有源電力濾波器主電路研究

摘要：隨著大功率開關(guān)器件的廣泛應(yīng)用，電能質(zhì)量問題日益嚴重。就諧波治理中的無源及有源濾波技術(shù)進行了對比，介紹了有源濾器的分類、工作原理。提出了由組合相移SPWM變流器構(gòu)造的電流源型有源濾波器和能在較低開關(guān)頻率下實現(xiàn)較高開關(guān)頻率效果的級聯(lián)型多電平變流器有源電力濾波器。

關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；諧波補償；級聯(lián)型多電平變流器；電流型有源電力濾波器；拓撲

1 引言

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，大功率開關(guān)器件被大量應(yīng)用到各種電源裝置中，為各種設(shè)備提供了一個高速、高效、節(jié)能的控制手段。但是，由于利用開關(guān)的通斷對電能進行變換，必然會產(chǎn)生無功電流和高次諧波，引起波形失真，對電力系統(tǒng)各項設(shè)備及其用戶和通信線路產(chǎn)生日趨嚴重的有害影響。傳統(tǒng)的無源補償裝置是并聯(lián)電容器或LC濾波器，其阻抗固定，不能跟蹤負荷無功需求的變化，遠遠不能滿足電力系統(tǒng)對無功功率和諧波進行快速動態(tài)補償?shù)囊?。有源電力濾波器（簡稱APF）是一種用于動態(tài)抑制諧波和補償無功的新型電力電子裝置，它能對大小和頻率都變化的諧波和無功分量進行實時的補償，又被稱為靜止無功發(fā)生器（SVG）。作為柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）中的重要部分，APF的研究受到了各國學者的高度重視。

如何實現(xiàn)大功率有源電力濾波器已取得了不少的研究成果。對于大容量的電力電子裝置，如果簡單地采用普通電路的主電路拓撲，則對所使用的電力電子器件在容量方面有比較高的要求。由于電力電子器件隨著容量的增大其所允許的開關(guān)頻率卻越來越低，而較低的開關(guān)頻率又直接影響有源電力濾波器的補償效果，所以在將有源電力濾波器用于大容量諧波補償時就面臨著器件開關(guān)頻率與容量之間的矛盾。為解決這一矛盾，國內(nèi)外學者提出了各種性能優(yōu)越的有源濾波器主電路拓撲結(jié)構(gòu)。要實現(xiàn)大容量的諧波補償或?qū)崿F(xiàn)有源補償功能的多樣性，需要APF具有較大的裝置容量。但由于受目前電力電子器件功率、價格及其串并聯(lián)技術(shù)等的限制，這勢必使裝置初始投資變大，并且大容量的有源電力補償還將帶來大的損耗、大的電磁干擾以及制約APF的動態(tài)補償特性等問題。因此，各種性能優(yōu)越的混合型補償方案的研究應(yīng)運而生。本文將幾種應(yīng)用比較廣泛的拓撲進行歸攏比較，指出它們各自的優(yōu)缺點，并在此基礎(chǔ)上提出了基于載波相移技術(shù)的電流型APF和級聯(lián)型APF結(jié)構(gòu)。

