新型電力有源電力濾波器參數設計及應用

摘 要：混合型有源電力濾波器具有抑制大容量諧波及補償無功功率等特點，濾波效果良好，經濟成本低。文章對于混合型電力濾波器設計了有源和無源部分，提出一種適應于大容量裝置參數的設計方法。

關鍵詞：電力濾波器；混合型；耦合變壓器；電力電子

目前，從電網側消除諧波污染的主要方法是通過電力濾波器，如有源濾波器、無源濾波器和混合型濾波器。有源濾波器由于開關器件容量有限，成本高難以單獨應用到高壓電網中運行。無源濾波器參數受電網阻抗和濾波支路阻抗大小的限制難以滿足濾波要求。混合型電力濾波器彌補了有源和無源各自的缺點，初期投資小，性價比高，是目前高壓大容量系統工程主要采用的形式。文章討論了混合型電力濾波器參數設計方法，經實踐工程應用濾波效果滿足設計要求。

1 設計內容

文章設計的混合型有源濾波器拓撲結構主要由基波串聯諧振電路、耦合變壓器、無源濾波器、并聯電容器和直流電容部分構成。有源部分為采用電壓源型逆變器，直流母線起到穩壓作用，濾波器起到濾除開關導通和關斷狀態產生的高頻諧波作用。經基波串聯諧振電路與耦合變壓器將有源部分接入到電網中，再與多組單協調濾波器構成的無源濾波器器并聯。L1C1構成基波諧振電路，和Cc一起組成無源濾波部分，L1C1諧振電路可以克服有源濾波器容量限制，但是不能有效濾除有源部分產生的高頻諧波。

2 參數設計

2.1 有源濾波器中無源參數設計

2.1.1 單調諧波濾波器

文章設計的單調諧濾波器的組成部分主要是電阻、電感和電容元件，其工作方式是利用諧波使LC發生串聯諧振從而使濾波器的阻抗變得非常小，進而將非線性負載產生的諧波電流引入濾波器。其n次諧波的阻抗為

式中，Z為n次諧波阻抗；R為n次諧波電阻；諧波ws為基波角頻率。

由式（1）明顯可以看出，濾波器對基波的阻抗呈容性，可以向電網提供一定的無功功率。由于濾波器與系統在電網頻率偏差的作用下會在特征頻率上出現并聯諧振，為防止此并聯諧振對濾波器造成損害。相比于特征頻率，在設置單調濾波器的調諧頻率時應考慮將調頻頻率值設置為低于其相對應的特征頻率值。即濾波器諧振設計頻率f<1/2π√LC。

在確定具體需要濾除的諧波次數后，濾波器中的元件電容C 和電感 L的參數值設計需考慮以下幾點：

（1）LC的容量電網中基波電壓和調諧頻率電流會給單調諧波濾波器中的電容和電感帶來沖擊和激勵。電容和電感容量應滿足：

式中，U為基波相電壓；In為n次諧波電流，在實際工程中應適當增大電容電感的容量來計及背景諧波的影響，一般LC容量需增大10%左右。

（2）LC的經濟最小值設電容和電感的單位容量的投資為x和y，則所需投資為

為了使M最小，聯立2式、3式并對電容電感求極值得

2.2 濾波器注入支路的參數設計

利用L1和C1僅承受低基波諧振電壓的特性，可以極大地改善有源部分，降低容量。同時L1、C1和Cc還可根據實際情況組成一條可濾除特定次數的諧波的濾波支路，它們的參數的選擇應考慮到成本因素和無功補償的要求。

優化目標1 總成本最小。即

優化目標2 通過L1、C1支路的分流使支路的電抗比值最小。

將多個優化目標轉換為單優化目標的優點是算法簡單，計算速度快。

2.3 有源部分的參數設計

2.3.1 輸出濾波器

逆變器輸出的頻率波中含有一定量的低頻諧波頻率和高頻毛刺頻率，由于信號放大器的存在，這些頻率會被過度放大而導致電路元件燒毀，為了避有源濾波器燒毀，通常將濾波器中LC諧振頻率f0設置為10f

2.3.2 耦合變壓器

耦合變壓器主要作用是匹配有源部分電壓電流和電氣隔離作用。耦合變壓器需要通過滿足有源濾波器容量為，使功率開關器件的容量得到充分的利用，需要滿足以下關系：

3 結束語

文章設計的混合型有源濾波器提高諧波抑制能力兼顧無功補償要求，并聯型無源濾波器器兼顧補償大容量無功功率和濾除特定諧波的作用，有源濾波器補償無源濾波器難以濾除的高頻諧波部分。該結構的最大優點在于避免了使逆變器主電路采用多重化結構，減少成本提高設備的性價比。

參考文獻

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作者簡介：戚坤基（1981-），男，遼寧大連人，碩士研究生，主要從事混合性有源電力濾波器技術方面的研究。