谐波抑制中的滤波器及其拓扑

2012-05-29郭瑞宙李卫国刘瑶

电气开关 2012年3期

郭瑞宙，李卫国，刘瑶

(华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室，北京 102206)

1 引言

随着我国现代化建设的快速发展，电力系统中的非线性负荷大量增加，使电力系统的电能质量问题正变得越来越严峻。与此同时，生产过程的自动化和智能化以及各种复杂的精密设备，对电能质量也提出了更高的要求。如何抑制电网谐波，改善电能质量成为近年来研究的热点。为了抑制电网中的谐波，人们开始利用各种滤波器对谐波进行抑制，以保证设备乃至整个电网的正常工作。有源电力滤波器是一种能够动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置。它具有响应速度快、能够实现动态连续实时补偿的特点，因此广受关注，并出现了众多的电路拓扑结构和控制方案。而无源滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，至今仍是应用广泛的被动谐波治理方法。

2 有源电力滤波器

2.1 有源电力滤波器

传统应用的谐波补偿装置是无源滤波器，但无源滤波器存在体积庞大，滤波效果差等缺点。电力电子元件组成的有源电力滤波器最近得到了快速发展。电力有源滤波器(APF)是一种用子动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置［1］。采用谐波和无功快速实时测量，能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿，利用电力电子技术进行波形的实时补偿，可以克服无源滤波器受系统阻抗影响的缺点，更有效地治理谐波污染，但电力有源滤波器(APF)目前仍存在实现复杂、成本较高、单台补偿容量低、不易消除高次谐波、在实现上仍需LC滤波器的辅助等问题。

促使有源滤波器得以迅速发展主要因素有两个:一是大功率可关断器件的研制和应用，如大功率门极可关断晶闸管(GTO)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)和场控晶闸管(MCT)等器件的逐步应用，使逆变器产生大功率电流电压成为可能;二是瞬时无功功率理论为三相系统畸变电流的实时检测提供了理论依据。

电力有源滤波器(APF)的主电路原理图如图1所示，它的基本工作原理是检测补偿对象的电流和电压，经谐波和无功电流检测电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流相抵消，最终得到期望的电源电流。

图1 有源电力滤波器原理图

2.2 有源电力滤波器的拓扑结构

电力有源滤波器［2］(APF)可分为电压型和电流型。从与补偿对象的连接方式来看，电力有源滤波器(APF)又可分为并联型和串联型，以并联型占实用装置的大多数。

2.2.1 并联型有源电力滤波器

并联型APF(如图2)相当于一个谐波电流发生器，它跟踪谐波源电流中的谐波分量，产生与之相反的谐波电流，从而抵消谐波源产生的谐波电流。通过不同的控制作用，可以对谐波、无功、不平衡分量等进行补偿。几个有源滤波器还可以并联起来使用，来补偿大容量的谐波电流。但因电源电压直接加在逆变器上，对开关器件电压等级要求高;负载谐波电流含量高时，有源滤波装置的容量也必须很大，投资也大。故它只适合于电流型谐波源的治理。

2.2.2 串联型有源电力滤波器

图2 并联单独有源电力滤波器

串联型APF通过变压器串联于输电线路中(如图3)，是另一种基本的APF形式，它相当于一个电压控制电压源，跟踪谐波源电压中的谐波分量，产生与之相反的谐波电压，从而隔离谐波电压。有源装置容量小，运行效率高，对电压型谐波源有较好补偿特性。故串联型APF既可用于改善系统的供电电压，为负载提供基波正弦供电电压;又可用于治理电压型谐波负载。但串联型APF存在绝缘强度高，难以适应线路故障条件以及不能进行无功功率动态补偿等缺点，且负载的基波电流全都流过连接用的变压器，其工程实用性受到限制。负载谐波含量较大时串联型APF装置容量很大，初投资大。

图3 串联单独使用的有源电力滤波器

2.2.3 有源电力滤波器与无源滤波器的组合拓扑

单独使用的并联型和串联型APF由于存在有源装置容量较大、开关器件的等级较高、初投资大、效率低的缺点;因此，在研究APF多功能化的同时，人们也致力于使有源装置容量降低的混合补偿方案研究。混合型有源滤波器HAPF可分为两类，一是与无源滤波器PF的混合，目的是降低成本，充分发挥APF和PF的优势;二是与其他变流器的混合，目的是完善HAPF的功能，一般其中一个主要负责补偿无功，而另一个主要负责治理谐波。一般有并联型APF和并联PF相结合的混合型有源电力滤波器和串联型APF和并联型PF相结合的混合型滤波器。

