有源電力濾波器主電路研究

1、有源電力濾波器主電路研究 【摘 要】隨著大功率開關器件的廣泛應用，電能質(zhì)量問題日益嚴重。就諧波治理中的無源及有源濾波技術進行了對比，介紹了有源濾器的分類、工作原理。提出了由組合相移spwm變流器構(gòu)造的電流源型有源濾波器和能在較低開關頻率下實現(xiàn)較高開關頻率效果的級聯(lián)型多電平變流器有源電力濾波器。 【關鍵詞】有源電力濾波器；諧波補償；級聯(lián)型多電平變流器；電流型有源電力濾波器；拓撲 1 引言 隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，大功率開關器件被大量應用到各種電源裝置中，為各種設備提供了一個高速、高效、節(jié)能的控制手段。但是，由于利用開關的通斷對電能進行變換，必然會產(chǎn)生無功電流和高次諧波，引起波形失真，對電力系

2、統(tǒng)各項設備及其用戶和通信線路產(chǎn)生日趨嚴重的有害影響。傳統(tǒng)的無源補償裝置是并聯(lián)電容器或lc濾波器，其阻抗固定，不能跟蹤負荷無功需求的變化，遠遠不能滿足電力系統(tǒng)對無功功率和諧波進行快速動態(tài)補償?shù)囊?。有源電力濾波器（簡稱apf）是一種用于動態(tài)抑制諧波和補償無功的新型電力電子裝置，它能對大小和頻率都變化的諧波和無功分量進行實時的補償，又被稱為靜止無功發(fā)生器（svg）。作為柔性交流輸電系統(tǒng)（facts）中的重要部分，apf的研究受到了各國學者的高度重視。 如何實現(xiàn)大功率有源電力濾波器已取得了不少的研究成果。對于大容量的電力電子裝置，如果簡單地采用普通電路的主電路拓撲，則對所使用的電力電子器件在容量方面

3、有比較高的要求。由于電力電子器件隨著容量的增大其所允許的開關頻率卻越來越低，而較低的開關頻率又直接影響有源電力濾波器的補償效果，所以在將有源電力濾波器用于大容量諧波補償時就面臨著器件開關頻率與容量之間的矛盾。為解決這一矛盾，國內(nèi)外學者提出了各種性能優(yōu)越的有源濾波器主電路拓撲結(jié)構(gòu)。要實現(xiàn)大容量的諧波補償或?qū)崿F(xiàn)有源補償功能的多樣性，需要apf具有較大的裝置容量。但由于受目前電力電子器件功率、價格及其串并聯(lián)技術等的限制，這勢必使裝置初始投資變大，并且大容量的有源電力補償還將帶來大的損耗、大的電磁干擾以及制約apf的動態(tài)補償特性等問題。因此，各種性能優(yōu)越的混合型補償方案的研究應運而生。本文將幾種應用比

4、較廣泛的拓撲進行歸攏比較，指出它們各自的優(yōu)缺點，并在此基礎上提出了基于載波相移技術的電流型apf和級聯(lián)型apf結(jié)構(gòu)。 2 apf的工作原理及其分類 對apf可以這樣來定義：將系統(tǒng)中所含有害電流（高次諧波電流、無功電流及零序負序電流）檢出，并產(chǎn)生與其相反的補償電流，以抵消輸電線路中有害電流的半導體變流裝置。變流裝置在檢測系統(tǒng)的控制下將直流電能轉(zhuǎn)化為有害電流所需要的能量，或者說：補償裝置所產(chǎn)生的電流波形正好與有害電流的頻率幅值完全相同，而相位正好相差180，從而達到了補償有害電流的效果。作為一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，apf能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行實時補償

5、。它的主電路一般由pwm逆變器構(gòu)成。根據(jù)逆變器直流側(cè)儲能元件的不同.可分為電壓型apf和電流型apf。電壓型apf在工作時需對直流側(cè)電容電壓控制，使直流側(cè)電壓維持不變，因而逆變器交流側(cè)輸出為pwm電壓波。而電流型apf在工作時需對直流側(cè)電感電流進行控制，使直流側(cè)電流維持不變，因而逆變器交流側(cè)輸出為pwm電流波。電壓型apf的優(yōu)點是損耗較少，效率高，是目前國內(nèi)外絕大多數(shù)apf采用的主電路結(jié)構(gòu)。雖然電壓型apf在降低開關損耗、消除載波諧波方面占有一定優(yōu)勢，但電流型apf能夠直接輸出諧波電流，不僅可以補償正常的諧波，而且可以補償分數(shù)次諧波和超高次諧波，并且不會由于主電路開關器件的直通而發(fā)生短路故障，

