有源電力濾波器在諧波治理中的應(yīng)用

(福建省電力調(diào)度通信中心，福建 福州350001）

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代電力系統(tǒng)對電能形態(tài)提出了新的要求，即如何以適合于用電負(fù)載的最佳電能形式向用戶提供電壓和電流，從而達(dá)到處理并控制功率流動的目的，即借助電力電子裝置引入功率交換技術(shù)，對功率電子的流動進(jìn)行通斷控制，以滿足用戶對不同頻率、電壓、電流、波形及相數(shù)的要求[1]。然而，電力電子裝置作為供電電源與用電設(shè)備間的非線性接口電路，其在實(shí)現(xiàn)功率控制和處理的同時(shí)，都不可避免的產(chǎn)生非正弦波形，向電力系統(tǒng)注入諧波電流。諧波電流是一個(gè)正弦量，頻率為基波頻率的整數(shù)倍，其對電力系統(tǒng)造成的主要危害如下：產(chǎn)生設(shè)備損耗，增加設(shè)備升溫；惡化絕緣條件，縮短設(shè)備壽命；引起無功補(bǔ)償電容器的容抗變化，甚至造成諧振；引起電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動；對繼電保護(hù)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾和造成誤動作；產(chǎn)生電磁干擾，影響通訊設(shè)備正常工作。鑒于上述情況，人們越來越關(guān)注電力系統(tǒng)中的諧波，并提出了許多治理諧波的方法。傳統(tǒng)的抑制諧波電流的方法是采用由RLC等元件構(gòu)成的無源電力濾波器，其本質(zhì)是頻域處理方法，即將非正弦周期電流分解成傅立葉級數(shù)，對某些諧波進(jìn)行吸收以達(dá)到處理的目的，該方法有不少缺點(diǎn)[2-3]，如只能抑制固定頻率的諧波，同時(shí)也可能造成系統(tǒng)諧振，因此研究者提出利用有源電力濾波器(Active Power Filter，APF）治理諧波。與無源濾波器相比，有源電力濾波器具有高度的可控性與快速相應(yīng)特性，并能跟蹤補(bǔ)償各次諧波，自動產(chǎn)生所需要變化的無功功率，其特性不受系統(tǒng)影響，具有良好的濾波效果。下面，筆者主要探討了有源電力濾波器在治理諧波的應(yīng)用，對其機(jī)理進(jìn)行分析，并根據(jù)PSCAD／EMTDC仿真分析了有源電力濾波器在諧波治理中的效果。

1 APF治理諧波的機(jī)理分析

產(chǎn)生諧波的一個(gè)主要因素是由于非線性負(fù)載的接入[4]，要治理由非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波，從根本上說，應(yīng)該從治理諧波電流入手，通過治理非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流，也就間接地抑制了由諧波電流產(chǎn)生的電源端諧波電壓。

圖1 等效電路

根據(jù)戴維南定理[5]，電源向負(fù)荷供電可以用圖1所示的電路表示(其中為單一頻率的電源，Rs為電源內(nèi)部的等效電阻為電源端電壓為電路中電流）。

1．1 補(bǔ)償思想

從補(bǔ)償?shù)乃枷氤霭l(fā)，要使非線性負(fù)載中的諧波電流不流經(jīng)電源側(cè)，則應(yīng)有一個(gè)諧波電流源為非線性負(fù)載另外提供電流，即電源只向負(fù)載提供基波電流，也就是說非線性負(fù)載中的諧波電流與諧波電流源中電流相抵消，其等效電路如圖2所示。為得到一個(gè)諧波電流源，并向非線性負(fù)載提供所需的的諧波電流，可以利用有源電力濾波器的補(bǔ)償特性，采用并聯(lián)型諧波補(bǔ)償有源電力濾波器實(shí)現(xiàn)諧波電流，其原理如圖3所示。此時(shí)電源端只有基波電壓，沒有諧波電壓，電流只包括基波電流，不含有諧波電流，此時(shí)若電源還向其他負(fù)載供電，則不會因?yàn)殡娫幢旧戆ㄖC波而對接到電源上的負(fù)載產(chǎn)生干擾。

