新型高壓大容量混合有源電力濾波裝置的研究

摘 要:提出一種新穎的高壓大容量混合型有源電力濾波電路(HAPF)#65377;無源支路在補償無功功率的同時還可以濾除因非線性負載產生的特征諧波電流#65377;有源部分通過耦合變壓器與基波串聯諧振電路并聯構成串聯諧振注入式混合有源濾波器#65377;詳細介紹該新型結構的基本工作原理，分析其諧波補償特性及諧振抑制特，并對其有源部分的參數設計進行研究#65377;依此方法為某礦廠研制了高壓大容量混合型有源電力濾波裝置，運行結果表明該裝置能很好的滿足工程需要#65377;

關鍵詞:諧波抑制;無功補償;參數設計;有源電力濾波器

中圖分類號:TM13文獻標識碼:A

1 引 言

隨著電力電子器件在工業中的廣泛應用，電網的諧波污染問題日趨嚴重#65377;諧波不僅影響電氣設備的正常工作，還給電網的安全經濟運行帶來隱患^[1-2]#65377;目前，消除諧波的方法主要有無源濾波器(PPF)#65380;有源濾波器^[3](APF)和混合型濾波器^[4-7](HAPF)#65377;PPF的濾波特性由電網阻抗與濾波支路阻抗的比值決定，并受電網系統參數的影響很大#65377;APF雖能克服PPF存在的缺陷，但受其開關器件容量和成本等方面的限制，無法獨立掛載在大功率高壓電網運行#65377;而HAPF兼顧了兩者的長處，初期投資小，性價比高，能滿足高壓大容量系統實用化的要求，是目前工程應用中主要采用的形式^[8]#65377;

文章以高壓大容量系統諧波治理為目的，針對某礦廠電解整流電源的具體工況，研制了一種高壓大容量混合型有源電力濾波裝置#65377;運行結果表明，該裝置很好的滿足了工程的整體需要#65377;由于目前國內有源濾波器的工程應用實例很少，因此該套裝置的設計方法對其它HAPF的工程應用可起到一定的指導和借鑒作用#65377;

2 注入式有源電力濾波裝置的結構原理

2.1 主電路結構

該結構以電壓型逆變器(VSI)作為其有源部分，以多組單調諧濾波器組成的無源濾波器作為其無源部分#65377;有源部分通過耦合變壓器與基波串聯諧振電路并聯構成串聯諧振注入式混合有源濾波器#65377;整個補償裝置與電網并聯#65377;電壓型逆變器為基于自關斷器件的脈寬調制PWM逆變器，直流端為一大電容，VSI的輸出端接有輸出濾波器，以此來濾除開關器件通斷造成的高頻毛刺#65377;注入支路由電容C1#65380;電感L1和電容CF構成，其中電容C1和電感L1構成在基波頻率諧振電路#65377;這樣利用C1和L1的基波諧振原理，使有源電力濾波器既不承受基波電壓也不承受基波電流，從而極大地減小了有源電力濾波器的容量，降低有源諧波補償系統的投資，提高性能價格比，達到APF實用化及諧波抑制的目的#65377;

計算技術與自動化2007年6月第26卷第2期常 春:新型高壓大容量混合有源電力濾波裝置的研究

圖1 系統結構圖

2.2 濾波原理分析

整個補償裝置的單相等效電路如圖2所示#65377;諧波負載被看作一個諧波電流源iL，uS為系統電源電壓，有源部分被控制為一個理想的受控電流源#65377;圖中，LS為電網等效電感，CF#65380;C1#65380;L1#65380;CP#65380;LP分別為注入支路及無源濾波器組的電感和電容#65377;ZSh#65380;ZPh#65380;ZCF#65380;Z1分別為電網阻抗#65380;無源部分阻抗#65380;注入電容阻抗#65380;C1和L1的串聯阻抗#65377;

由圖2(b)， 并根據基爾霍夫定律可寫出如下方程:

若將有源部分等效為一個受控電流源:

式中，iSh為電網支路電流的諧波分量，K為控制放大倍數#65377;解該方程組得:

從式(6)可以看出，當iLh#65380;uSh為一定時，如果增大K，iSh將減小#65377;當值足夠大時，大部分負載諧波將流入無源濾波器，達到了很好的濾波效果#65377;而且，當不考慮系統電壓畸變引起的諧波電流時，即令uSh=0:

從式(4)可以看出，對于iSh而言，圖3和圖2(a)是等效的，其中Z=KZ1ZPhZCF+Z1+ZPh由圖3可看出，補償裝置的有源部分相當于在電網支路串聯了一個可控的諧波阻抗，當Z足夠大時，流入電網的諧波電流將會很小，接近于0，起到抑制諧波電流的作用;同時可以抑制無源部分與電網阻抗間的并聯諧振#65377;

3 仿真結果

為了進一步驗證本文提出的濾波裝置的可行性，本節進行了仿真分析#65377;

3.1 諧波補償特性分析

定義式(4)為諧波源諧波抑制函數，利用Matlab軟件對其進行幅頻特性分析#65377;以此來討論本文提出的注入式混合型有源濾波裝置的諧波補償特性#65377;

圖4給出了濾波裝置在不同的控制放大倍數情況下諧波源諧波抑制函數的幅頻特性曲線，系統等效電感的取值為LS=0.3mH#65377;

圖4 不同K值時諧波源諧波抑制函數幅頻特性[JZ)]

