電網(wǎng)有源濾波器結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

1 引言

隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和成熟，電力系統(tǒng)中的大型功率電子裝置日益增多，在提高工業(yè)自動(dòng)化水平和效益的同時(shí)，由于是各種使用傳統(tǒng)相控整流技術(shù)的大容量非線性負(fù)荷，在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的高諧波和低功率因數(shù)的運(yùn)行狀態(tài)，嚴(yán)重危害著電力系統(tǒng)的安全和電網(wǎng)供電質(zhì)量。

傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ菍㈦娏o源濾波器與需補(bǔ)償?shù)姆蔷€性負(fù)載并聯(lián),為諧波提供一個(gè)低阻通路的同時(shí)也提供負(fù)載所需的無功功率。無源濾波器(PF)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，技術(shù)成熟以及成本低等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，它的缺點(diǎn)也很明顯[1]: 1)它的補(bǔ)償特性受電網(wǎng)及負(fù)載影響較大，其濾波效果依賴于電網(wǎng)和負(fù)載的參數(shù)，濾波特性較差；2)給電網(wǎng)帶來一定隱患，可能發(fā)生電網(wǎng)與濾波器間的串、并聯(lián)諧振；3)只能補(bǔ)償固定的無功功率,對(duì)變化的無功功率不能進(jìn)行精確的補(bǔ)償，不能對(duì)諧波和無功實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；4)所需儲(chǔ)能元件的體積大。有源濾波器(APF, Active Power Filter)則有效的解決了無源濾波器的缺點(diǎn)。有源濾波器的補(bǔ)償特性受電網(wǎng)及負(fù)載影響很小，不但避免了與電網(wǎng)發(fā)生串、并聯(lián)諧振的危險(xiǎn)，同時(shí)還可抑制串并聯(lián)諧振的發(fā)生；實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可以對(duì)頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功功率進(jìn)行迅速的動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償；可以同時(shí)對(duì)諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償，且補(bǔ)償無功的大小可做到連續(xù)調(diào)節(jié)，既可對(duì)一個(gè)諧波和無功源單獨(dú)補(bǔ)償，也可對(duì)多個(gè)諧波和無功源進(jìn)行綜合補(bǔ)償；有源濾波器補(bǔ)償無功功率時(shí)不需儲(chǔ)能元件，補(bǔ)償諧波時(shí)所需儲(chǔ)能元件容量不大。

本文在介紹有源濾波器的基本原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，介紹了有源濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀及其運(yùn)用，最后展望了有源濾波器的發(fā)展前景。

2 有源濾波器的原理及其結(jié)構(gòu)

有源濾波器是由一組開關(guān)器件和無源儲(chǔ)能元件如電感和電容組成，其系統(tǒng)主要由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩大部分組成。有源濾波器結(jié)構(gòu)如圖1。設(shè)負(fù)載電流 的高次諧波含量為 。它的基本工作原理是：檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電流(或電壓)，經(jīng)過指令運(yùn)算電路得到補(bǔ)償電流的指令信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)控制器由補(bǔ)償電流發(fā)生電路獲得，補(bǔ)償電流 與負(fù)載中的諧波電流 抵消，使電網(wǎng)的電流恢復(fù)為純正弦波形；同時(shí)，有源濾波器發(fā)出基波無功電流，進(jìn)行無功補(bǔ)償。

圖1 有源濾波器的結(jié)構(gòu)

3 有源濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

根據(jù)電力有源濾波器接入電網(wǎng)的方式，可將其系統(tǒng)構(gòu)成分為三大類，即并聯(lián)型[2-4]，串聯(lián)型[5,6]和混合型。

3.1 并聯(lián)型有源濾波器

一般情況下，并聯(lián)型有源濾波器有三種使用方式，單獨(dú)使用方式、與PF混合使用方式以及注入電流方式。

3.1.1 并聯(lián)APF單獨(dú)使用方式

圖2為單獨(dú)使用方式的并聯(lián)型有源濾波系統(tǒng)的構(gòu)成拓?fù)洹Ｋ怯性礊V波器中最基本的形式，它可產(chǎn)生與負(fù)載諧波大小相等，方向相反的補(bǔ)償電流，從而將電源側(cè)電流補(bǔ)償為正弦波。并聯(lián)型有源濾波器主要用于感性電流源型負(fù)載的補(bǔ)償，它也是工業(yè)上已投入運(yùn)行最多的一種方案，但由于電源電壓直接加在逆變橋上，因此對(duì)開關(guān)元件的電壓等級(jí)要求高；負(fù)載諧波電流含量高時(shí)要求這種APF的容量必須很大，同時(shí)具備大的補(bǔ)償容量和寬的補(bǔ)償頻帶比較困難。

