新型串聯諧振注入式混合型有源電力濾波器的研究

摘 要：本文提出了一種適用于中高壓電力系統的新型注入式混合型有源電力濾波器（IHAPF）的拓撲結構，并建立串聯諧振注入式混合型有源電力濾波器的簡化電氣模型，通過串聯諧振支路諧波分壓和諧波分流兩個方面分析了該結構的優越性。最后，仿真結果驗證了理論分析的正確性。

關鍵詞：混合型有源電力濾波器（HAPF）；電壓等級；諧波抑制以及無功補償；無源濾波器的可靠性

中圖分類號：TN713.8 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2015） 02-0000-02

隨著大量非線性負荷在工業中的廣泛應用，電能質量變得越來越重要。電能質量最常見的問題就是諧波污染。諧波通常是由應用于國內工業的非線性負載的使用造成的[1-2]。

由于低成本和結構簡單，無源濾波器是傳統的用來抑制諧波電流和無功補償的主要方式。然而，無緣電力濾波器有好多缺點，例如：型號太大，負載阻抗間的串并聯諧振。有源濾波器（APF）比無源濾波器有明顯的優點。他們能更有效的抑制諧波和提高電能質量?；旌闲陀性措娏V波器[3-7]，由于有效克服了開關器件容量和成本等方面的限制，能夠很好地滿足高壓大功率系統諧波治理和無功補償的要求，同時兼顧了無源濾波器和有源濾波器兩者的長處，具有較高的性價比。

本文提出了一種串聯諧振注入式混合型有源電力濾波器（SRIHAPF）的拓撲結構，如圖1所示，該結構通過一組單調諧濾波支路代替注入式結構的濾波電容能夠很好的抑制諧波電流和補償無功功率，從而避免了電網諧波電壓的放大現象?；趥鹘y的混合型有源濾波器的拓撲結構，新型的拓撲結構在諧波電流源控制的APF兩端并聯了一個小電感諧振電路，該部分對諧波呈現低阻抗特性，有利于諧波電流的注入。由于新的拓撲結構中的無源濾波器的優化設計，APF不必承受基波電壓。因此APF的功率等級得到了有效的降低。

一、注入式結構的電氣模型及濾波原理

圖1所示的串聯諧振注入式混合型有源電力濾波器與傳統的注入式結構相比[8]，具有更高的諧波電流注入能力，并且當電網諧波電壓較高時仍能夠安全穩定地工作。為便于理論分析，本文建立了注入式混合型有源電力濾波器的統一電氣模型，并從串聯諧振支路諧波分壓的角度探討了新型結構的優越性。

（一）注入式結構的電氣模型

在注入式結構的混合型有源電力濾波器中：假設電源諧波電壓為USh；電網阻抗為ZSh；將負載看成諧波電流源ILh；而有源部分被控制為一個理想的諧波電壓源U1。則從帶有注入式結構的混合型有源電力濾波器的諧波域單相電氣模型可以知道，其中ISh、ILh、IPh、ICh、IRh和IGh分別為電網支路、負載支路、并聯無源支路、有源支路、基波串聯諧振電路和注入支路的電流，ZSh、ZPh、ZGh、ZRh分別為電網阻抗、無源部分阻抗、有源注入支路等效阻抗和基波串聯諧振電路阻抗。

（二）基波諧振支路諧波分壓的分析

基波諧振支路的諧波分壓主要來源于兩個方面，一方面是電網諧波電壓在基波諧振支路的分壓，另一個方面是由于注入支路調諧頻率附近的諧波電壓被嚴重放大，造成基波諧振支路諧波含量急劇增加

在基波頻率處由于L1調諧在低頻段和固定值，大量的基波無功功率流經電感L1而不通過APF。因此APF承受的基波電壓得到了有效的降低，APF的電壓等級也得到了很好的改善。

Z1<

諧波注入部分為諧振電路，由于電感的存在，提高了注入電容值，降低了基波諧振支路的諧波分壓值，還可以有效避免電網低頻諧波電壓的放大現象，而且還不會產生諧波環流，大大降低了基波諧振支路的諧波分壓。

二、仿真結果

為驗證本文所提出的SRIHAPF結構的諧波處理及無功補償的有效性，按照上述結構和原理，利用Matlab/Simulink進行仿真。對于在特定條件下的低功率因數和5次、7次、11次、13次諧波在10KV網絡中，模擬仿真所使用的拓撲結構在圖1中顯示出來的。兩組無源濾波器在250-350HZ內調整，仿真條件是在線電壓Ush=10KV，50hz，5、7、11、13為主要的諧波電流。

（a）未投濾波裝置的電網電流波形 （b）投入濾波裝置后的電網電流波形

從上圖中可以看出，SRIHAPF投入前，電網5次和7次諧波電流污染嚴重，并且電網無功不足。SRIHAPF投入運行后，電網諧波含量明顯降低，電網諧波得到有效的治理。

三、結束語

本文提出了一種適用于中高壓電力系統的新型并聯混合型有源濾波器的拓撲結構，與傳統的混合型有源濾波器相比，SRIHAPF的諧波注入能力具有更大的優越性，從而確保了系統在諧波含量較大時仍能安全穩定的運行。通過分析可知，SRIHAPF對電網等效阻抗與無緣支路間可能的諧振具有良好的抑制效果，仿真結果驗證了該系統的可行性及本文分析的正確性。

參考文獻：

[1]IEEE Working group on Power System Harmonics，\"Power SystemHarmonics：An Overview\"，IEEE-Trans on power apparatus，Vol.Pas102，No.8，Aug，1983：2455-2460.

[2]IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Controlin Electrical Power Systems，IEEE Standard，1993：519-1992.

[3]王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制與無功補償[M].北京：機械工業出版社，1998.

[4]陳國柱，呂征宇，錢照明.有源電力濾波器的一般原理及應用[J].中國電機工程學報，2000（09）：17-21.

[5]張明，孫輝，鄒積巖.新型并聯混合式電能質量調節器的研究[J].電力電子技術，2004（06）：8-10.

[6]譚甜源，羅安，唐欣.大功率并聯混合型有源電力濾波器的研制[J].中國電機工程學報，2004（03）：41-45.

[7]劉飛，鄒云屏，李輝.一種用于高壓混合有源電力濾波器的復合控制方法[J].電力系統自動化，2004（21）：58-61.

[8]陸秀令，周臘吾，張松華.注入型有源電力濾波器控制策略的研究與仿真[J].系統仿真學報，2007（19）：4509-4512.

[9]涂春鳴，盤宏斌，帥智康.諧振阻抗型混合有源濾波器輸出電流相移的分頻預估補償[J].電工技術學報，2008（10）：114-120.

[10]郭偉峰，武健，徐殿國.新型滑?？刂频牟⒙摶旌嫌性措娏V波器[J].中國電機工程學報，2009（27）：29-35.

[作者簡介]閆勇劍（1988.08-），男，河北元氏人，碩士在讀，現為河北工業大學研究生。