而言，FSRC承受的基波壓降較小，大部分由 PF分擔了。開關器件的功率等級可以大大降低，從而減小投資。

圖5 諧振阻抗型HAPF結構圖及單相諧波等效電路圖

2.3 基波旁路通道串聯HAPF

帶基波旁路通道的SHAP[7]是在結構2基礎上發展而來的，在變壓器的高壓側（即APF側）增設了諧振于電網基波頻率的由L、C組成的無源支路，其目的是給電網電流中的基波成分提供一條低阻抗的通道，減輕APF的負擔，如圖6。

與結構2相比，APF的容量進一步降低，成本進一步減少；當APF發生故障時，只需斷開APF，系統仍然可以通過基波旁路通道給負載提供能量，方便了系統的保護。對APF來說，希望它不流過基波電流，只流過電網諧波電流。但是，如果對APF基波電流不進行控制，因APF為電壓源，其輸出阻抗甚低，從而電網基波電流仍將會大部分流過APF。為了阻止電網基波電流流過APF，可以讓APF對流過其自身的基波電流iCf呈現較大阻抗KCf，即 UCf=KCf·iCf。

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

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

圖6 基波旁路通道HAPF 單相基波等效電路圖

3 不同拓撲結構的性能特點比較

上述三種基本拓撲和改進拓撲有各自的優勢和缺點，現總結如下：

并聯APF+并聯PF：比較容易在已存在的PF的系統中實現；但電網與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及系統中。同時，APF容量雖然降低了，但是APF仍然承受全部基波電壓，開關器件的耐壓等級沒有降低。

串聯APF+并聯PF：對APF容量要求很小、投資較少、運行效率高，適用于大容量諧波源；但對電網中的閃變分量，用該方法不能實現隔離；當負載電流中存在 PF不能濾除的諧波時，由于APF強制這部分諧波流入PF，這將在負載入端產生諧波電壓；APF串聯在電路中，絕緣較困難，維護也不方便。

APF與PF串聯：不存在過電流危險，出現故障不會危及電網，與PF間的隔離問題易解決；但對電源的諧波電壓非常敏感。

注入式：可同時用于補償諧波、三相不對稱電流、供電電壓的波動，動態補償性能好，無須承擔基波電壓和無功電流；但開關頻率要求很高，對應的容量要求較大。

諧振阻抗型：濾波效果很好、具備一定的無功靜態補償能力、有源部分容量小；補償特性基本不受電網阻抗的影響；且FSRC和PF失諧對補償特性影響都不大；但有源部分若控制為諧波電壓源，則存在補償能力和較小容量的矛盾，控制為諧波電流源，在性能和經濟上都更加優越；對電壓源型負載，其內阻抗對補償特性影響較大。

基波旁路型：APF容量降低；當APF發生故障，基波旁路可保護系統；可利用原有的PF組，節省成本。

4 總結

三種基本拓撲是利用PF濾除大部分的諧波，利用APF來濾除剩余的諧波，改善濾波效果；改進拓撲主要是利用對基波和諧波呈現不同的阻抗，來達到減小APF承受的基波，減小APF的容量，實現APF實用化的目的。

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