有源電力濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略概述

1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類

從不同的觀點(diǎn)出發(fā)，有源電力濾波器具有不同的分類標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 根據(jù)接入電網(wǎng)的方式分類

根據(jù)接入電網(wǎng)的方式，有源電力濾波器可以分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和串-并聯(lián)型三大類。

1.1.1 串聯(lián)型有源濾波器

串聯(lián)型有源濾波器經(jīng)耦合變壓器串接入電力系統(tǒng)，如圖1所示，其可等效為一個(gè)受控電壓源，主要是消除電壓型諧波以及系統(tǒng)側(cè)電壓諧波與電壓波動(dòng)對(duì)敏感負(fù)載的影響。串聯(lián)型有源電力濾波器應(yīng)用在直流系統(tǒng)中時(shí)，耦合變壓器的系統(tǒng)接入側(cè)很容易出現(xiàn)直流磁飽和問(wèn)題，所以只在交流系統(tǒng)中采用。與并聯(lián)型有源電力濾波器相比，由于串聯(lián)型有源電力濾波器中流過(guò)的是正常負(fù)荷電流，因此損耗較大;此外，串聯(lián)型有源電力濾波器的投切、故障后的退出及各種保護(hù)也較并聯(lián)型有源電力濾波器復(fù)雜。目前單獨(dú)使用串聯(lián)有源電力濾波器的例子較少，研究多集中在其與LC無(wú)源濾波器所構(gòu)成的串聯(lián)混合型有源電力濾波器上。

1.1.2 并聯(lián)型有源電力濾波器

并聯(lián)型有源電力濾波器與系統(tǒng)并聯(lián)等效為一個(gè)受控電流源，如圖2所示。有源濾波器向系統(tǒng)注入與諧波電流大小相等方向相反的電流，從而達(dá)到濾波的目的。并聯(lián)型有源電力濾波器主要適用于電流源型感性負(fù)載的諧波補(bǔ)償，技術(shù)上已相當(dāng)成熟，工業(yè)上已投入使用的有源電力濾波器多采用此方案。

與串聯(lián)型有源電力濾波器相比并聯(lián)型有源電力濾波器通過(guò)耦合變壓器并入系統(tǒng)，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成影響，具有投切方便靈活以及各種保護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。但是當(dāng)單獨(dú)使用并聯(lián)型有源電力濾波器來(lái)濾除諧波時(shí)，有源電力濾波器容量要求很大，這樣會(huì)帶來(lái)一系列的問(wèn)題，如工程造價(jià)高、電磁干擾、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及高的功率損耗等。

1.1.3 串-并聯(lián)型有源電力濾波器

串-并聯(lián)型有源電力濾波器如圖3所示，相關(guān)文獻(xiàn)稱之為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC)。它綜合了串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種結(jié)構(gòu)，共同組成一個(gè)完整的用戶電力裝置來(lái)解決電能質(zhì)量的綜合問(wèn)題。其中，直流側(cè)電容器或電感儲(chǔ)能裝置是串聯(lián)型和并聯(lián)型有源濾波器所公用的，串聯(lián)有源電力濾波器起到補(bǔ)償電壓諧波、消除系統(tǒng)不平衡、調(diào)節(jié)電壓波動(dòng)或閃變、維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性或阻尼振蕩的作用。并聯(lián)變流器起到補(bǔ)償電流諧波不平衡、補(bǔ)償負(fù)荷的無(wú)功、調(diào)節(jié)變流器直流側(cè)電壓的作用。因此這種統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器可以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間不間斷供電、蓄能、無(wú)功補(bǔ)償、抑制諧波、消除電壓波動(dòng)及閃變、維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定等功能，被認(rèn)為是最理想的有源濾波器的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)既可用于三相系統(tǒng)，又可以用于單相系統(tǒng)。但是其主要缺陷在于成本較高(需要較多的開(kāi)關(guān)器件)和控制復(fù)雜。