6、因而在可靠性和保護上占有較大的優(yōu)勢。隨著超導儲能磁體的研究，一旦超導儲能磁體實用化，必可取代大電感器，促使電流型apf的應用增多。 2.1 新型電流型apf 在許多文獻中，對電壓型的有源濾波器討論較多，主要原因是電壓型有源濾波器用電容儲存能量，其效率高于電感儲存能量。此外，電壓型變流器的交流增益較高。但是，電流型有源濾波器也有許多優(yōu)于電壓型有源濾波器的特點： 1）電流型有源濾波器直接控制電流，而電壓型有源濾波器通過控制電壓間接控制電流，對于并聯(lián)型有源濾波器場合，電流型有源濾波器有更好的電流控制能力； 2）電流型有源濾波器中，采用l-c濾波器，這種結(jié)構(gòu)能在傳輸帶寬與抑制高次諧波之間做出較好的折中

7、，在同樣的開關頻率和輸出相同的諧波能量時，電流型有源濾波器濾除開關諧波的效率高于電壓型有源濾波器； 3）電流型有源濾波器保護更容易，工作穩(wěn)定性更高。 載波相移spwm技術的本質(zhì)是自然采樣spwm技術和多重化技術的有機組合，該技術可以在較低的器件開關頻率下取得與較高開關頻率等效的結(jié)果。不但使spwm技術應用于特大功率場合成為可能，而且在提高裝置容量的同時，有效地減小了輸出諧波，提高了整個裝置的信號傳輸帶寬。這就解決了大功率裝置與器件開關頻率較低的矛盾，可使gto等特大功率器件組成的變流器用于apf裝置。我們提出了一種實用于apf的基于載波相移spwm技術的電流型變流器。與spwm技術相比，采用這

8、項技術來消除相同的諧波所需的開關頻率更低。 2.2 apf基本拓撲結(jié)構(gòu) 根據(jù)apf與電力系統(tǒng)的連接方式可將其分為并聯(lián)型、串聯(lián)型及串-并聯(lián)混合型。并聯(lián)型apf，由于與系統(tǒng)并聯(lián)，可等效為一個受控電流源。并聯(lián)型apf可產(chǎn)生與負載諧波或無功電流大小相等、相位相反的補償電流，從而將電源側(cè)電流補償為正弦波。并聯(lián)型apf主要用于感性電流源型負載的諧波補償，目前技術上已相當成熟，投入運行的apf多為此方案。串聯(lián)型apf，通過變壓器串聯(lián)在電源與負載間，可等效為一受控電壓源，主要用于消除帶電容的二極管整流電路等電壓型諧波源負載對系統(tǒng)的影響，以及系統(tǒng)側(cè)電壓諧波與電壓波動對敏感負載的影響。串聯(lián)型apf中流過的是正常負

9、載電流，損耗較大，而且投切、故障后退出及各種保護也較復雜。串-并聯(lián)型apf，其兼有串、并聯(lián)型apf的功能，可解決配電系統(tǒng)發(fā)生的絕大多數(shù)電能質(zhì)量問題，具有較高性價比。 2.3 無源與有源混合型apf 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，提出了串聯(lián)有源濾波器與并聯(lián)無源濾波器共用的方案；帶串聯(lián)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(diào)節(jié)器方案。 綜合電力濾波系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)對于負載側(cè)的諧波電流源，有源濾波器被控制為一個等效諧波阻抗，它使無源和有源濾波器總的串聯(lián)諧波阻抗對

10、各次諧波都為零，從而使所有的負載諧波電流全部流入無源濾波器支路，達到提高無源濾波器濾波效果的目的，此時有源濾波器的輸出補償電壓為所有負載諧波電流流過無源濾波器時產(chǎn)生的電壓。對于電源電壓中的畸變電壓，有源濾波器被控制產(chǎn)生與其相同的諧波補償電壓，以抑制電源電壓畸變產(chǎn)生的諧波電流。由于有源濾波器不是直接對諧波電流進行消除，而是起到提高無源濾波器濾波效果的目的，它所產(chǎn)生的補償電壓中不含有基波電網(wǎng)電壓，只含有諧波電壓，故其功率容量很小，具有良好的經(jīng)濟性，適于對大容量的諧波負載進行補償，該混合電力濾波器的特點是：利用無源濾波網(wǎng)絡濾去5、7次等低次電流諧波，并進行基波無功功率的補償，使有源濾波器不直接承受電