圖2 非線性負(fù)載諧波電流

圖3 并聯(lián)型諧波補(bǔ)償APF

以上是對并聯(lián)型有源電力濾波器的機(jī)理分析，對于串聯(lián)型有源電力濾波器而言，由于其不能提供補(bǔ)償所需的諧波電流，故不能用于非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流的補(bǔ)償。若用串聯(lián)型有源電力濾波器取補(bǔ)償電源端的諧波電壓，雖然非線性負(fù)載端不存在諧波電壓，但電源中的諧波電流依然存在，電源側(cè)的電壓依然有諧波，因此同樣會對接在電源上的其他負(fù)載產(chǎn)生干擾。因此，試圖用串連型諧波補(bǔ)償有源電力濾波器補(bǔ)償非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流的方法行不通，應(yīng)采用并聯(lián)型諧波補(bǔ)償有源電力濾波器。

1．2 濾波思想

若非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流不流過電源，即濾去電源電路的諧波電流，可以有如下2種思路：①在電源與非線性負(fù)載間串連一阻抗，該阻抗應(yīng)對諧波電流呈現(xiàn)高阻抗，而對基波電流呈現(xiàn)低阻抗或零阻抗；②在電源與非線性負(fù)載間并聯(lián)一阻抗，該阻抗應(yīng)對諧波電流呈現(xiàn)低阻抗或零阻抗，而對基波電流呈現(xiàn)高阻抗。

混合濾波器的等效電路圖如圖4所示。圖中Zh對諧波電流呈現(xiàn)高阻抗，對基波電流呈現(xiàn)低阻抗或零阻抗；Zb對諧波電流呈現(xiàn)低阻抗或零阻抗，對基波電流呈現(xiàn)高阻抗。此時(shí)諧波電流不流經(jīng)Zh和電源，基波電流不流經(jīng)Zb。由等效電路可知，電源中沒有諧波電流，電源端只有基波成分，不含有諧波成分，非線性負(fù)載上的電壓只有基波成分，但流過非線性負(fù)載的電流中有諧波成分。Zb與Zh可以分別用無源濾波器與有源電力濾波器的濾波特性實(shí)現(xiàn)，其中Zb可以用RLC的串并聯(lián)組合實(shí)現(xiàn)，Zh可以用APF的濾波特性實(shí)現(xiàn)(見圖5）。

圖4 混合濾波器等效電路圖

圖5 混合濾波器實(shí)現(xiàn)框圖

2 基于PSCAD／EMTDC的仿真

在PSCAD／EMTDC中進(jìn)行仿真，非線性負(fù)載為6脈動的整流橋，采用基于補(bǔ)償思想的并聯(lián)型諧波補(bǔ)償有源電力濾波器進(jìn)行諧波治理，其波形如圖6～圖8所示。

對于三相整流電路，在整流側(cè)的交流系統(tǒng)存在的特征諧波為6k±1次，即5、7、11、13次等，補(bǔ)償前電源側(cè)5次諧波的占有率的測量值為1．255%，7次諧波的占有率的測量值為0．463%(見圖6）；補(bǔ)償后電源側(cè)5次諧波的占有率為0．217%，7次諧波占有率為0．079%(見圖7）。因此，經(jīng)過APF補(bǔ)償后，電源側(cè)電流的波形得到了很大的改善，特征電流諧波占有率明顯下降，從而使電源側(cè)電流更接近于正弦波，也使得電源側(cè)的端電壓基本上只含有基波成分。需要指出的是，在補(bǔ)償后雖然負(fù)荷上的電壓接近正弦波，但非線性負(fù)荷的電流仍包含諧波(見圖8）。

圖6 補(bǔ)償前電源側(cè)a相電流

圖7 補(bǔ)償后電源側(cè)a相電流

圖8 負(fù)荷側(cè)a相補(bǔ)償電流

[1]肖湘寧．電能質(zhì)量分析與控制 [M]．北京：中國電力出版社，2004．

[2]張加恒．電能質(zhì)量中的諧波監(jiān)測與治理 [J]．通訊世界，2004，10（7）：97-98．

[3]王金星，王慶平，賈長朱，等．Matlab在有源電力濾波器仿真設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 [J]．電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào)，2001，13（4）：43-46．

[4]李承，鄒云屏．有源電力濾波器抑制諧波的機(jī)理分析 [J]．電力系統(tǒng)自動化，2003，27（2）：31-34．

[5]邱關(guān)源．電路 [M]．北京：高等教育出版社，1999．