有源電力濾波器抑制諧波的機理分析

1、有源電力濾波器抑制諧波的機理分析李承,鄒云屏(華中科技大學電氣與電子工程學院,湖北省武漢市430074摘要:研究了中低壓電網(wǎng)中由非線性負載產(chǎn)生諧波的機理,提出所有由非線性負載直接引起的諧波是電流諧波,因而治理非線性負載引起的諧波應首先考慮治理諧波電流。同時,從補償和濾波兩種思想出發(fā),指出并聯(lián)型諧波補償有源電力濾波器(APF 的補償作用和串聯(lián)型基波補償APF 的濾波作用可適用于非線性負載諧波電流的抑制。仿真結(jié)果驗證了理論分析的正確性。關鍵詞:有源電力濾波器;非線性負載;諧波特性;補償與濾波特性中圖分類號:TM761;TN713.8收稿日期:2003202211;修回日期:2003203205。0

2、引言電力系統(tǒng)中的諧波已越來越受到人們的關注,而治理諧波的手段與方法也在不斷地更新和發(fā)展。許多文獻從不同的角度對電力諧波的產(chǎn)生和諧波的治理進行了詳細討論。特別是對于有源電力濾波器(APF active power filter 的研究14,已成為一個新興的、跨學科綜合性研究領域。根據(jù)APF 接入電力系統(tǒng)方式的不同,可分為并聯(lián)型 APF 和串聯(lián)型APF 。要真正用好APF ,不僅應對電力系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的機理有充分的認識,還應對APF 的特性及作用有清楚的了解。只有這樣才能使APF 更有效、更可靠地在系統(tǒng)中發(fā)揮應有的作用。為此,本文研究了由非線性負載產(chǎn)生的諧波和APF 補償主回路的特性,指出非線性負

3、載產(chǎn)生諧波的直接形式為電流諧波,它可以轉(zhuǎn)換為電壓諧波。在此基礎上,提出了針對非線性負載產(chǎn)生的諧波電流應采用的并聯(lián)或串聯(lián)濾波方法。1非線性負載產(chǎn)生的諧波及其形式的變化電網(wǎng)中諧波有2種表現(xiàn)形式,即諧波電流和諧波電壓。雖然這2種形式諧波產(chǎn)生的途徑不同,但在電路中可以相互轉(zhuǎn)換。對于中低壓電網(wǎng)(如城域網(wǎng)來說,諧波主要來源于電力用戶的非線性負載,對于這種諧波源,應該從根本上治理5。因為由非線性負載產(chǎn)生的諧波首先是以電流形式出現(xiàn)的,由電路理論可知,電源向負載供電可以用圖1所示的電路等效。圖1供電等效電路Fig.1Equivalent circuit of pow er supply由圖1可知,當負載未向電源

4、索取電流時(如負載開路,電路中沒有電流,當然也沒有諧波電流,此時電源端電壓u =u s ,是單一頻率正弦電壓;當負載向電源索取電流時,或者說,當電源電壓加在負載上時,電路中才有電流。如果負載為非線性負載,則電流中也就包含了諧波電流。因此,非線性負載接入電路,要向電源索取電流,其中包含諧波電流。換句話說,由非線性負載直接產(chǎn)生的諧波形式是諧波電流,或者說非線性負載作為諧波源應視為諧波電流源。當然,電路中的諧波電流與諧波電壓是可以轉(zhuǎn)化的。當諧波電流流經(jīng)電源內(nèi)部等效阻抗Z s 時,在阻抗Z s 上產(chǎn)生諧波電壓u z ,此時電源端電壓u =u s +u z 。顯然,u 中包含了諧波電壓,即電路中的諧波電

