[關鍵詞]：有源濾波器 、12脈波整流器
1 前言
電力電子裝置和非線性負載的普遍使用，使諧波電流和無功電流大量注入電網，嚴重威脅電網和電氣設備的安全運行與正常使用，對諧波無功進行濾波和補償已成為電力電子技術、電力系統、電氣自動化、理論電工等領域中的重要研究課題。
在大功率整流器領域，當功率等級大于200KVA時，通常采用多相整流技術，如采用12脈波、18脈波、24脈波、36脈波等整流技術，這些技術具有輸出直流電壓紋波小，輸入電流諧波含量小，輸入功率因數高的優點，因此得到了普遍應用[1]。12相脈波整流技術廣泛應用在如大功率UPS，大功率直流裝置、大功率裝置擴容、飛機電源系統、電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關電源等領域。然而12脈波整流器是由兩個6脈波整流器并聯而成，兩者之間相位差是30度，由兩組獨立的次級繞組供電，在運行過程中會引起電網各點波形的畸變，干擾其他用戶負載的正常運行，嚴重時會引起整流器性能的下降[2]，且隨著新諧波標準IEC61000—3—4的出現，對諧波的要求提高了，12脈波整流器的l1次、13次諧波較高的缺點將影響它的應用。另外，12脈沖整流器存在低負載率時效果很差;系統效率損失較大;價格較高;可靠性低;安全性差;與發電機匹配差等問題。
有源電力濾波器是一種動態抑制諧波和補償無功的電力電子裝置，它能對頻率和大小都變化的諧波和無功進行補償，可以彌補無源濾波器的缺點，獲得比無源濾波器更好的補償特性，是一種理想的補償諧波裝置。
針對以上問題，本文提出將有源濾波器應用在大功率12相脈波整流器中。
2 12脈波整流器的原理
整流器裝置功率越大，它對電網的干擾也就越大，當一個電源周期中整流輸出電壓脈波數越多，則輸出電壓中的諧波階次越高，脈波幅值越小，整流特性越好，同時整流裝置的交流電流中的諧波頻率越高，諧波電流值也越小。所以在工程實踐中人們為了消除5，7次諧波，通常采用兩套整流器通過不同相位的疊加，這就是現在廣泛使用的12脈波整流器。
圖1 12脈波整流器電路圖
如圖1是12脈波整流器電路圖，在一個基本6脈沖整流器(超前)的基礎上利用單繞組輸入/雙繞組輸出的變壓器產生滯后30度的移相電壓，再送入另一整流器(滯后整流器，如圖1 )，使得兩個整流器產生的直流電流并聯。
網側輸入端電流如下式
上式中
為角頻率，
為直流電流。由上式可知12相脈波整流技術可以消除5，7次諧波對電網的影響。
表1 國際標準IEC61000-3-4諧波標準[3]
第k次諧波 諧波含量 無濾波器 LC濾波器 12脈沖 有源濾波器
H3 21.6% - - - -
H5 10.7% 32% 2.9% 2.8% 2.5%
H7 7.2% 3.5% 1.9% 1.5% 1.5%
H9 3.8% - - 6% -
H11 3.1% 7% 3.8% 9.1% 2%
H13 2.0% 2.7% 1.9% 4.7% 0.5%
H17 1.2% 2.5% 1.7% 1% 1.1%
H19 1.1% 2.1% 1.3% 0.7% 0.9%
THDI 25% 35% 6% 10% 4%
如表1所示，Hk表示第k次諧波，%H1表示IEC61000-3-4要求的諧波含量，THDI表示總電流諧波失真度。12脈沖整流器的總電流諧波失真度(THDI)為10%，滿足該標準，但是單次諧波H11、H13均超過標準數值的兩倍以上，甚至比原6脈沖整流器的H11、H13還要大。在一些特殊場合，其結果甚至還不如6脈波整流器與LC濾波器結合的效果。
另外，采用12脈波整流器將降低系統效率的2%-3%，而普通LC濾波器僅降低1%左右。
由于上述問題，12脈沖整流器將逐漸趨于淘汰，而應用新技術的有源濾波器產品必將成為未來市場發展的趨勢。
