并联混合型有源电力滤波器研究

     摘要: 对并联混合型有源电力滤波器(APF) 的补偿特性进行了研究，针对单一检测网侧或负载侧谐波电流控制方法的缺点，提出了一种改进型的并联混合型有源电力滤波结构，采用复合式控制方法，能够较好地解决APF 容量受限问题。利用仿真验证了其正确性。

　　0 引言

　　随着电力电子装置的大量使用，电力系统的谐波和不对称问题日益严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生。因此，需要对电网谐波采取有效的抑制措施。目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器( Active PowerFilter，APF)。APF 是一种可以动态地抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，对大小和频率都变化的谐波和无功进行补偿，其应用可克服LC 滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点。

　　APF 系统的原理如图1 所示。ua是电压us中的a 相电压，负载为谐波源，产生谐波并消耗无功，Udc为APF 直流侧电容的电压，iL、is分别为负载侧、网侧的a 相待检测电流，ic为有源滤波器a相的补偿电流。

　　APF 检测补偿对象的电压和电流，计算出补放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波电流抵消，终得到期望的电源电流。

图1 并联型有源电力滤波器原理图

　　1 改进型APF

　　单独使用的APF 由于容量小等原因，通常只应用在小容量非线性负载的场合，若在大容量场合应用则不太可行。

　　混合型APF 可以较好地解决单独使用APF存在的问题。在抑制谐波和补偿无功功率时，无源滤波器起主要作用，而有源滤波器主要是改善无源滤波器的滤波特性，克服无源滤波器易受电网阻抗的影响等缺点。因此，有源滤波器可用相对低的容量应用于较大的大容量场合，相当于降低了有源滤波器的容量，提高了系统的性价比。

　　并联混合型APF 如图2 所示，其具有一系列的优点，其中，有源滤波器的容量约占补偿对象容量的2% ～ 5%。这与单独使用的并联型有源滤波器相比，大量减少了它的容量。但这种并联混合型APF 中通常需要一个高带宽的PWM 变流器作为有源滤波器的主电路，由此决定了现有的混合型滤波器系统只适用于补偿中等功率以下的负载，一般为500 ～ 10 MW。对于功率大于10 MW的非线性负载，制作与其相对应的高宽带、大容量有源滤波器是困难的。因此，并联混合型APF 不能用于抑制大功率非线性负载所产生的谐波。

图2 并联混合型APF 系统。

　　考虑到在实际应用中，大功率非线性负载在要求滤除谐波的同时，也要求混合型滤波系统具有无功补偿能力。但是在传统的并联混合型有源电力滤波系统中，大量的基波无功电流流入并联混合滤波系统的有源部分，使有源滤波器的容量也相应较大。为进一步减少有源滤波器的容量，使并联混合APF 系统能够应用于大功率场合，采用了一种改进型的并联混合型APF 结构，如图3 所示。

　图3 改进的混合型APF 系统。

　　图3 中APF 被控制为一个谐波电流源，La为阻抗值很小的附加电感。该改进型的并联混合型APF 与传统的并联混合型APF 相比，主要区别在于APF 被看作一个受控电流源。因此，基波无功电流被强迫流入附加电感La，APF 中只流过谐波电流。由于无源滤波器的存在，APF 不承受谐波电压，又由于La与无源滤波器相比基波阻抗很小，因此，APF 承受的电压也很低，从而APF 的容量也可做得很小。以上分析可知，改进型的并联混合型APF 可应用于较大容量的场合。另外，当APF 过电流或故障时，该系统可借助于快速熔断器，迅速脱离整个滤波系统，与此同时，无源滤波器和附加电感La组成的滤波系统还可正常工作，不至于对电网造成较大的冲击。这点在工程应用上非常重要，因此，这种改进型的并联混合型APF具有很强的实用性。

　　2 改进型APF 特性分析

　　改进型混合APF 原理如图4 所示。下面对该结构的滤波电路抑制系统谐振及滤波效果进行分析。

图4 改进型混合有源电力滤波器原理图。

　　新型电路在采用复合控制方式下的单相等效电路图如图5 所示。同时检测电源电流和负载电流。假设APF 为一个理想的受控电流源。

　　若只考虑对iLh的补偿特性时，可得：

　　若只考虑对esh的补偿特性:

　　综合上述两种情况

　图5 复合控制的等效电路图。

　　对改进型混合滤波器的谐波频率下的等效电路如图6 所示，进行戴维南等效变换，如图7 所示。若将改进型混合滤波器等效电路中的纯调谐无源滤波器和附加电感La串联等效谐波阻抗，作为传统混合滤波器中的无源滤波器的谐波阻抗，则改进型并联混合APF 的戴维南谐波等效电路图7 与传统型并联混合APF 等效电路是相同的，如图8 所示。

图6 改进型谐波等效电路。

图7 改进型戴维南谐波等效电路。

图8 传统等效电路。

　　由戴维南等效电路知，检测谐波的方法与传统的电路一样，复合控制方式同样适用于该改进型并联混合电力滤波器。

　　3 复合电流控制方法的仿真

　　复合控制是同时检测负载谐波电流和电网谐波电流的一种控制方式。在这种控制方式中，指令电流信号主要来自负载电流，在它的作用下，可对负载中的谐波电流进行较好的补偿。而检测到的电网谐波电流的作用主要是抑制无源滤波器和电网阻抗之间的谐振。电源电流闭环不承担补偿谐波电流的主要任务，因此，放大倍数Ks不需要很大，这样可使系统有较好的稳定性。利用Matlab 6. 5 对此进行仿真研究，系统框图如图9所示。

图9 系统框图。

　　采用单相桥式整流器模拟非线性负荷，输入电压760 V。图9 中设置了一个3 次和一个5 次无源滤波器，网侧电感为0. 1 mH。具体参数如下:负载电阻R = 0. 2 Ω，负载电感L = 4 mH，负载容量10 MW，3 次滤波器L3 = 1. 20 mH，C3 =1 146 μF，5 次滤波器: L5 = 1. 86 mH，C5 =240 μF。

　　APF 未投入电网时的网侧电流波形和网侧电流频谱如图10 所示，改进型有源电力滤波器在复合电流控制下的网侧电流波形和网侧电流频谱如图1 1 所示，从图1 0 ～ 1 1 的结果进行对比，可知，只需较小的Ks和与检测负载电流控制方式相同的KL，便可获得满意的滤波效果，并有效的抑制电网发生谐振。

图10 无源滤波器未投入时的电网电流。

图11 复合电流的控制方法的补偿效果。

　　4 结语

　　本文对并联混合型APF 的补偿特性进行了研究，由于传统APF 不能应用与大功率的场合，为减小有源滤波器的容量，本文采用了一种改进型的并联混合型APF，即引入附加电感La，这使有源滤波器能适用于大容量的电力系统。

　　针对单一检测网侧或负载侧谐波电流控制方式的缺点，本文采用了一种新的复合控制方式，在其作用下可获得良好的谐波抑制效果，同时又能抑制无源滤波器和电网之间可能发生的谐振。利用仿真验证了其正确性。