新型电能质量调节器的研究

邱 波

廊坊供电公司，河北廊坊 065000

0 引言

有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它可以对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，是一种理想的谐波补偿装置[1]。但随着电网结构和电力负荷成分的日益复杂，各种电能质量问题如电压跌落、电压上升的电压偏移问题，瞬时断电、暂时断电的供电连续性问题以及谐波等问题在同一配电系统中同时出现的情况越来越多[2]。而传统的有源电力滤波器功能单一，为了实现有源电力滤波器多功能化的要求。本文提出了将超级电容器作为有源电力滤波器直流侧储能元件，满足了有源电力滤波器多功能化的要求。

1 有源电力滤波器的基本原理与存在问题

图1为并联型有源电力滤波器的原理图[3]。如图所示整个系统由指令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路组成。其中指令电流运算电路又称为谐波和无功电流检测电路。当指令电流运算电路检测出电网电流中含有谐波和无功等分量时，将产生与之相对应的指令电流，采用适当的控制方式如滞环控制作用于功率电路产生实际的补偿电流，此电流与检测出的谐波和无功电流大小相等而方向相反，将补偿电流注入到电网中，从而消除了电网电流中存在的谐波和无功分量[4]。

图1 并联型有源电力滤波器原理图

根据以上对有源电力滤波器的工作原理的分析可知，若有源电力滤波器仅用于补偿无功功率时，直流侧Udc不需要储能元件，当用于谐波补偿时储能元件的容量也不需要很大。由于其储能元件的容量很小从而有源电力滤波器不具备提供有功功率这一功能。选择合适的直流侧储能元件增加其存储能量，使有源电力滤波器可以运行于四个象限，即同时发出无功功率和吸收有功功率，发出无功功率和发出有功功率，吸收无功功率和吸收有功功率，吸收无功功率和发出有功功率。这样有源电力滤波器不仅可以补偿谐波、无功和负序电流，还可以抑制电压闪变、平衡三相电压，解决了电网中存在的若干电能质量问题。

2 超级电容器储能系统

超级电容器作为一种新型的储能元件，具有功率密度大，能量密度高的特性，容量大目前单体超级电容器的最大电容量可达到10000F。充电速度快在几十秒到数分钟内完成充电过程，适合大电流和短时间充放电的场合。此外还具有工作温度范围广，循环充放电次数多，排放零污染等特点[5]。

表1是超级电容器与几种常见的储能技术的性能比较。

表1 各种储能技术的比较[6]

从表1可以看出超级电容器具有快速充放电和功率密度大的优点，可以用来解决电力系统中的一些暂态问题，例如电压暂降和短时电压中断等。

超级电容器储能系统其结构如图2所示[7]。

图2 超级电容器储能系统基本结构

超级电容储能系统主要由超级电容器组、整流器、逆变器、双向变换器以及控制单元组成。将该储能系统连接于微电网和负荷之间。未出现故障时，整流器提供的直流电能储存在超级电容器中，若电网中出现电压暂降等故障时，超级电容器通过逆变器向负载输出能量，快速补偿了系统所需，维持了负荷侧的电压等级。考虑到能量的双向流动，超级电容通过双向DC/DC变换器与逆变器相连。

3 基于超级电容储能的有源电力滤波器的系统构成

从图3中可以看到，本文所设计的装置是在并联型有源电力滤波器的基础上增加了超级电容储能系统，由整流器、Buck-Boost双向DC/DC变换器，PWM逆变器和Γ型LC滤波器，串联变压器几部分组成。

系统工作原理为，闭合输入刀闸，由电网提供的电能一方面通过开关S2向负载供电，一方面通过开关S1向超级电容器充电，此时双向DC/DC变换器工作于Buck方式，充电电阻R1限制了电容器充电瞬间所产生的巨大充电电流。当平波电容器充电到80%的时候，将继电器J1、J2闭合，通过充电电阻R2给超级电容器供电。此时开关S3、S4断开，S5闭合。

图3 基于超级电容储能的有源电力滤波器电路结构图

当检测电路检测到补偿对象电流中存在谐波和无功分量后，将其反极性作为补偿电流的指令信号，采用三角波控制方式控制PWM逆变器产生实际的补偿电流，通过开关S5向电网注入与谐波和无功电流大小相等方向相反的电流，起到了消除谐波和无功电流的目的。

当检测电路检测到系统出现电压暂降时。开关S5、S2关断，开关S1、S3、S4导通。由电网和本装置共同对负载供电，此时双向DC/DC变换器工作于Boost方式，继电器J3导通，PWM变流器通过Boost电路汲取超级电容器中的能量，装置提供的补偿电压通过串接变压器叠加到供电回路中。这里串联变压器将逆变器与电网隔离，降低了直流母线的电压，便于功率器件的选取。

一旦电网停电，仅通过本装置不间断的对负载供电，为了防止电流反向流向电网开关S1、S2应处于关断状态。开关S3、S4关断S5导通。此时继电器J3导通，双向DC/DC变换器工作于Boost方式， PWM变流器通过Boost电路汲取超级电容器中的能量，由装置为重要负荷供电。待电网恢复正常后，开关S1导通，由电网供电。若超级电容器两端电压降低到其额定电压的50%，电网还未恢复正常供电，主控单元向逆变器发出闭锁脉冲，停止给负荷供电，负荷停止运行。

4 结论

为了实现有源电力滤波器多功能化，获得更高的性价比，其直流侧储能元件必须合理选择。将超级电容器作为有源电力滤波器直流侧储能元件，实现了多功能化的要求，通过仿真验证了该装置在有效地解决谐波补偿的同时，也改善了电网中出现的电压跌落等若干电能质量问题。

[1]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].机械工业出版社，2004.

[2]肖湘宁，徐永海，刘连光.供电系统电能质量[M].北京：华北电力大学出版社，2000.

[3]杨君.谐波和无功电流检测方法及并联型有源电力滤波器的研究[D].西安：西安交通大学，2006.

[4]宋琦.并联型有源滤波及无功补偿的研究 [D].武汉；华中科技大学，2005.

[5]张熙贵，王涛，夏保桂.一种优秀的储能元件——超级电容器[J]，2003(8)：40-42.

[6]王宇.电力系统谐波及其抑制技术的研究[D].哈尔滨理工大学，2009.

[7]王鑫.超级电容器对微电网电能质量影响的研究[D].华北电力大学，2009，12.