有源电力滤波器在谐波治理中的应用

2011-04-10福建省电力调度通信中心福建福州350001

长江大学学报(自科版) 2011年34期

(福建省电力调度通信中心，福建福州350001）

随着现代工业技术和信息产业的迅猛发展，现代电力系统对电能形态提出了新的要求，即如何以适合于用电负载的最佳电能形式向用户提供电压和电流，从而达到处理并控制功率流动的目的，即借助电力电子装置引入功率交换技术，对功率电子的流动进行通断控制，以满足用户对不同频率、电压、电流、波形及相数的要求[1]。然而，电力电子装置作为供电电源与用电设备间的非线性接口电路，其在实现功率控制和处理的同时，都不可避免的产生非正弦波形，向电力系统注入谐波电流。谐波电流是一个正弦量，频率为基波频率的整数倍，其对电力系统造成的主要危害如下：产生设备损耗，增加设备升温；恶化绝缘条件，缩短设备寿命；引起无功补偿电容器的容抗变化，甚至造成谐振；引起电动机的转矩脉动；对继电保护、计算机控制系统产生干扰和造成误动作；产生电磁干扰，影响通讯设备正常工作。鉴于上述情况，人们越来越关注电力系统中的谐波，并提出了许多治理谐波的方法。传统的抑制谐波电流的方法是采用由RLC等元件构成的无源电力滤波器，其本质是频域处理方法，即将非正弦周期电流分解成傅立叶级数，对某些谐波进行吸收以达到处理的目的，该方法有不少缺点[2-3]，如只能抑制固定频率的谐波，同时也可能造成系统谐振，因此研究者提出利用有源电力滤波器(Active Power Filter，APF）治理谐波。与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有高度的可控性与快速相应特性，并能跟踪补偿各次谐波，自动产生所需要变化的无功功率，其特性不受系统影响，具有良好的滤波效果。下面，笔者主要探讨了有源电力滤波器在治理谐波的应用，对其机理进行分析，并根据PSCAD／EMTDC仿真分析了有源电力滤波器在谐波治理中的效果。

1 APF治理谐波的机理分析

产生谐波的一个主要因素是由于非线性负载的接入[4]，要治理由非线性负载产生的谐波，从根本上说，应该从治理谐波电流入手，通过治理非线性负载产生的谐波电流，也就间接地抑制了由谐波电流产生的电源端谐波电压。

图1 等效电路

根据戴维南定理[5]，电源向负荷供电可以用图1所示的电路表示(其中为单一频率的电源，Rs为电源内部的等效电阻为电源端电压为电路中电流）。

1．1 补偿思想

从补偿的思想出发，要使非线性负载中的谐波电流不流经电源侧，则应有一个谐波电流源为非线性负载另外提供电流，即电源只向负载提供基波电流，也就是说非线性负载中的谐波电流与谐波电流源中电流相抵消，其等效电路如图2所示。为得到一个谐波电流源，并向非线性负载提供所需的的谐波电流，可以利用有源电力滤波器的补偿特性，采用并联型谐波补偿有源电力滤波器实现谐波电流，其原理如图3所示。此时电源端只有基波电压，没有谐波电压，电流只包括基波电流，不含有谐波电流，此时若电源还向其他负载供电，则不会因为电源本身包括谐波而对接到电源上的负载产生干扰。

图2 非线性负载谐波电流

图3 并联型谐波补偿APF

以上是对并联型有源电力滤波器的机理分析，对于串联型有源电力滤波器而言，由于其不能提供补偿所需的谐波电流，故不能用于非线性负载产生的谐波电流的补偿。若用串联型有源电力滤波器取补偿电源端的谐波电压，虽然非线性负载端不存在谐波电压，但电源中的谐波电流依然存在，电源侧的电压依然有谐波，因此同样会对接在电源上的其他负载产生干扰。因此，试图用串连型谐波补偿有源电力滤波器补偿非线性负载所产生的谐波电流的方法行不通，应采用并联型谐波补偿有源电力滤波器。

1．2 滤波思想

若非线性负载产生的谐波电流不流过电源，即滤去电源电路的谐波电流，可以有如下2种思路：①在电源与非线性负载间串连一阻抗，该阻抗应对谐波电流呈现高阻抗，而对基波电流呈现低阻抗或零阻抗；②在电源与非线性负载间并联一阻抗，该阻抗应对谐波电流呈现低阻抗或零阻抗，而对基波电流呈现高阻抗。

混合滤波器的等效电路图如图4所示。图中Zh对谐波电流呈现高阻抗，对基波电流呈现低阻抗或零阻抗；Zb对谐波电流呈现低阻抗或零阻抗，对基波电流呈现高阻抗。此时谐波电流不流经Zh和电源，基波电流不流经Zb。由等效电路可知，电源中没有谐波电流，电源端只有基波成分，不含有谐波成分，非线性负载上的电压只有基波成分，但流过非线性负载的电流中有谐波成分。Zb与Zh可以分别用无源滤波器与有源电力滤波器的滤波特性实现，其中Zb可以用RLC的串并联组合实现，Zh可以用APF的滤波特性实现(见图5）。

图4 混合滤波器等效电路图

图5 混合滤波器实现框图

2 基于PSCAD／EMTDC的仿真

在PSCAD／EMTDC中进行仿真，非线性负载为6脉动的整流桥，采用基于补偿思想的并联型谐波补偿有源电力滤波器进行谐波治理，其波形如图6～图8所示。

对于三相整流电路，在整流侧的交流系统存在的特征谐波为6k±1次，即5、7、11、13次等，补偿前电源侧5次谐波的占有率的测量值为1．255%，7次谐波的占有率的测量值为0．463%(见图6）；补偿后电源侧5次谐波的占有率为0．217%，7次谐波占有率为0．079%(见图7）。因此，经过APF补偿后，电源侧电流的波形得到了很大的改善，特征电流谐波占有率明显下降，从而使电源侧电流更接近于正弦波，也使得电源侧的端电压基本上只含有基波成分。需要指出的是，在补偿后虽然负荷上的电压接近正弦波，但非线性负荷的电流仍包含谐波(见图8）。