1.2 根據(jù)接入電網(wǎng)電壓等級(jí)分類

根據(jù)接入電網(wǎng)電壓等級(jí)來(lái)分類，有源電力濾波器還可以分為直接接入和通過(guò)無(wú)源濾波器間接接入電網(wǎng)兩種方式。

1.2.1 直接接入型

圖4 為直接接入型有源濾波主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它是有源濾波器和無(wú)源濾波器的組合結(jié)構(gòu)。這種濾波器結(jié)構(gòu)目前非常普遍，因?yàn)樗⒙?lián)的LC無(wú)源濾波器部分消除了大量的低次諧波，因而有源濾波器部分容量可以做到很小(負(fù)荷容量的5%左右)，這樣大大減少了有源濾波器的體積和成本。它可以同時(shí)消除電壓和電流諧波，而且成本相對(duì)較低，因而非常受歡迎。但是這種結(jié)構(gòu)的濾波器的缺點(diǎn)在于只能針對(duì)特定負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償，負(fù)荷運(yùn)行狀況變化較大的時(shí)候補(bǔ)償性能不好。

1.2.2 間接接入型

圖5為有源與無(wú)源濾波串聯(lián)使用的混合型有源濾波器，在該方式中，諧波和無(wú)功功率主要由LC 濾波器補(bǔ)償，而有源濾波器的作用是改善無(wú)源濾波器的諧波特性，克服無(wú)源濾波器易受電網(wǎng)阻抗的影響、易與電網(wǎng)發(fā)生諧振等缺點(diǎn)。在這種方式中，有源濾波器不承受交流電源的基波電壓，因此裝置容量小。該方案由于注入變壓器連接在Y 型連接的PF的中性點(diǎn)上，方便保護(hù)和隔離，因此更適合于高電壓系統(tǒng)應(yīng)用，但是該電路對(duì)電網(wǎng)中的諧波電壓非常敏感。

1.3 按有源電力濾波器中逆變器直流側(cè)儲(chǔ)能元件的分類

根據(jù)有源電力濾波器中逆變器直流側(cè)儲(chǔ)能元件的不同，有源電力濾波器又可分為電壓型有源電力濾波器(儲(chǔ)能元件為電容)和電流型有源電力濾波器(儲(chǔ)能元件為電感)。

電流型有源電力濾波器如圖6所示，它是由一個(gè)大電感充當(dāng)一個(gè)非正弦的電流源來(lái)提供非線性負(fù)荷的諧波電流。電流型逆變器的最大缺點(diǎn)在于不能用于多電平場(chǎng)合，無(wú)法提高大容量時(shí)逆變器的性能;電壓型由一個(gè)較大的電容作為直流側(cè)的電壓支撐。由于電壓型結(jié)構(gòu)輕便、便宜，并且可以擴(kuò)展為多電平結(jié)構(gòu)，使其在開(kāi)關(guān)頻率較低的情況下取得較好的性能，與電流型有源電力濾波器相比，電壓型有源電力濾波器損耗較小、效率高，因此目前國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)有源電力濾波器都采用電壓型逆變器結(jié)構(gòu)。根據(jù)日本電氣學(xué)會(huì)的調(diào)查結(jié)果，兩者在實(shí)際應(yīng)用中所占的比例分別是電壓型93.5%，電流型6.5%。隨著超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展，今后可能會(huì)有更多電流型有源電力濾波器投入使用。

1.4 根據(jù)補(bǔ)償系統(tǒng)的相數(shù)來(lái)分類

根據(jù)有源濾波器補(bǔ)償系統(tǒng)的相數(shù)來(lái)分類，有源濾波器可分為單相和三相兩種，三相系統(tǒng)又分為三相三線制和三相四線制。

