并聯(lián)混合型有源電力濾波器研究

摘要: 對并聯(lián)混合型有源電力濾波器(APF) 的補償特性進行了研究，針對單一檢測網(wǎng)側(cè)或負載側(cè)諧波電流控制方法的缺點，提出了一種改進型的并聯(lián)混合型有源電力濾波結(jié)構(gòu)，采用復(fù)合式控制方法，能夠較好地解決APF 容量受限問題。利用仿真驗證了其正確性。

0 引言

隨著電力電子裝置的大量使用，電力系統(tǒng)的諧波和不對稱問題日益嚴(yán)重，由諧波引起的各種故障和事故也不斷發(fā)生。因此，需要對電網(wǎng)諧波采取有效的抑制措施。目前，諧波抑制的一個重要趨勢是采用有源電力濾波器( AcTIve PowerFilter，APF)。APF 是一種可以動態(tài)地抑制諧波和補償無功的電力電子裝置，對大小和頻率都變化的諧波和無功進行補償，其應(yīng)用可克服LC 濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法的缺點。

APF 系統(tǒng)的原理如圖1 所示。ua是電壓us中的a 相電壓，負載為諧波源，產(chǎn)生諧波并消耗無功，Udc為APF 直流側(cè)電容的電壓，iL、is分別為負載側(cè)、網(wǎng)側(cè)的a 相待檢測電流，ic為有源濾波器a相的補償電流。

APF 檢測補償對象的電壓和電流，計算出補放大，得出補償電流，補償電流與負載電流中要補償?shù)闹C波電流抵消，最終得到期望的電源電流。

圖1 并聯(lián)型有源電力濾波器原理圖

1 改進型APF

單獨使用的APF 由于容量小等原因，通常只應(yīng)用在小容量非線性負載的場合，若在大容量場合應(yīng)用則不太可行。

混合型APF 可以較好地解決單獨使用APF存在的問題。在抑制諧波和補償無功功率時，無源濾波器起主要作用，而有源濾波器主要是改善無源濾波器的濾波特性，克服無源濾波器易受電網(wǎng)阻抗的影響等缺點。因此，有源濾波器可用相對低的容量應(yīng)用于較大的大容量場合，相當(dāng)于降低了有源濾波器的容量，提高了系統(tǒng)的性價比。

并聯(lián)混合型APF 如圖2 所示，其具有一系列的優(yōu)點，其中，有源濾波器的容量約占補償對象容量的2% ～ 5%。這與單獨使用的并聯(lián)型有源濾波器相比，大量減少了它的容量。但這種并聯(lián)混合型APF 中通常需要一個高帶寬的PWM 變流器作為有源濾波器的主電路，由此決定了現(xiàn)有的混合型濾波器系統(tǒng)只適用于補償中等功率以下的負載，一般為500 ～ 10 MW。對于功率大于10 MW的非線性負載，制作與其相對應(yīng)的高寬帶、大容量有源濾波器是困難的。因此，并聯(lián)混合型APF 不能用于抑制大功率非線性負載所產(chǎn)生的諧波。

圖2 并聯(lián)混合型APF 系統(tǒng)。

考慮到在實際應(yīng)用中，大功率非線性負載在要求濾除諧波的同時，也要求混合型濾波系統(tǒng)具有無功補償能力。但是在傳統(tǒng)的并聯(lián)混合型有源電力濾波系統(tǒng)中，大量的基波無功電流流入并聯(lián)混合濾波系統(tǒng)的有源部分，使有源濾波器的容量也相應(yīng)較大。為進一步減少有源濾波器的容量，使并聯(lián)混合APF 系統(tǒng)能夠應(yīng)用于大功率場合，采用了一種改進型的并聯(lián)混合型APF 結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。

圖3 改進的混合型APF 系統(tǒng)。

圖3 中APF 被控制為一個諧波電流源，La為阻抗值很小的附加電感。該改進型的并聯(lián)混合型APF 與傳統(tǒng)的并聯(lián)混合型APF 相比，主要區(qū)別在于APF 被看作一個受控電流源。因此，基波無功電流被強迫流入附加電感La，APF 中只流過諧波電流。由于無源濾波器的存在，APF 不承受諧波電壓，又由于La與無源濾波器相比基波阻抗很小，因此，APF 承受的電壓也很低，從而APF 的容量也可做得很小。以上分析可知，改進型的并聯(lián)混合型APF 可應(yīng)用于較大容量的場合。另外，當(dāng)APF 過電流或故障時，該系統(tǒng)可借助于快速熔斷器，迅速脫離整個濾波系統(tǒng)，與此同時，無源濾波器和附加電感La組成的濾波系統(tǒng)還可正常工作，不至于對電網(wǎng)造成較大的沖擊。這點在工程應(yīng)用上非常重要，因此，這種改進型的并聯(lián)混合型APF具有很強的實用性。