3 APF原理及其優點
有源濾波器工作原理[4]是：用電流互感器采集網側線路上的電流，經A/D采樣，將所得的電流信號進行諧波分離算法的處理，得到諧波參考信號，作為PWM的調制信號，與三角波相比，從而得到開關信號，用此開關信號去控制IGBT單相橋，根據PWM技術的原理，將上下橋臂的開關信號反接，就可得到與線上諧波信號大小相等、方向相反的諧波電流，將線上的諧波電流抵消掉，這是前饋控制部分。再將有源濾波器接入點后的線上電流的諧波分量反饋回來，作為調節器的輸入，調整前饋控制的誤差。隨著電力電子技術的發展，有源濾波器主電路大多采用PWM變流器，功率器件采用IGBT，根據驅動指令是不同橋臂上的管子開通或關斷，從而產生與諧波大小相等方向相反的電流注入網絡，使電網電能質量得到改善。
有源濾波器具有以下優點：(1)不僅能抑制各次諧波，還可以抑制閃變，補償無功，有一機多能的特點，在性價比上較合理;(2)濾波特性不受系統阻抗的影響，可消除與系統阻抗發生諧振的危險;(3)實現調節與控制自動化，替代傳統的機械調控與操作手段。可見，有源濾波裝置具有巨大的技術與性能優勢，隨著電力電子工業的發展，器件的性價比將不斷提高，有源濾波補償裝置必然會得到越來越廣泛的使用。
但是大容量的有源濾波器造價高，功耗大，在實際應用中受到限制。要獲得較好的濾波特性，又要降低價格就要降低裝置的容量，而有源電力濾波器的容量取決于與裝置連接的交流回路電壓有效值與補償電流有效值的乘積。并聯型有源電力濾波器與諧波源負載所接的交流電壓相同，因此裝置的容量主要由補償電流決定，系統只補償諧波時，有源電力濾波器的補償電流與負載電流的諧波分量大小相等而方向相反，兩者的有效值是一樣的，這種情況下，裝置的容量取決于負載電流中諧波的大小。
4 APF與12相脈波整流器的結合
在工業現場，12脈波整流器仍然大量使用[5][6]，而且主要集中在大功率裝置場合。取代12脈波整流器是很不現實的，我們可以利用其抑制5、7次諧波的優點，同時利用有源濾波器可以提高整體補償效果等特點，將兩者結合起來。大容量的有源濾波器由于造價高、功耗大，在實際應用中受到限制。為了獲得較好的濾波特性，又盡可能降低造價，人們開始研究無源與有源混合應用的方法，提出了并聯有源濾波器與無源濾波器共用的方案;帶串聯L-C電路的有源濾波器方案;以及兩個有源濾波器與一組無源濾波器的電力線調節器等方案。 本文利用12脈波整流器可以有效抑制5、7次諧波的特點，提出在12脈波整流電路中并聯有源濾波器與無源濾波器的混合濾波器。
綜合電力濾波系統主電路結構如圖2所示。該電力濾波器的特點是：利用12相整流器濾去5、7次等低次電流諧波，使有源濾波器不直接承受電網電壓和負載的基波電流， 僅起隔離負載電流和電網電壓高次諧波的作用， 因而有源濾波器的容量可以設計得較小，而且利用無源濾波器濾掉電網中11次、13次諧波，大大減低了系統的體積和成本。并聯的有源濾波器對高次諧波產生阻抗而對基波無影響，可以改善系統的濾波效果， 防止電網之間發生諧振，同時也避免了并聯有源濾波器的諧波電流注入濾波器形成諧波短路的現象，提高了有源濾波器的有限容量的利用率。
5 結論
APF作為消除電力公害、改善供電質量的有力工具，在美國、日本等工業發達國家已經得到了日益廣泛的應用。特別在日本，APF已經達到普及應用階段。本文將APF應用于現在非常熱門的12相脈波整流器中，選擇有源濾波器與無源濾波混合主電路從而使APF更有效的應用在大功率場合，降低了諧波對電網的干擾，能獲得較好的輸出直流波形;并減少了對通訊和控制回路的干擾以及對PLC等精密電子器件的誤動作和損壞。同時由于利用了12脈波本身的優點降低了APF的容量 ，從而達到科學合理用電,抑制電網污染,提高電源質量等效果。
