有源滤波器的分类

文章摘要：有源电力滤波器的基本思想如图所示 在图中，谐波源一般是非线性负载，如整流器等，产生谐波电流 ，供电系统一般为被保护对象；有源滤波器表现为流控电流源，它的作用是产生和谐波源谐波电流大小相等方向相反的补偿电流来达到消除谐波的目的。 从不同的观点出

有源电力滤波器的基本思想如图所示
 
在图中，谐波源一般是非线性负载，如整流器等，产生谐波电流，供电系统一般为被保护对象；有源滤波器表现为流控电流源，它的作用是产生和谐波源谐波电流大小相等方向相反的补偿电流来达到消除谐波的目的。
从不同的观点出发，有源电力滤波器具有不同的分类标准。
（1）根据接入电网的方式，有源电力滤波器可以分为串联型、并联型和串-并联型三大类。每一种类型的有源电力滤波器结构不同，因其工作原理、特性各不相同。串联型有源滤波器经耦合变压器串接入电力系统，如图2所示，其可等效为一个受控电压源，主要是消除电压型谐波以及系统侧电压谐波与电压波动对敏感负载的影响。串联型有源电力滤波器应用在直流系统中时，耦合变压器的系统接入侧很容易出现直流磁饱和问题，所以只在交流系统中采用。与并联型有源电力滤波器相比，由于串联型有源电力滤波器中流过的是正常负荷电流，因此损耗较大；此外，串联型有源电力滤波器的投切、故障后的退出及各种保护也较并联型有源电力滤波器复杂。目前单独使用串联有源电力滤波器的例子较少，研究多集中在其与LC无源滤波器所构成的串联混合型有源电力滤波器上。
 
并联型有源电力滤波器与系统并联等效为一个受控电流源，如图3所示。有源滤波器向系统注入与谐波电流大小相等方向相反的电流，从而达到滤波的目的。并联型有源电力滤波器主要适用于电流源型感性负载的谐波补偿，技术上已相当成熟，工业上已投入使用的有源电力滤波器多采用此方案。
与串联型有源电力滤波器相比并联型有源电力滤波器通过耦合变压器并入系统，不会对系统运行造成影响，具有投切方便灵活以及各种保护简单的优点。但是当单独使用并联型有源电力滤波器来滤除谐波时，有源电力滤波器容量要求很大，这样会带来一系列的问题，如工程造价高、电磁干扰、结构复杂以及高的功率损耗等。
 
图4所示为串-并联新型有源电力滤波器，相关文献称之为统一电能质量调节器（UPQC）。它综合了串联型和并联型两种结构，共同组成一个完整的用户电力装置来解决电能质量的综合问题。其中，直流侧电容器或电感储能装置是串联型和并联型有源滤波器所公用的，串联有源电力滤波器起到补偿电压谐波、消除系统不平衡、调节电压波动或闪变、维持系统电压稳定性或阻尼振荡的作用。并联变流器起到补偿电流谐波不平衡、补偿负荷的无功、调节变流器直流侧电压的作用。因此这种统一电能质量调节器可以实现短时间不间断供电、蓄能、无功补偿、抑制谐波、消除电压波动及闪变、维持系统电压稳定等功能，被认为是最理想的有源滤波器的结构。这种结构即可用于三相系统，又可以用于单相系统。但是其主要缺陷在于成本较高（需要较多的开关器件）和控制复杂。
 
（2）根据接入电网的方式，有源电力滤波器还可以分为直接接入和通过无源滤波器间接接入电网两种方式。
图5所示为混合型滤波器，它是有源滤波器和无源滤波器的组合结构。这种滤波器结构目前非常普遍，因为它并联的LC无源滤波器部分消除了大量的低次谐波，因而有源滤波器部分容量可以做到很小（负荷容量的5%左右），这样大大减少了有源滤波器的体积和成本。它可以同时消除电压和电流谐波，而且成本相对来说较低，因而非常受欢迎。但是这种结构的滤波器的缺点在于只能针对特定负荷进行补偿，负荷运行状况变化较大的时候补偿性能不好。
 
（3）按有源电力滤波器中逆变器直流侧储能元件的不同，有源电力滤波器又可分为电压型有源电力滤波器（储能元件为电容）和电流型有源电力滤波器（储能元件为电感）。
电流型有源电力滤波器由一个大电感充当一个非正弦的电流源来提供非线性负荷的谐波电流。电流源型逆变器的最大缺点在于不能用于多电平场合，无法提高大容量时逆变器的性能；电压型有一个较大的电容作为直流侧的电压支撑。由于这种结构轻便、便宜，并且可以扩展为多电平结构，使其在开关频率较低的情况下取得较好的性能，与电流型有源电力滤波器相比，电压型有源电力滤波器损耗较小、效率高，因此目前国内觉大多数有源电力滤波器都采用电压型逆变器结构。根据日本电气学会的调查结果，两者在实际应用中所占的比例分别是电压型93.5%，电流型6.5%。随着超导储能技术的不断发展，今后可能会有更多电流型有源电力滤波器投入使用。
（4）根据补偿系统的相数来分类，有源滤波器可分为单相和三相两种，三相系统又分为三相三线制和三相四线制。
单相有源滤波器一般用于小功率的场合，例如商业写字楼或者学校教学楼带有电脑负荷以及小型工厂。在这些场合中电流谐波可以在公共耦合点补偿掉，因此可以将几个小功率的滤波器连接取代一个大的滤波器。这主要是由于在一个大楼中有好多的单相负荷并且中线上存在大量谐波电流会有较大的危害。这样可以根据运行条件的不同有选择地进行补偿。但另一方面，住宅性负荷并没有产生大量的集中的谐波。而且由于缺少强制的谐波约束法规，住宅用户不可能投资于单相的有源滤波器。单相有源滤波器的主要优点在于处理小功率负荷，因此变流器的开关频率可以很高，从而提高整个装置补偿谐波的性能。
对于三相装置，滤波器及主电路的选择取决于三相系统是否平衡。在相对低功率场合（100KV.A），三相系统可以采用三个单相有源滤波器或者单独的三相有源滤波器。对于平衡负荷而言，如果目标仅仅是消除电流谐波而不需要三相系统及补偿电压谐波，采用三个单相有源滤波器的结构是可行的。对于不平衡负荷电流或者不对称供电电压，主电路结构采用基于三个单相逆变器的三相有源电力滤波器是可行的。
大多数的单相负荷都是有带中线的三相系统供电的。它们给系统带来了大量的中线电流、谐波、无功以及三相不平衡。三相四线制有源滤波器的引入就是为了减少这类系统出现的问题。
（5）根据应用场合分，有源电力滤波器还可以分为应用在直流系统（主要是高压直流输电系统）的有源直流滤波器和应用在交流系统的有源滤波器。
（6）根据目的分为电力用户根据自身需要在谐波负荷附近安装的有源滤波器和电力公司在变电站或配电网安装的有源滤波器。
用户安装有源电力滤波器的目的是为了补偿谐波电流、电流不平衡以及电压闪变；电力公司安装有源电力滤波器的目的是补偿配电系统普通耦合点处的谐波电压以及抑制由线路电感（包括变压器漏感）和并联电容谐振引起的谐波加倍，从而改善电力系统的功率因数。


有源滤波与无源滤波的比较:与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性，其具体特点如下： （1）具有自适应功能，实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波及变化的无功功率进行补偿，对补偿的对象有极快的响应。 （2）可同时对谐波和无功功率进行补偿，补偿无功功

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