有源電力濾波器拓撲結(jié)構(gòu)及控制策略概述

1 主電路拓撲結(jié)構(gòu)分類

從不同的觀點出發(fā)，有源電力濾波器具有不同的分類標準。

1.1 根據(jù)接入電網(wǎng)的方式分類

根據(jù)接入電網(wǎng)的方式，有源電力濾波器可以分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和串-并聯(lián)型三大類。

1.1.1 串聯(lián)型有源濾波器

串聯(lián)型有源濾波器經(jīng)耦合變壓器串接入電力系統(tǒng)，如圖1所示，其可等效為一個受控電壓源，主要是消除電壓型諧波以及系統(tǒng)側(cè)電壓諧波與電壓波動對敏感負載的影響。串聯(lián)型有源電力濾波器應用在直流系統(tǒng)中時，耦合變壓器的系統(tǒng)接入側(cè)很容易出現(xiàn)直流磁飽和問題，所以只在交流系統(tǒng)中采用。與并聯(lián)型有源電力濾波器相比，由于串聯(lián)型有源電力濾波器中流過的是正常負荷電流，因此損耗較大;此外，串聯(lián)型有源電力濾波器的投切、故障后的退出及各種保護也較并聯(lián)型有源電力濾波器復雜。目前單獨使用串聯(lián)有源電力濾波器的例子較少，研究多集中在其與LC無源濾波器所構(gòu)成的串聯(lián)混合型有源電力濾波器上。

1.1.2 并聯(lián)型有源電力濾波器

并聯(lián)型有源電力濾波器與系統(tǒng)并聯(lián)等效為一個受控電流源，如圖2所示。有源濾波器向系統(tǒng)注入與諧波電流大小相等方向相反的電流，從而達到濾波的目的。并聯(lián)型有源電力濾波器主要適用于電流源型感性負載的諧波補償，技術(shù)上已相當成熟，工業(yè)上已投入使用的有源電力濾波器多采用此方案。

與串聯(lián)型有源電力濾波器相比并聯(lián)型有源電力濾波器通過耦合變壓器并入系統(tǒng)，不會對系統(tǒng)運行造成影響，具有投切方便靈活以及各種保護簡單的優(yōu)點。但是當單獨使用并聯(lián)型有源電力濾波器來濾除諧波時，有源電力濾波器容量要求很大，這樣會帶來一系列的問題，如工程造價高、電磁干擾、結(jié)構(gòu)復雜以及高的功率損耗等。

1.1.3 串-并聯(lián)型有源電力濾波器

串-并聯(lián)型有源電力濾波器如圖3所示，相關文獻稱之為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC)。它綜合了串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種結(jié)構(gòu)，共同組成一個完整的用戶電力裝置來解決電能質(zhì)量的綜合問題。其中，直流側(cè)電容器或電感儲能裝置是串聯(lián)型和并聯(lián)型有源濾波器所公用的，串聯(lián)有源電力濾波器起到補償電壓諧波、消除系統(tǒng)不平衡、調(diào)節(jié)電壓波動或閃變、維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性或阻尼振蕩的作用。并聯(lián)變流器起到補償電流諧波不平衡、補償負荷的無功、調(diào)節(jié)變流器直流側(cè)電壓的作用。因此這種統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器可以實現(xiàn)短時間不間斷供電、蓄能、無功補償、抑制諧波、消除電壓波動及閃變、維持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定等功能，被認為是最理想的有源濾波器的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)既可用于三相系統(tǒng)，又可以用于單相系統(tǒng)。但是其主要缺陷在于成本較高(需要較多的開關器件)和控制復雜。

1.2 根據(jù)接入電網(wǎng)電壓等級分類

根據(jù)接入電網(wǎng)電壓等級來分類，有源電力濾波器還可以分為直接接入和通過無源濾波器間接接入電網(wǎng)兩種方式。

1.2.1 直接接入型

圖4 為直接接入型有源濾波主電路拓撲結(jié)構(gòu)，它是有源濾波器和無源濾波器的組合結(jié)構(gòu)。這種濾波器結(jié)構(gòu)目前非常普遍，因為它并聯(lián)的LC無源濾波器部分消除了大量的低次諧波，因而有源濾波器部分容量可以做到很小(負荷容量的5%左右)，這樣大大減少了有源濾波器的體積和成本。它可以同時消除電壓和電流諧波，而且成本相對較低，因而非常受歡迎。但是這種結(jié)構(gòu)的濾波器的缺點在于只能針對特定負荷進行補償，負荷運行狀況變化較大的時候補償性能不好。

1.2.2 間接接入型

圖5為有源與無源濾波串聯(lián)使用的混合型有源濾波器，在該方式中，諧波和無功功率主要由LC 濾波器補償，而有源濾波器的作用是改善無源濾波器的諧波特性，克服無源濾波器易受電網(wǎng)阻抗的影響、易與電網(wǎng)發(fā)生諧振等缺點。在這種方式中，有源濾波器不承受交流電源的基波電壓，因此裝置容量小。該方案由于注入變壓器連接在Y 型連接的PF的中性點上，方便保護和隔離，因此更適合于高電壓系統(tǒng)應用，但是該電路對電網(wǎng)中的諧波電壓非常敏感。