11、網(wǎng)電壓和負載的基波電流，僅起負載電流和電網(wǎng)電壓的高次諧波隔離器的作用，因而有源濾波器的容量可以設計得較小，利用串聯(lián)的有源濾波器增加高次諧波阻抗而對基波無影響的特性，可以改善無源濾波器的濾波效果，防止與電網(wǎng)之間發(fā)生諧振；同時，也避免了并聯(lián)有源濾波器的諧波電流注入并聯(lián)的無源濾波器形成諧波短路的現(xiàn)象，提高了有源濾波器的有限容量的利用率。但是，在該種拓撲中，有源濾波器的性能很大程度上決定于電流互感器的特性。 新型混合有源濾波器拓撲，該拓撲具有以下幾個優(yōu)點： 1）采用開關頻率較低的igbt構(gòu)成的逆變器來進行無功補償； 2）由開關頻率高，耐壓較低的mosfet構(gòu)成的逆變器進行諧波電流補償； 3）igbt和

12、mosfet逆變器共享直流測電壓，簡化了控制； 4）igbt直流側(cè)所需電壓可大大降低，因為它的主要作用是維持基波電壓。因而與傳統(tǒng)的apf相比，該apf系統(tǒng)工作的電壓等級更低； 5）高頻逆變器的輸出側(cè)采用變壓器隔離，可消除大部分干擾。 2.4 級聯(lián)型大功率apf 對于大功率的電力電子裝置，在使用有源電力濾波器進行諧波抑制和無功補償時，相應地要求有源電力濾波器要具有較大的容量。如前所述，當有源電力濾波器用于大容量諧波補償時將面臨著器件開關頻率與容量之間的矛盾。目前工業(yè)現(xiàn)場中常采用多臺小容量有源電力濾波器并聯(lián)，尤其對一些具有電流源性質(zhì)的設備。這種方案的補償控制原理， apf是并聯(lián)型有源電力濾波器；k

13、是投切開關。每個apf有各自的主電路和控制電路，各apf的控制和補償由其自身來完成。其優(yōu)點在于每個有源電力濾波器具有相對的獨立性，當其中某一個apf出現(xiàn)問題時，并不影響其它apf的工作。其不足之處主要在于各有源電力濾波器輸出的補償電流之間缺乏協(xié)調(diào)控制，波形沒有進一步改善，且控制電路的數(shù)量相對較多。近年來，為抑制大功率電力電子裝置諧波源所產(chǎn)生的諧波，已研究出多種多重化的主電路拓撲，比較有代表意義的是級聯(lián)型多電平變流器。這種變流器相對于二極管鉗位型多電平變流器、電容鉗位型多電平變流器，有以下優(yōu)勢： 1）開關器件和電容承受的負荷相同，器件開關頻率相同； 2）所用器件較少，為了獲得同樣的電平數(shù)在三者中

14、使用的器件數(shù)最少； 3）輸出諧波低； 4）各模塊結(jié)構(gòu)相同，可以實現(xiàn)模塊化設計和組裝，無須額外設置鉗位二極管或平衡電容，易于多重組合、安裝、調(diào)試； 5）這種結(jié)構(gòu)可以利用軟開關技術，能夠減小緩沖電路的尺寸甚至可以采用無緩沖電路。 基于這種變流器，我們提出一種由級聯(lián)型變流器構(gòu)成的并聯(lián)型apf。這種有源電力濾波器的特點是： 1）各單相全橋模塊的器件在基頻下開通關斷，所以電磁干擾和開關損耗小，效率高，而等效開關頻率高且不需要通過變壓器級聯(lián)； 2）解決了大功率裝置容量與器件開關頻率低的矛盾； 3）為了獲得同樣的電平數(shù)在多電平變流器中使用的器件數(shù)最少； 4）由于每個模塊采用相同的電路結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)模塊化設計和組裝，無須額外設置嵌位二極管或平衡電容，且開關管工作狀態(tài)和負荷一致； 5）基于低壓小容量變換器級聯(lián)的組成方式，技術成熟，易于模塊化，直流側(cè)容易實現(xiàn)電壓均衡； 6）可采用軟開關技術，以避免笨重、耗能的阻容吸收電路。 因此，由級聯(lián)型變流器構(gòu)成的并聯(lián)型apf比較適合于中、低壓電網(wǎng)的無功補償和諧波抑制。 3 結(jié)語 隨著我國電能質(zhì)量治理工作的深入開展，基于瞬時無功功率理論的有源濾波器進行諧波治理將會有巨大的市場潛力。綜合動態(tài)的諧波治理措施并同時考慮電網(wǎng)的無功功率補償問題，是電力企業(yè)當前面臨的一大課題。但是要消除諧波污染，除在電力系統(tǒng)中大力發(fā)展高效的濾波措施外，還必須依靠全社會的努力