混合型有源电力滤波器抑制谐波放大措施

2020-02-20郑瑜，王刚，郑琦，李勇，许谊

通信电源技术 2020年1期

郑瑜，王刚，郑琦，李勇，许谊

（1.国网宁波供电公司，浙江宁波 315000；2.国网金华供电公司，浙江金华 321013）

0 引言

有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）是谐波抑制的一种有效手段，因其具有不易受系统阻抗变化影响、可选择性滤除任意次谐波、响应速度快等优点，成为近几年的研究热点[1]。虽然APF能补偿一定的无功，但大容量补偿还无法实现，因此将APF与并联电容器相结合组成混合补偿系统（Hybrid Active Power Filter，HAPF）是一种可行性好、成本低的提高电能质量的有效方法[2]。

但并联电容器和电网阻抗会产生并联或串联谐振，造成谐波放大，不仅影响APF的工作效果，严重时会危及并联电容器本身及系统稳定性和安全可靠性[3]。因此，分析混合型有源电力滤波器的谐波放大问题并提出有效的解决措施具有重要意义。

1 HAPF谐波放大的机理

对于混合型有源电力滤波器，谐波放大可能由并联型有源滤波器引起，可能由并联补偿电容引起，也可能由两者的共同作用引起。混合型有源电力滤波器谐波放大的机理主要有如下3种。

1.1 APF输出电流畸变造成正反馈

有源电力滤波器谐波电流检测主要包括负载侧检测和电网侧检测两种，负载侧电流检测属于开环系统，其稳定性严重依赖于各环节参数的精确匹配；电网侧电流检测属于闭环系统，可有效提高APF系统的控制精度和鲁棒性[4]。

但在检测电网谐波电流的闭环控制系统中，如果APF输出电流发生畸变，则会导致谐波电流不断放大，从而危及系统的稳定性。因为当APF输出电流在某次谐波频率处发生相位相反的畸变时，系统由原来的负反馈变为了正反馈，使得该频次的输出电流不断累加，从而导致谐波放大[5]。

1.2 并联电容器与电网阻抗形成并联谐振

并联电容器与电网阻抗在特定频率下会发生并联谐振。忽略输电线路中电容，则并联电容器后，系统的n次谐波等效阻抗为：

其中，RSn为电网的n次谐波电阻；XSn为电网n次谐波电抗且XSn=nXS；XS为电网基波电抗；XCn为并联电容器n次谐波电抗且XCn=XC/n，XC为并联电容器基波电抗。

令XSn-XCn=0，即nXS=XC/n，则有谐振频率：

其中，LS为电网电感，C为并联电容。

1.3 谐振偏移

文献[7]指出，电网侧谐波电流分次补偿时，其等效电路（忽略电网和并联电容器的串联电阻）相当于在电路网络中并联了阻抗为LS/kn的等效电感，则等效系统的谐振频率为：

其中，LS为电网阻抗，C为并联电容，kn为对n次谐波电流的反馈增益。

由于反馈增益kn会随着积分器的累加逐渐从零趋于无穷大，由式（3）可知，当APF的指定次补偿电流频率f小于kn=0时的谐振频率fR时，等效系统的并联谐振频率会随kn增大而升高，此情况下谐振点会不断远离指定的补偿谐波频率，因此不会发生谐振；而当APF的指定次补偿电流频率f大于kn=0时的谐振频率fR时，由于等效系统的并联谐振频率随着kn的增大而升高，使得谐振点不断靠近指定的补偿谐波频率，在某一谐振点处就会发生谐振造成谐波放大。

2 HAPF谐波放大的抑制措施

针对谐波放大的问题，国内外学者纷纷研究出不同的解决方案。

2.1 串联电感

对于并联电容器与系统阻抗产生的谐振，传统方法是给并联电容器串接一定电抗器，改变并联电容器与系统阻抗的谐振点来抑制谐波放大。文献[8]证明了可通过调节电抗率（并联电容器中串入的电感与电容的比值）控制谐振频率，使其尽量避开所要补偿的谐波电流频率。但在实际电网中，由于电力谐波不稳定，谐波大小和频次会随着负荷变化而改变，使得电抗率的选择很复杂，不匹配的电抗率反而会损坏并联电容器[9]。同时，这种方法只是改变了谐振系统的谐振点，实际电网系统比较复杂且时刻变化，当负载谐波源或电网阻抗以及并入电网的电容器发生变化时，仍然可能发生谐振。

2.2 补偿电流指令调节

根据APF的指定次补偿电流频率f与谐振频率fR的大小关系，设置补偿电流指令[7]。当f＜fR时，检测后的补偿电流指令kd不变；当f＞fR时，令补偿电流指令kd取反。这样可有效地抑制因谐振偏移带来的谐波放大问题。对于f在fR附近的情况，其检测电流存在谐振峰，并且相位处于突变状态，可以令补偿电流指令kd=0，虽然这样可以避免系统失稳，但该频率的谐波无法得到补偿，影响补偿精度。在谐振频率附近的谐波可以在不改变补偿指令的情况下通过谐振阻尼方法来进行滤除。