圖2 單獨(dú)使用的并聯(lián)APF

3.1.2 與PF混合使用方式

為克服單獨(dú)使用時(shí)面臨的缺點(diǎn)，并聯(lián)型APF常常與PF混合使用。就與PF混合使用的形式來說又可分為兩種：一種是有源電力濾波器與無源濾波器并聯(lián)；另一種是有源電力濾波器與無源濾波器串聯(lián)。圖2(a)是并聯(lián)型APF與PF并聯(lián)的結(jié)構(gòu)圖。APF與PF并聯(lián)接入電網(wǎng)，共同承擔(dān)補(bǔ)償諧波的任務(wù)。PF主要補(bǔ)償較高次的諧波，是一個(gè)高通濾波器，它一方面用于消除補(bǔ)償電流中因主電路中器件通斷而引起的諧波，另一方面它可濾除補(bǔ)償對(duì)象中次數(shù)較高的諧波，從而可降低對(duì)APF主電路中器件開關(guān)頻率的要求。圖3(b)為并聯(lián)型APF與PF串聯(lián)使用的結(jié)構(gòu)圖，該方式中，APF的用于改善PF的濾波特性，克服PF易受電網(wǎng)阻抗影響和易與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振缺點(diǎn)。而諧波和無功主要由PF補(bǔ)償，而這種方式中，APF不承受交流電源的基波電壓，因此裝置容量比較小。并聯(lián)混合型有源電力濾波器具有安裝、維護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)， 可以直接在已有的無源濾波器上進(jìn)行改造， 因此并聯(lián)混合型電力有源濾波器的使用最為廣泛。

3.1.3 注入電路方式

注入電路方式又可分為與LC串聯(lián)諧振注入電路方式和與LC并聯(lián)諧振注入電路方式兩種。這種方式可降低APF的容量，它是用電感和電容構(gòu)成注入回路，利用電感電容電路的諧振特性，使得APF只需承受很小部分的基波電壓，從而使APF 容量減小。

3.2 串聯(lián)型有源濾波器

串聯(lián)型APF的包括單獨(dú)使用方式和與無源濾波器混合使用方式兩種。串聯(lián)型APF的結(jié)構(gòu)圖如圖4。這種裝置相當(dāng)于一個(gè)電壓控制電壓源，通過對(duì)電源電壓中的諧波分量的檢測(cè)，產(chǎn)生與之相反的附加電壓信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與諧波的隔離，使電源端電壓恢復(fù)正弦波形。這種方式的特點(diǎn)是有源濾波器作為電壓源串聯(lián)在電源和基波源之間，它主要用于消除帶電容二極管整流電路等，電壓型諧波源負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的影響，以及系統(tǒng)側(cè)電壓諧波與電壓波動(dòng)對(duì)敏感負(fù)載的影響。

與并聯(lián)型APF相比，由于串聯(lián)型APF中流過的是正常負(fù)荷電流，因此損耗較大；此外，串聯(lián)型APF的投切，故障后的退出及各種保護(hù)也較并聯(lián)APF復(fù)雜。因此，目前應(yīng)用較多的是串聯(lián)型APF與PF混合使用方式。圖5為這種方式的典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該方案的特點(diǎn)是諧波基本由PF補(bǔ)償，而APF作用只是改善PF的濾波特性。

3.3 混合型有源濾波器

混合型是指串聯(lián)APF和并聯(lián)APF的混合使用。如圖6，串聯(lián)的APFI將電源與負(fù)載隔離，阻止電源諧波電壓傳入負(fù)載端，同時(shí)也阻止了負(fù)載中的諧波電流污染電網(wǎng)；并聯(lián)的APFII則提供了一個(gè)低阻抗的諧波電流支路，用于吸收負(fù)載中的諧波電流，阻止負(fù)載中的諧波電流在電源端產(chǎn)生額外的諧波電壓。

這種混合型APF結(jié)合了串聯(lián)型APF和并聯(lián)型APF的優(yōu)點(diǎn)，又稱為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC)?；旌闲虯PF結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是控制方法復(fù)雜，成本較高。

4 有源濾波器的發(fā)展趨勢(shì)

有源濾波器是改善供電質(zhì)量，凈化電網(wǎng)污染的一種有效裝置，自從七十年代提出以來，有源濾波技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，越來越多的APF投入了運(yùn)行，無論從現(xiàn)實(shí)功能還是運(yùn)行功率上都有明顯進(jìn)步。目前，APF已經(jīng)運(yùn)用在提高電能質(zhì)量，解決三相電力系統(tǒng)中終端電壓調(diào)節(jié)，電壓波動(dòng)抑制，電壓平衡改善以及諧波消除和無功補(bǔ)償?shù)葐栴}上。從近年來的研究和應(yīng)用[1-8]可以看出，有源濾波器的發(fā)展前景如下：

1)隨著新型能源的發(fā)展，有源濾波器的運(yùn)用范圍得到極大擴(kuò)展。特別是新型能源發(fā)電后并入電網(wǎng)時(shí)，有源濾波器可減少其對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生危害，如文獻(xiàn)[8]介紹了一種可運(yùn)用于太陽能發(fā)電的有源濾波器。

2)從成本和效率，以及擴(kuò)大容量來說，APF與PF混合使用的有源濾波器系統(tǒng)將得到更加廣泛得運(yùn)用。

3)有源濾波器裝置的多功能化也是其發(fā)展的一個(gè)方向。APF在消除高次諧波的同時(shí)，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，抑制閃變和補(bǔ)償無功。這樣既符合電力系統(tǒng)發(fā)展的需要，又從功能上降低了裝置得成本。

5 結(jié)束語

本文在介紹有源濾波器的工作原理的基礎(chǔ)上，分析了各種有源濾波器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，總結(jié)了有源濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀，展望了有源濾波器的發(fā)展趨勢(shì)。

隨著我國(guó)電力事業(yè)的發(fā)展，電能質(zhì)量的要求將不斷提高，利用有源濾波進(jìn)行電能質(zhì)量治理有著巨大的市場(chǎng)潛力。特別在補(bǔ)償諧波、無功功率、中線電流、不平衡電流等方面，有源濾波技術(shù)必將擁有更加廣闊的前景。