5、流轉(zhuǎn)換成了諧波電壓。如果此時電源向其他負載供電,這種電源中含有的諧波電壓又會在其他負載中形成諧波電流,即電源中的諧波電壓又會轉(zhuǎn)換為諧波電流。由以上分析可知,要治理由非線性負載產(chǎn)生的諧波,從根本上來說,應該從治理諧波電流入手。治理了非線性負載產(chǎn)生的諧波電流,也就間接地抑制了由諧波電流產(chǎn)生的電源端諧波電壓。13第27卷第20期2003年10月25日電力系統(tǒng)自動化Autormation of Electric Power Systems Vol.27No.20Oct.25,20032APF 的補償與濾波特性采用APF 補償電力諧波,已有許多文獻611討論過。但是,APF 的補償特性的深入研究并不多見

6、。特別是從濾波的本質(zhì)特性分析APF 更是為數(shù)甚少。本文從補償和濾波兩方面出發(fā),討論在抑制非線性負載產(chǎn)生的諧波時APF 表現(xiàn)出的特性和對諧波的補償及濾波作用。如果電源中的電流只包含基波而沒有諧波,則此時電源端電壓為u =u s -i 1Z s1(其中i 1,Z s1分別為基波電流和電源基波阻抗,顯然,u 中不含有諧波電壓。因此,針對非線性負載可以視為諧波電流源這一特點,要使其產(chǎn)生的諧波電流不對電源側(cè)造成影響,可通過治理負載產(chǎn)生的諧波電流來實現(xiàn),即只要使電源中不含有諧波電流即可。治理非線性負載產(chǎn)生的諧波電流可從以下2個方面考慮。2.1基于補償思想從補償?shù)乃枷氤霭l(fā),要使非線性負載中的諧波電流不流經(jīng)電

7、源,則應該有一個諧波電流源為非線性負載另外提供諧波電流,即電源只向負載提供基波電流,而諧波電流源承擔向負載提供諧波電流的任務。其等效電路如圖2所示。其中,i L =i s +i c ,i L 為非線性負載中的電流,i s 為電源提供的基波電流,i c 為諧波電流源提供的諧波電流。只要i s 中不含有諧波,則電源端電壓u 中就沒有諧波 。圖2諧波電流補償?shù)刃щ娐稦ig.2Equivalent circuit of parallel compensatingharmonic currents為了得到一個諧波電流源,并向非線性負載提供所需的諧波電流,可以利用APF 的補償特性,采用并聯(lián)型諧波補償AP

8、F 實現(xiàn)諧波電流。其原理如圖3所示。此時,電源中只有基波電流,沒有諧波電流,電源的端電壓(即負載電壓只包含有基波電壓,沒有諧波電壓。若電源還向其他負載供電,則不會因為電源本身包含諧波而對接到電源上的其他負載產(chǎn)生干擾。另一方面,由于串聯(lián)型諧波補償APF 不能提供補償所需的諧波電流,故不能用于非線性負載產(chǎn)生的諧波電流的補償。然而,若用串聯(lián)型諧波補償APF 補償電路中的諧波電壓,則可以使負載兩端電壓為正弦波。但電源中的電流依然包含諧波, 電源圖3并聯(lián)型諧波補償APFFig.3P arallel compensating harmonic currents APF的端電壓u 中也包含諧波,對接在電源上

9、的其他負載依然會產(chǎn)生干擾。因此,試圖用串聯(lián)型諧波補償APF 補償非線性負載所產(chǎn)生的諧波電流的方法是行不通的。這一結(jié)論應該引起充分注意。2.2基于濾波思想從濾波的思想出發(fā),要使非線性負載中的諧波電流不流經(jīng)電源,即濾去電源電路中的諧波電流,可從以下2個方面采取措施:為諧波電流提供一個通路,它對于諧波電流應呈低阻抗或零阻抗,對于基波電流應呈高阻抗,該通路應并聯(lián)在電源與負載之間;可以在負載與電源之間增加一個對于諧波電流呈高阻抗,而對基波電流呈低阻抗或零阻抗的支路,該支路應串聯(lián)在負載與電源之間。復合濾波器的等效電路如圖4所示。圖中,Z h對諧波電流呈高阻抗,對基波電流呈低阻抗或零阻抗;Z b 對基波電流