2 改進型APF 特性分析

改進型混合APF 原理如圖4 所示。下面對該結(jié)構(gòu)的濾波電路抑制系統(tǒng)諧振及濾波效果進行分析。

圖4 改進型混合有源電力濾波器原理圖。

新型電路在采用復(fù)合控制方式下的單相等效電路圖如圖5 所示。同時檢測電源電流和負載電流。假設(shè)APF 為一個理想的受控電流源。

若只考慮對iLh的補償特性時，可得：

若只考慮對esh的補償特性:

綜合上述兩種情況

圖5 復(fù)合控制的等效電路圖。

對改進型混合濾波器的諧波頻率下的等效電路如圖6 所示，進行戴維南等效變換，如圖7 所示。若將改進型混合濾波器等效電路中的純調(diào)諧無源濾波器和附加電感La串聯(lián)等效諧波阻抗，作為傳統(tǒng)混合濾波器中的無源濾波器的諧波阻抗，則改進型并聯(lián)混合APF 的戴維南諧波等效電路圖7 與傳統(tǒng)型并聯(lián)混合APF 等效電路是相同的，如圖8 所示。

圖6 改進型諧波等效電路。

圖7 改進型戴維南諧波等效電路。

圖8 傳統(tǒng)等效電路。

由戴維南等效電路知，檢測諧波的方法與傳統(tǒng)的電路一樣，復(fù)合控制方式同樣適用于該改進型并聯(lián)混合電力濾波器。

3 復(fù)合電流控制方法的仿真

復(fù)合控制是同時檢測負載諧波電流和電網(wǎng)諧波電流的一種控制方式。在這種控制方式中，指令電流信號主要來自負載電流，在它的作用下，可對負載中的諧波電流進行較好的補償。而檢測到的電網(wǎng)諧波電流的作用主要是抑制無源濾波器和電網(wǎng)阻抗之間的諧振。電源電流閉環(huán)不承擔(dān)補償諧波電流的主要任務(wù)，因此，放大倍數(shù)Ks不需要很大，這樣可使系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性。利用Matlab 6.5 對此進行仿真研究，系統(tǒng)框圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)框圖。

采用單相橋式整流器模擬非線性負荷，輸入電壓760 V。圖9 中設(shè)置了一個3 次和一個5 次無源濾波器，網(wǎng)側(cè)電感為0.1 mH。具體參數(shù)如下:負載電阻R = 0.2 Ω，負載電感L = 4 mH，負載容量10 MW，3 次濾波器L3 = 1.20 mH，C3 =1 146 μF，5 次濾波器: L5 = 1.86 mH，C5 =240 μF。

APF 未投入電網(wǎng)時的網(wǎng)側(cè)電流波形和網(wǎng)側(cè)電流頻譜如圖10 所示，改進型有源電力濾波器在復(fù)合電流控制下的網(wǎng)側(cè)電流波形和網(wǎng)側(cè)電流頻譜如圖1 1 所示，從圖1 0 ～ 1 1 的結(jié)果進行對比，可知，只需較小的Ks和與檢測負載電流控制方式相同的KL，便可獲得滿意的濾波效果，并有效的抑制電網(wǎng)發(fā)生諧振。

圖10 無源濾波器未投入時的電網(wǎng)電流。

圖11 復(fù)合電流的控制方法的補償效果。

4 結(jié)語

本文對并聯(lián)混合型APF 的補償特性進行了研究，由于傳統(tǒng)APF 不能應(yīng)用與大功率的場合，為減小有源濾波器的容量，本文采用了一種改進型的并聯(lián)混合型APF，即引入附加電感La，這使有源濾波器能適用于大容量的電力系統(tǒng)。

針對單一檢測網(wǎng)側(cè)或負載側(cè)諧波電流控制方式的缺點，本文采用了一種新的復(fù)合控制方式，在其作用下可獲得良好的諧波抑制效果，同時又能抑制無源濾波器和電網(wǎng)之間可能發(fā)生的諧振。利用仿真驗證了其正確性。