1.3 按有源電力濾波器中逆變器直流側(cè)儲能元件的分類

根據(jù)有源電力濾波器中逆變器直流側(cè)儲能元件的不同，有源電力濾波器又可分為電壓型有源電力濾波器(儲能元件為電容)和電流型有源電力濾波器(儲能元件為電感)。

電流型有源電力濾波器如圖6所示，它是由一個大電感充當一個非正弦的電流源來提供非線性負荷的諧波電流。電流型逆變器的最大缺點在于不能用于多電平場合，無法提高大容量時逆變器的性能;電壓型由一個較大的電容作為直流側(cè)的電壓支撐。由于電壓型結(jié)構(gòu)輕便、便宜，并且可以擴展為多電平結(jié)構(gòu)，使其在開關頻率較低的情況下取得較好的性能，與電流型有源電力濾波器相比，電壓型有源電力濾波器損耗較小、效率高，因此目前國內(nèi)絕大多數(shù)有源電力濾波器都采用電壓型逆變器結(jié)構(gòu)。根據(jù)日本電氣學會的調(diào)查結(jié)果，兩者在實際應用中所占的比例分別是電壓型93.5%，電流型6.5%。隨著超導儲能技術(shù)的不斷發(fā)展，今后可能會有更多電流型有源電力濾波器投入使用。

1.4 根據(jù)補償系統(tǒng)的相數(shù)來分類

根據(jù)有源濾波器補償系統(tǒng)的相數(shù)來分類，有源濾波器可分為單相和三相兩種，三相系統(tǒng)又分為三相三線制和三相四線制。

單相有源濾波器一般用于小功率的場合，例如商業(yè)寫字樓或者學校帶有電腦負荷的教學樓以及小型工廠。在這些場合中電流諧波可以在公共耦合點補償?shù)?，因此可以將幾個小功率的濾波器連接取代一個大的濾波器，這主要是由于在一個大樓中有好多的單相負荷并且中線上存在大量諧波電流會有較大的危害。這樣可以根據(jù)運行條件的不同有選擇地進行補償。但另一方面，住宅性負荷并沒有產(chǎn)生大量

的集中的諧波，而且由于缺少強制的諧波約束法規(guī)，住宅用戶不可能投資于單相的有源濾波器。單相有源濾波器的主要優(yōu)點在于處理小功率負荷，因此變流器的開關頻率可以很高，從而提高整個裝置補償諧波的性能。

對于三相裝置，濾波器及主電路的選擇取決于三相系統(tǒng)是否平衡。在相對比較低的功率場合(100 kV·A)，三相系統(tǒng)可以采用三個單相有源濾波器或者單獨的三相有源濾波器。對于平衡負荷而言，如果目標僅僅是消除電流諧波而不需要三相系統(tǒng)及補償電壓諧波，采用三個單相有源濾波器的結(jié)構(gòu)是可行的。對于不平衡負荷電流或者不對稱供電電壓，主電路結(jié)構(gòu)采用基于三個單相逆變器的三相有源電力濾波器是可行的。

大多數(shù)的單相負荷都是由帶中線的三相系統(tǒng)供電的。它們給系統(tǒng)帶來了大量的中線電流、諧波、無功以及三相不平衡。三相四線制有源濾波器的引入就是為了減少這類系統(tǒng)出現(xiàn)的問題。

2 有源濾波器構(gòu)成及工作原理

無論有源電力濾波器如何分類，它都是由幾個共同的部分構(gòu)成，即諧波檢測環(huán)節(jié)、控制系統(tǒng)、主電路、保護電路以及耦合變壓器等主要部分構(gòu)成，如圖7所示。其基本工作原理為：首先通過諧波檢測環(huán)節(jié)檢測出系統(tǒng)中的諧波并給出需要補償諧波的參考值，然后通過控制系統(tǒng)根據(jù)該參考值產(chǎn)生相應的脈沖，控制主電路產(chǎn)生補償電流或者電壓跟蹤該參考值，起到補償效果，有源電力濾波器通過耦合變壓器接入系統(tǒng)。

下面對有源濾波器的四個部分進行介紹。

2.1 諧波檢測

諧波檢測環(huán)節(jié)的原理框圖如圖8所示?；竟ぷ髟頌椋侯A處理環(huán)節(jié)將電壓或電流互感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號并進行適當?shù)臑V波與放大(實際中總存在一定的高頻噪音，因此一般都要對信號進行一定的濾波及進行放大或縮小)，有源電力濾波器對諧波信號的時間同時性要求較高，因此一般情況下應該對所需信號進行同步采樣，所以需要加采樣保持電路，即在同一時刻對輸入信號進行采樣。

將采樣信號保持起來，然后分別進行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。

目前用于諧波檢測算法通常有兩種，一種是快速FFT分析法，另外一種方法是瞬時無功功率理論，其中大多采用瞬時無功功率理論進行諧波檢測。

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