电力有源滤波器特性研究

2014-09-22李璨

电气开关 2014年2期

李璨

(国网山东省电力公司检修公司，山东济南 250000)

1 引言

用电技术在飞速的发展，电网中的整流、逆变、变频设备出现了重大变革，电力电子装置拓宽了电能的应用，也提高了用电效率。目前，以电力电子装置为主的非线性负载直接影响了电力系统的波形质量，导致电网电压和电流发生了波形畸变，产生大量谐波，破坏了电网的电气环境。谐波对电网的安全、稳定、经济运行构成了严重威胁。

目前一般采取两种类型的措施的进行谐波抑制:

一是采取措施减少设备自身产生的谐波，例如采用多脉动换流技术与PWM技术;

二是通过装设滤波装置滤除谐波。前者会增大投资成本而且适用范围有限，后者一般通过装设无源滤波器或有源滤波器进行谐波抑制，无源滤波器难以达到较好的滤波效果，有源滤波器或混合型有源滤波器实时对负荷谐波起着抵偿作用，器具有较好的动态补偿效果，应用前景广泛。

2 有源滤波器简介

(混合型)有源滤波器是目前电能质量领域的研究热点，主要包括基于瞬时无功功率的有源滤波器和基于磁通补偿原理的有源滤波器两类。基于瞬时无功功率的有源滤波器是常见的、研究较多的类型，其采用瞬时无功功率理论实时检测到补偿谐波电流，通过控制逆变器产生一个与谐波电流相反的电流来抵消负载中所包含的谐波，使系统电流变成正弦波。主要分为三种:第一种是传统的并联型有源滤波器方案;第二种是并联无源加串联有源滤波器相结合的方案;第三种是有源滤波器和无源滤波器串联后与电网并联的混合型方案。目前国内对该类型有源滤波器研究较突出是湖南大学罗安教授与西安交通大学王兆安教授的课题组。基于磁通补偿原理的有源滤波器采用不同原理，国内主要是华中科技大学的陈乔夫课题组对该类型有源滤波器进行研究。基于磁通补偿的(混合型)有源滤波器可分为两种，即基于基波磁通补偿的串联型有源滤波器和基于谐波磁通补偿的并联型有源滤波器。

3 并联混合型有源滤波器拓扑结构

本文主要介绍目前工程应用较多的基于瞬时无功功率的并联混合型有源滤波器，其主电路图如图1所示。由于无源滤波器的结果简单、成本低、运行维护方便，并联混合型有源滤波器利用了无源滤波器来承担大部分的谐波滤除功能，该类型滤波器结合了无源与有源的优点，可使装置获得良好的滤波性能。

图1 有源滤波器电路结构图

该类型有源滤波器的有源部分主要由指令运算电路和补偿电流发生电路组成，其原理是通过检测电路检测电网中的电流，经过指令运算电路计算出需要补偿的电流，并产生指令信号，再经过电流跟踪控制电路达到驱动电路，驱动逆变器产生补偿电流，补偿电流与谐波电流可以相互抵消，来滤除谐波。无源部分是由电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的，除起滤波作用，还有无功补偿的作用。根据图1中的电路图可作出并联混合型有源滤波器单相等效电路如图2所示。

图2 单相等值电路

工作时，并联混合型有源滤波器产生的谐波电流Ip为:电源的谐波电流以及连接入点处的谐波电压为:

根据等效电路图，当满足:

此时谐波电流将流入无源滤波器，如果KsZan＞＞Zsn，则滤波特性由决定。

4 有源滤波器的谐波检测与控制系统

有源滤波器的谐波检测环节原理图如图3所示，谐波检测首先需要电压或电流互感器进行电压或电流的测量，再进行预处理，一般的预处理环节为将电流或电流互感器输出的电流信号转化为电压信号，而且在转化过程中还需要适当的滤波与放大。由于有源滤波器对谐波信号的时间同时性要求非常高，所以需要对信号进行采样与保持，然后进行A/D转换，模拟量转换为数字量，A/D转换精度要求较严格，通常应该在12位以上。有源滤波器控制器算法比较复杂，而且运算速度要求较高，因此一般采用数字信号处理器(DSP)。

图3 有源滤波器谐波检测系统

图4 有源滤波器控制系统

图4所示为有源滤波器的控制系统，一般由控制算法部分与出发脉冲产生部分组成，控制系统及其控制算法是决定有源滤波器滤波效果好坏的关键因素。控制算法处理部分首先要对谐波检测环节送来的数字信号进行处理，快速检测出需要的谐波与有源滤波器产生的谐波进行比较，根据其差值采用一定的控制方法产生出发脉冲信号送给出发脉冲发生部分，而出发脉冲发生部分根据信号产生适当的驱动脉冲去驱动逆变器，使其产生的谐波电流与所需的谐波电流相同，从而达到谐波补偿的效果。

5 有源滤波器的滤波特性

图5、图6为某电子有限公司生产的有源滤波器投入前后的非线性负载的三相电流波形图，滤波前的谐波源三相电流谐波含量较高，波形畸变严重，谐波含量大59.7%，有源滤波器投入后，谐波含量将为4.6%。这类有源滤波器的滤波效果明显，但同时可以发现，滤波后的三相电流波形中含有较多的毛刺，这是滤波前波形中所没有的，可以推断这些毛刺是有源滤波器IGBT器件的高频动作产生的，毛刺含量过多同样会危害到电网与设备的正常运行。