從圖4中可以看出，當K=0，即補償裝置只投無源部分時，只對固定頻率的諧波及高次諧波有較大的抑制作用#65377;當投入有源部分后，從圖中可以看出，所有頻率段的幅頻特性都被下壓，諧波抑制效果有了很大的改善，流入系統的諧波電流很小#65377;圖中分別給出了控制放大倍數K=10#65380;K=20時的諧波源諧波抑制函數的幅頻特性曲線，可見，隨著K值的增大，系統的諧波抑制效果越好#65377;因此，本文提出的濾波裝置具有良好的諧波補償性能#65377;

3.2 抑制諧振性能分析

HAPF不但具有良好的諧波補償性能，還能對無源支路和系統等效阻抗之間的諧振起到一定的抑制作用#65377;我們仍然利用(4)式所表示的諧波源諧波抑制函數，在三維空間中作出它的幅頻特性，并由此來討論補償裝置抑制諧波諧振的性能#65377;

只投無源部分時，諧波源諧波抑制函數的幅頻特性如圖5(a)所示，圖5(b)給出的是投入有源部分后的幅頻特性#65377;

由圖(5)可以看出，投入有源部分后，無源支路和系統等效阻抗之間的諧振得到了很好的抑制#65377;

圖5 不同值下的幅頻特性[JZ)]

4 HAPF的研制

HAPF的設計主要包括無源支路#65380;有源部分和控制器設計等方面的內容#65377;HAPF無源部分參數設計的主要依據系統需要的無功補償容量和諧波含量的狀況，同時結合成本因素，進行多目標的優化設計，這方面的內容已有相關的文獻作了專門的探討，因此本文將以高壓大容量混合型有源濾波裝置的設計為例，把重點放在有源部分參數設計上#65377;

有源部分的設計主要包括大功率逆變器#65380;逆變器直流側電容電壓和容值#65380;輸出濾波器電感和電容參數的設計#65377;如果這些參數的設計不當，將直接影響APF的濾波性能，嚴重時還將導致APF因過流#65380;過壓而不能正常工作，甚至毀壞#65377;

4.1 逆變器直流側電容的設計

在直流側電容的選取方面，直流側電容的容值越大，電壓波動就越小，但電容器的成本也就越高，同時裝置的體積隨之增大，故在保證電壓波動要求的前提下應盡量減小直流電容的值#65377;直流側電容由三相全橋整流電路供電，為APF提供了一個穩定的直流工作電壓Udc，免去了APF控制器對直流電壓的控制，大大減少了控制算法的復雜度，同時這種結構的直流側電壓Udc不再因APF輸出功率的變化而產生電壓波動，提高了APF輸出的穩定性和準確性#65377;

三相全控橋式電路直流側電壓平均值Ud為:

考慮關斷浪涌沖擊電壓，選取直流電容額定電壓值為800V#65377;直流側電容的容值根據工程設計的經驗^[9]有以下計算公式:

式中IF為逆變器的額定輸出電流方均根值(A)，Ud為直流電壓平均值，fmin為逆變器的最低輸出頻率，σ為允許直流電壓頻率低峰值紋波因數，KΦ為負載位移因數角Φ有關系數#65377;

4.2 輸出濾波器的設計

有源逆變器輸出電壓中除了含有所需的補償電壓外，還含有因功率器件的開斷所帶來的高頻毛刺#65377;因此必須用輸出濾波器將逆變器工作引起的高頻毛刺濾除#65377;

1)輸出濾波器的頻率:一般確定輸出濾波器中電感L和電容C的諧振頻率f0位于中間頻段，使之滿足10f

2)輸出濾波器電感電容的取值:在確定輸出濾波器的諧振頻率后，并不能簡單的按照投資費用最小法設計電容和電感的值，而需要考慮整個系統的網絡阻抗#65377;

忽略電網和負載等阻抗的影響，可以得到上述結構等效到耦合變壓器原邊的單相等效電路，如圖3所示#65377;其中:L′為逆變器輸出電壓，K為耦合變壓器變比#65377;

圖6所示的電路在基波頻率以上只有一個諧振點，其幅頻特性由諧振點向兩邊不斷地減少#65377;所以在設計輸出濾波器和耦合變壓器時，應該把這個諧振點盡可能地設計在需要發出的主要特征諧波的中間，以便在需要發出的特征次諧波點取得較高的幅值系數，從而降低逆變器所需的電壓等級#65377;即:

其中，ωn為理想諧振點的頻率#65377;因此確定Lo和Co的諧振頻率后，由式(7)即可獲得Lo和Co的參數#65377;

5 工程應用

為某礦廠研制的大功率混合型有源電力濾波裝置已經投入運行#65377;該裝置無源部分由和次LC濾波器組成;注入支路的諧振頻率為6次#65377;HAPF的具體參數見附錄#65377;

從圖7的波形圖可以看出，該補償裝置投入運行后，5次#65380;7次#65380;11次及13次特征諧波得到很好的抑制;同時，功率因數從0.55提高到0.91#65377;并且，在投運過程中沒有出現諧振現象#65377;符合無功補償及諧波治理的標準，滿足了工程需要#65377;

6 結 論

本文提出的高壓大容量混合型有源濾波裝置適用于高壓系統，并具有大容量的諧波與無功補償能力#65377;現場運行該套裝置能夠很好的抑制電網諧波，并能補償一定的無功功率，可靠性高，抗干擾能力強，完全滿足現場要求，且具有良好的經濟#65380;社會效益，應用前景廣闊#65377;

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。