3 无源滤波器

现在虽然提出了有源滤波等新兴的技术来抑制谐波，但由于其容量较小，成本较高，因此实际工程应用中大多数仍然采用技术较为成熟的无源滤波器，相对来说价格便宜，容易实现。常用的无源滤波器［3］有单调谐、二阶高通和C型高通三种［4］。

单调谐滤波器的结构如图4(a)所示，包括电容器C、电抗器L、电阻R。其对n次谐波的阻抗为:

式中:ω为基波角频率。工作原理:单调谐滤波器是利用串联L、C谐振原理构成的，谐振次数n为:

图4 单调谐滤波器、二阶高通滤波器、C型高通滤波器的结构

在谐振点处，Z=R，因R很小，n次谐波电流主要由R分流，很少流入电网中，对于其他次数的谐波，Z远远大于R，谐波分流很少。因此，只要将滤波器的谐振次数设定为与需要滤除的谐波次数一样，则该次谐波将流入无源滤波器，从而起到滤除该次谐波的目的。

二阶高通滤波器(如图4(b))的一个重要参数是截止频率f，高通滤波器之所以称为高通就是因为在频率大于截止频率以后其呈现低阻抗，对截止频率以后的谐波有滤波作用;当频率低于f时，滤波器阻抗明显增加，使低次谐波电流难以通过。截止频率的计算式为:

C型高通滤波器(如图4(c))也是在截止频率f之后表现出较低的阻抗，对高次谐波滤波。为了降低滤波器的损耗，它采用了电容器C和电抗器L在工频发生串联谐振，则C型高通滤波器的基波损耗理论上可以为0。

一般无源滤波器除了滤除谐波的作用外，还要补偿基波无功功率。设负荷的容量为SMVA，补偿前的功率因数角为α，补偿后的功率因数角为β，则需要补偿的总无功功率为:

当滤波器由多个滤波器组成时，要将需要补偿的总无功功率分配到各个滤波器作为各个滤波器要补偿的无功功率。单调谐滤波器之间进行功率分配时为了使各个单调谐滤波器的电容器承受谐波电压基本一致，其分配的功率与其谐振次数的谐波电流和谐振次数的比值成正比。而高通滤波器则可能要滤除几次谐波电流单调谐分配公式。

4 谐波检测的方法

谐波抑制的基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生出一个与该谐波电流大小相等，极性相反的补偿电流。补偿特性取决于由负载电流中提取谐波电流的算法。因此，有源滤波器控制的关键问题之一就是找到一种算法，该算法可以精确的从负荷电流中提取欲补偿的谐波电流分量的幅值和相位，从而为控制提供参考。谐波检测的算法很多，其中在有源滤波器中应用最广的是“基于瞬时无功理论”的瞬时空间矢量法。应用这种方法检测谐波除低通滤波消除直流分量外，其他是瞬时计算，响应速度很快。一般来说，谐波的检测方法有p－q检测方法、ip－iq检测方法、d－q检测方法。这里主要介绍p－q检测方法和d－q检测方法。

4.1 p－q检测方法

p－q检测框图如图5所示。

图5 p－q检测方法原理图

此法根据定义算出p、q，经过低通滤波器(LPF)得到p、q的直流分量¯。市电电压波形无畸变时为基波有功电流与电压的作用产生为基波无功电流与电压的作用产生。于是，由¯¯即可检测出电流ia、ib、ic的基波分量 iaf、ibf、icf。

将 iaf、ibf、icf与 ia、ib、ic相减得到 ia、ib、ic的谐波分量 iah、ibh、ich。

对于三相三线制电路，只要市电电压波形发生畸变，不论三相电压、电流是否对称，p－q法检测的结果都有误差，只是误差情况有所不同。

4.2 d－q检测方法

d－q法是目前谐波实时计算的主要方法，此方法的特点是不仅简化了对称无畸下的电流增量检测，而且也适用于不对称有畸变的市电电压检测，其原理如下:

瞬时三相电流或电压通过如下的变换，变换到d－q坐标上。

式中:

d－q检测法的原理如图6所示。

图6 d－q检测方法原理图

图5中ia、ib、ic为三相输入电流，iaf、ibf、icf为计算基波输出电流，它们之差即为三相谐波电流 iah、ibh、ich。d－q变换是将静止坐标系中的相量变换到以基波角速度旋转的坐标系中，变换后的信号与原信号频率相差一个基波频率，即50Hz。如果信号为典型的三相特征谐波1st(基波)、5th、7th等，则分别对应于dq坐标系中的直流、4th、6th等。低通滤波器滤除所有交流谐波后，其直流成分通过d－q反变换即可得到基波电流。