摘要: 對(duì)并聯(lián)混合型有源電力濾波器(APF) 的補(bǔ)償特性進(jìn)行了研究，針對(duì)單一檢測(cè)網(wǎng)側(cè)或負(fù)載側(cè)諧波電流控制方法的缺點(diǎn)，提出了一種改進(jìn)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(yàn)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(duì)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(duì)電網(wǎng)諧波采取有效的抑制措施。目前，諧波抑制的一個(gè)重要趨勢(shì)是采用有源電力濾波器( Active PowerFilter，APF)。APF 是一種可以動(dòng)態(tài)地抑制諧波和補(bǔ)償無功的電力電子裝置，對(duì)大小和頻率都變化的諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)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(bǔ)償方法的缺點(diǎn)。

　　APF 系統(tǒng)的原理如圖1 所示。ua是電壓us中的a 相電壓，負(fù)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(fù)載側(cè)、網(wǎng)側(cè)的a 相待檢測(cè)電流，ic為有源濾波器a相的補(bǔ)償電流。

　　APF 檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓和電流，計(jì)算出補(bǔ)放大，得出補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波電流抵消，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(jìn)型APF

　　單獨(dú)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(fù)載的場(chǎng)合，若在大容量場(chǎng)合應(yīng)用則不太可行。

　　混合型APF 可以較好地解決單獨(dú)使用APF存在的問題。在抑制諧波和補(bǔ)償無功功率時(shí)，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(diǎn)。因此，有源濾波器可用相對(duì)低的容量應(yīng)用于較大的大容量場(chǎng)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(jià)比。

　　并聯(lián)混合型APF 如圖2 所示，其具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，其中，有源濾波器的容量約占補(bǔ)償對(duì)象容量的2% ～ 5%。這與單獨(dú)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(gè)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(bǔ)償中等功率以下的負(fù)載，一般為500 ～ 10 MW。對(duì)于功率大于10 MW的非線性負(fù)載，制作與其相對(duì)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(fù)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(shí)際應(yīng)用中，大功率非線性負(fù)載在要求濾除諧波的同時(shí)，也要求混合型濾波系統(tǒng)具有無功補(bǔ)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(jìn)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(chǎng)合，采用了一種改進(jìn)型的并聯(lián)混合型APF 結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。

　圖3 改進(jìn)的混合型APF 系統(tǒng)。

　　圖3 中APF 被控制為一個(gè)諧波電流源，La為阻抗值很小的附加電感。該改進(jìn)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(gè)受控電流源。因此，基波無功電流被強(qiáng)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(jìn)型的并聯(lián)混合型APF 可應(yīng)用于較大容量的場(chǎng)合。另外，當(dāng)APF 過電流或故障時(shí)，該系統(tǒng)可借助于快速熔斷器，迅速脫離整個(gè)濾波系統(tǒng)，與此同時(shí)，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(duì)電網(wǎng)造成較大的沖擊。這點(diǎn)在工程應(yīng)用上非常重要，因此，這種改進(jìn)型的并聯(lián)混合型APF具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

　　2 改進(jìn)型APF 特性分析

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

圖4 改進(jìn)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(shí)檢測(cè)電源電流和負(fù)載電流。假設(shè)APF 為一個(gè)理想的受控電流源。

　　若只考慮對(duì)iLh的補(bǔ)償特性時(shí)，可得：

　　若只考慮對(duì)esh的補(bǔ)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(duì)改進(jìn)型混合濾波器的諧波頻率下的等效電路如圖6 所示，進(jìn)行戴維南等效變換，如圖7 所示。若將改進(jìn)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(jìn)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(jìn)型諧波等效電路。

圖7 改進(jìn)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(cè)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(jìn)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(shí)檢測(cè)負(fù)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(hào)主要來自負(fù)載電流，在它的作用下，可對(duì)負(fù)載中的諧波電流進(jìn)行較好的補(bǔ)償。而檢測(cè)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(bǔ)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(duì)此進(jìn)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(fù)荷，輸入電壓760 V。圖9 中設(shè)置了一個(gè)3 次和一個(gè)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(fù)載電阻R = 0. 2 Ω，負(fù)載電感L = 4 mH，負(fù)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(shí)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(jìn)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(jìn)行對(duì)比，可知，只需較小的Ks和與檢測(cè)負(fù)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(shí)的電網(wǎng)電流。

圖11 復(fù)合電流的控制方法的補(bǔ)償效果。

　　4 結(jié)語

　　本文對(duì)并聯(lián)混合型APF 的補(bǔ)償特性進(jìn)行了研究，由于傳統(tǒng)APF 不能應(yīng)用與大功率的場(chǎng)合，為減小有源濾波器的容量，本文采用了一種改進(jìn)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(duì)單一檢測(cè)網(wǎng)側(cè)或負(fù)載側(cè)諧波電流控制方式的缺點(diǎn)，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(shí)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(yàn)證了其正確性。