單相有源濾波器一般用于小功率的場(chǎng)合，例如商業(yè)寫(xiě)字樓或者學(xué)校帶有電腦負(fù)荷的教學(xué)樓以及小型工廠。在這些場(chǎng)合中電流諧波可以在公共耦合點(diǎn)補(bǔ)償?shù)簦虼丝梢詫讉€(gè)小功率的濾波器連接取代一個(gè)大的濾波器，這主要是由于在一個(gè)大樓中有好多的單相負(fù)荷并且中線上存在大量諧波電流會(huì)有較大的危害。這樣可以根據(jù)運(yùn)行條件的不同有選擇地進(jìn)行補(bǔ)償。但另一方面，住宅性負(fù)荷并沒(méi)有產(chǎn)生大量

的集中的諧波，而且由于缺少?gòu)?qiáng)制的諧波約束法規(guī)，住宅用戶不可能投資于單相的有源濾波器。單相有源濾波器的主要優(yōu)點(diǎn)在于處理小功率負(fù)荷，因此變流器的開(kāi)關(guān)頻率可以很高，從而提高整個(gè)裝置補(bǔ)償諧波的性能。

對(duì)于三相裝置，濾波器及主電路的選擇取決于三相系統(tǒng)是否平衡。在相對(duì)比較低的功率場(chǎng)合(100 kV·A)，三相系統(tǒng)可以采用三個(gè)單相有源濾波器或者單獨(dú)的三相有源濾波器。對(duì)于平衡負(fù)荷而言，如果目標(biāo)僅僅是消除電流諧波而不需要三相系統(tǒng)及補(bǔ)償電壓諧波，采用三個(gè)單相有源濾波器的結(jié)構(gòu)是可行的。對(duì)于不平衡負(fù)荷電流或者不對(duì)稱供電電壓，主電路結(jié)構(gòu)采用基于三個(gè)單相逆變器的三相有源電力濾波器是可行的。

大多數(shù)的單相負(fù)荷都是由帶中線的三相系統(tǒng)供電的。它們給系統(tǒng)帶來(lái)了大量的中線電流、諧波、無(wú)功以及三相不平衡。三相四線制有源濾波器的引入就是為了減少這類系統(tǒng)出現(xiàn)的問(wèn)題。

2 有源濾波器構(gòu)成及工作原理

無(wú)論有源電力濾波器如何分類，它都是由幾個(gè)共同的部分構(gòu)成，即諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)、控制系統(tǒng)、主電路、保護(hù)電路以及耦合變壓器等主要部分構(gòu)成，如圖7所示。其基本工作原理為：首先通過(guò)諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)檢測(cè)出系統(tǒng)中的諧波并給出需要補(bǔ)償諧波的參考值，然后通過(guò)控制系統(tǒng)根據(jù)該參考值產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖，控制主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流或者電壓跟蹤該參考值，起到補(bǔ)償效果，有源電力濾波器通過(guò)耦合變壓器接入系統(tǒng)。

下面對(duì)有源濾波器的四個(gè)部分進(jìn)行介紹。

2.1 諧波檢測(cè)

諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)的原理框圖如圖8所示?；竟ぷ髟頌椋侯A(yù)處理環(huán)節(jié)將電壓或電流互感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臑V波與放大(實(shí)際中總存在一定的高頻噪音，因此一般都要對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定的濾波及進(jìn)行放大或縮小)，有源電力濾波器對(duì)諧波信號(hào)的時(shí)間同時(shí)性要求較高，因此一般情況下應(yīng)該對(duì)所需信號(hào)進(jìn)行同步采樣，所以需要加采樣保持電路，即在同一時(shí)刻對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。

將采樣信號(hào)保持起來(lái)，然后分別進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。

目前用于諧波檢測(cè)算法通常有兩種，一種是快速FFT分析法，另外一種方法是瞬時(shí)無(wú)功功率理論，其中大多采用瞬時(shí)無(wú)功功率理論進(jìn)行諧波檢測(cè)。

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