10、呈高阻抗,對諧波電流呈低阻抗或零阻抗。此時,諧波電流不流經(jīng)Z h 和電源,基波電流不流經(jīng)Z b 。由等效電路可知,此時電源中沒有諧波電流,電源兩端也沒有諧波電壓;負載中有諧波電流,但負載兩端沒有諧波電壓 。圖4復合濾波等效電路Fig.4Equivalent circuit of combining f iltersZ h 和Z b 可以分別用有源電力濾波器(APF 和無源電力濾波器(PPF 的濾波特性實現(xiàn)。其中,并聯(lián)的低(零諧波阻抗支路可采用LC 組成的PPF 實現(xiàn),也可以采用并聯(lián)型諧波補償APF 實現(xiàn)。當然,從成本和濾波器功率考慮采用LC 組成的PPF 更為合適。串聯(lián)在電源與負載之間的高諧波

11、阻抗支路,可以采用串聯(lián)型基波磁通補償APF 6實現(xiàn)。用PPF 和APF 構(gòu)成的復合濾波器原理如圖5所示。23電力系統(tǒng)自動化2003,27(20 圖5PPF,APF 復合濾波電路Fig.5Combining circuit of APF &PPF應該注意到,正是串聯(lián)型基波磁通補償APF 對于基波電流呈低阻抗,而對所有諧波電流均呈高阻抗的特性,才使它可以串聯(lián)在電源與負載之間作為濾波器使用。當然,其他具備這一特性的支路也應該可以承擔起這種濾波任務。3仿真研究 根據(jù)以上分析,分別按圖3 和圖5 電路進行仿真實驗, 仿真波形如圖6圖9所示。圖6非線性負載引起的電壓和電流畸變Fig.6Distor

12、tion of voltage &current causedby nonlinear loads圖7加并聯(lián)型諧波補償APF 補償后的波形Fig.7W aveforms with parallel APF圖8加PPF 補償后的波形Fig.8W aveforms with PPF圖9PPF,APF 復合濾波電路的波形Fig.9W aveforms with combining circuit of APF &PPF仿真電路中負載為可控橋式整流、電容濾波電路。對于圖3中的補償電流,用并聯(lián)型諧波補償APF 實現(xiàn),對于圖5中的2個濾波支路,分別用三次諧波LC 諧振支路構(gòu)成的PPF 和基

13、波磁通補償串聯(lián)型APF 電路實現(xiàn)。仿真結(jié)果與分析所得到的結(jié)論完全一致。4結(jié)論通過對非線性負載產(chǎn)生諧波形式的分析,并分別從補償和濾波兩種思想出發(fā),對非線性負載產(chǎn)生諧波采用不同的抑制策略的研究,可以得到以下幾點結(jié)論:a.非線性負載直接產(chǎn)生的諧波形式為諧波電33學術研究李承等有源電力濾波器抑制諧波的機理分析流,諧波電流流過電源等效電阻時轉(zhuǎn)變?yōu)殡娫炊说闹C波電壓。b.治理非線性負載引起的諧波應首先考慮治理諧波電流,而不是治理諧波電壓。c.治理非線性負載引起的諧波電流可以采用2種方法:采用并聯(lián)型諧波補償APF 為負載提供諧波電流,從而使電源電流和電源端電壓也保持為正弦波;采用并聯(lián)PPF 與串聯(lián)型基波磁通補

14、償APF 結(jié)合構(gòu)成復合濾波器,也可以濾去電源電流和電壓中的諧波。參考文獻1Akagi H.New Trends in Active Filters for Power Conditioning.IEEE Trans on Industry Applications ,1996,32(6:131313222王兆安,劉進軍(Wang Zhao an ,Liu Jinjun .電力電子裝置諧波抑制及無功補償技術的進展(Advances of Harmonic Suppression andReactive Power Compensation Technique for Power Electron

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