2 APF的工作原理及其分類

對APF可以這樣來定義：將系統(tǒng)中所含有害電流（高次諧波電流、無功電流及零序負序電流）檢出，并產(chǎn)生與其相反的補償電流，以抵消輸電線路中有害電流的半導(dǎo)體變流裝置。變流裝置在檢測系統(tǒng)的控制下將直流電能轉(zhuǎn)化為有害電流所需要的能量，或者說：補償裝置所產(chǎn)生的電流波形正好與有害電流的頻率幅值完全相同，而相位正好相差180°，從而達到了補償有害電流的效果。作為一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，APF能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行實時補償。它的主電路一般由PWM逆變器構(gòu)成。根據(jù)逆變器直流側(cè)儲能元件的不同．可分為電壓型APF和電流型APF。如圖1和圖2所示，電壓型APF直流側(cè)接有恒壓大電容；電流型APF的直流側(cè)接有恒流大電感。電壓型APF在工作時需對直流側(cè)電容電壓控制，使直流側(cè)電壓維持不變，因而逆變器交流側(cè)輸出為PWM電壓波。而電流型APF在工作時需對直流側(cè)電感電流進行控制，使直流側(cè)電流維持不變，因而逆變器交流側(cè)輸出為PWM電流波。電壓型APF的優(yōu)點是損耗較少，效率高，是目前國內(nèi)外絕大多數(shù)APF采用的主電路結(jié)構(gòu)。雖然電壓型APF在降低開關(guān)損耗、消除載波諧波方面占有一定優(yōu)勢，但電流型APF能夠直接輸出諧波電流，不僅可以補償正常的諧波，而且可以補償分數(shù)次諧波和超高次諧波，并且不會由于主電路開關(guān)器件的直通而發(fā)生短路故障，因而在可靠性和保護上占有較大的優(yōu)勢。隨著超導(dǎo)儲能磁體的研究，一旦超導(dǎo)儲能磁體實用化，必可取代大電感器，促使電流型APF的應(yīng)用增多。

圖1 電壓型APF

圖2 電流型APF

2.1 新型電流型APF

在許多文獻中，對電壓型的有源濾波器討論較多，主要原因是電壓型有源濾波器用電容儲存能量，其效率高于電感儲存能量。此外，電壓型變流器的交流增益較高。但是，電流型有源濾波器也有許多優(yōu)于電壓型有源濾波器的特點^[1],[2]：

1)電流型有源濾波器直接控制電流，而電壓型有源濾波器通過控制電壓間接控制電流，對于并聯(lián)型有源濾波器場合，電流型有源濾波器有更好的電流控制能力；

2)電流型有源濾波器中，采用L－C濾波器，這種結(jié)構(gòu)能在傳輸帶寬與抑制高次諧波之間做出較好的折中，在同樣的開關(guān)頻率和輸出相同的諧波能量時，電流型有源濾波器濾除開關(guān)諧波的效率高于電壓型有源濾波器；

3)電流型有源濾波器保護更容易，工作穩(wěn)定性更高。

載波相移SPWM技術(shù)^[3]的本質(zhì)是自然采樣SPWM技術(shù)和多重化技術(shù)的有機組合，該技術(shù)可以在較低的器件開關(guān)頻率下取得與較高開關(guān)頻率等效的結(jié)果。不但使SPWM技術(shù)應(yīng)用于特大功率場合成為可能，而且在提高裝置容量的同時，有效地減小了輸出諧波，提高了整個裝置的信號傳輸帶寬。這就解決了大功率裝置與器件開關(guān)頻率較低的矛盾，可使GTO等特大功率器件組成的變流器用于APF裝置。我們提出了一種實用于APF的基于載波相移SPWM技術(shù)的電流型變流器。與SPWM技術(shù)相比，采用這項技術(shù)來消除相同的諧波所需的開關(guān)頻率更低。

基于載波相移SPWM技術(shù)的電流型APF系統(tǒng)如圖3所示。圖中有N個電流型變流器單元。在此，電流型變流器單元指一般三相六開關(guān)電流型變流器。開關(guān)由可關(guān)斷器件（如IGBT）和二極管串聯(lián)構(gòu)成如圖3(b)所示。N個電流型變流器單元在交流側(cè)并聯(lián)組成電流型組合變流器，L、C構(gòu)成二階低通濾波器濾除開關(guān)頻率諧波，圖3(b)中電阻R為電感及線路中寄生電阻，然后直接并入電網(wǎng)。直流側(cè)采用各個變流器單元相互獨立的結(jié)構(gòu)，以便實現(xiàn)均流反饋。由于CPS－SPWM組合變流器輸入與輸出之間具有良好的線性傳輸關(guān)系^[4]，所以可以方便地引入一些優(yōu)秀的控制方法。

(a) 單模塊

(b) 多模塊

圖3 基于載波相移SPWM技術(shù)的電流型APF