混合型有源電力補(bǔ)償技術(shù)分析

扈留強(qiáng)

（煙臺(tái)東源投資有限公司）

0 引言

電力補(bǔ)償是為了解決電力系統(tǒng)中的功率因數(shù)問題。功率因數(shù)是指電力系統(tǒng)中有用功與視在功之比，表示電能的有效利用程度。當(dāng)電力系統(tǒng)中存在大量的感性負(fù)載（如電動(dòng)機(jī)、變壓器等）時(shí)，其功率因數(shù)較低，會(huì)導(dǎo)致電能的浪費(fèi)和損耗，同時(shí)還會(huì)引起電力設(shè)備的過載和能源的浪費(fèi)?？傮w來看，電力補(bǔ)償是為了提高電能利用效率、降低能源消耗、改善電能質(zhì)量和保護(hù)電力設(shè)備的重要措施之一。近年來，單一電力補(bǔ)償技術(shù)在實(shí)踐應(yīng)用時(shí)越發(fā)顯示出局限性，故探索混合型有源電力補(bǔ)償技術(shù)迫在眉睫。

1 混合型有源電力補(bǔ)償技術(shù)簡(jiǎn)析

混合型有源電力補(bǔ)償技術(shù)是一種新型的電力補(bǔ)償技術(shù)，該技術(shù)結(jié)合了有源電力濾波器（APF）和無源電力濾波器（PPF）的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電網(wǎng)中諧波和無功電力的有效補(bǔ)償［1］?；旌闲陀性措娏ρa(bǔ)償設(shè)備主要由有源電力濾波器和無源電力濾波器兩部分構(gòu)成，兩者通過電力電子開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)相互切換，優(yōu)化電網(wǎng)的電力品質(zhì)。特點(diǎn)如下：其一，靈活性?；旌闲陀性措娏ρa(bǔ)償設(shè)備能夠根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際需求，靈活地在有源補(bǔ)償和無源補(bǔ)償之間切換，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)補(bǔ)償效果。其二，效率高。無源電力濾波器在補(bǔ)償大電流諧波和無功電力時(shí)，效率較高，而有源電力濾波器在補(bǔ)償小電流諧波和負(fù)載不平衡時(shí)，效率較高?；旌闲陀性措娏ρa(bǔ)償設(shè)備能夠充分利用兩者的優(yōu)點(diǎn)，提高補(bǔ)償效率。其三，經(jīng)濟(jì)性。相比于單一的有源電力濾波器或者無源電力濾波器，混合型有源電力補(bǔ)償設(shè)備在購置成本和運(yùn)行維護(hù)成本上都有一定的優(yōu)勢(shì)。其四，可靠性?；旌闲陀性措娏ρa(bǔ)償設(shè)備在設(shè)計(jì)上考慮了電力電子設(shè)備的故障容忍性，當(dāng)某一部分設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，其他部分設(shè)備仍能正常工作，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。但需要注意，混合型有源電力補(bǔ)償技術(shù)仍存在一些挑戰(zhàn)，如控制策略的復(fù)雜性、設(shè)備切換時(shí)的協(xié)調(diào)問題等，需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

2 混合型有源電力補(bǔ)償方案——APF與LC電路串聯(lián)補(bǔ)償單相原理簡(jiǎn)析

混合型有源電力補(bǔ)償方案之一是APF （Activе Powеr Filtеr，簡(jiǎn)稱APF，是一種用于消除電力系統(tǒng)中諧波和電壓波動(dòng)的裝置。在電力系統(tǒng)中，非線性負(fù)載（如電子設(shè)備、變頻器等）會(huì)引入諧波，導(dǎo)致電壓波形失真和電網(wǎng)能量損耗［2］。APF通過檢測(cè)電網(wǎng)中的諧波成分，并通過逆變器產(chǎn)生與諧波相位和幅值相反的電流來抵消諧波，從而實(shí)現(xiàn)諧波的消除。APF通常由控制器、逆變器和濾波器組成，可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)不同的諧波進(jìn)行補(bǔ)償，提高電網(wǎng)的質(zhì)量，并減少電能損耗）與LC電路（由一個(gè)電感器（L）和一個(gè)電容器（C）組成的電路。電感器和電容器之間通過電流相互作用，形成一個(gè)振蕩電路。LC電路可以用來產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩信號(hào)，或者用來濾波和調(diào)節(jié)信號(hào)的頻率。在LC電路中，電感器儲(chǔ)存電能，而電容器則儲(chǔ)存電荷。這種電荷和電流的交互作用導(dǎo)致電路中產(chǎn)生周期性的振蕩）串聯(lián)補(bǔ)償單相電源方案。設(shè)置該方案的主要目的是減少電力系統(tǒng)中的諧波和無功功率，從而提高電力質(zhì)量。在這種方案中，APF用于消除負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流，而LC濾波器則用于補(bǔ)償電路的無功功率。具體原理分析如下：

（1）APF的工作原理如下：APF通過實(shí)時(shí)采樣負(fù)荷電流，然后通過處理器計(jì)算出補(bǔ)償電流，并將其注入電網(wǎng)中，從而消除負(fù)荷中的諧波電流。APF的補(bǔ)償電流可以表示為：

式中，I_comp是補(bǔ)償電流，I_load是負(fù)荷電流，I_fundamental是基波電流。

（2）LC濾波器的工作原理如下：在電力系統(tǒng)中，電源、負(fù)荷和線路都可能產(chǎn)生感性或容性無功功率。為了保持電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定，需要對(duì)無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。LC濾波器就是一種無功功率補(bǔ)償裝置，通過在電路中并聯(lián)電感和電容，形成諧振電路，吸收或釋放無功功率，從而實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償。LC濾波器的諧振頻率可以通過以下公式表示：

式中，f_resonance是諧振頻率，L是電感，C是電容。通過這種混合型有源電力補(bǔ)償方案，可以有效減少電力系統(tǒng)中的諧波和無功功率，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和電力質(zhì)量。但這種方案的效果會(huì)受到APF性能、LC濾波器參數(shù)、負(fù)荷特性等多種因素影響，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)和調(diào)試。比如設(shè)定一個(gè)電路的負(fù)載情況如下：在50Hz頻率下產(chǎn)生了100A的基波電流和30A的三次諧波電流，處理目標(biāo)是基于APF與LC串聯(lián)補(bǔ)償方案來消除這個(gè)諧波。根據(jù)上文所述原理，處理可分“兩步走”：其一，APF處理。APF會(huì)測(cè)量負(fù)載電流，然后計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流。代入數(shù)值計(jì)算，負(fù)載電流Ⅰ_loаd是基波電流100A加上三次諧波電流30A，所以I_load=100A+30A=130A。由于想要消除的是三次諧波電流，所以補(bǔ)償電流I_comp就是30A。總體來說，APF需要產(chǎn)生一個(gè)30A的電流，和負(fù)載的三次諧波電流相反，從而相互抵消。其二，LC濾波器處理。對(duì)于LC濾波器，一般需要圍繞電感和電容值進(jìn)行設(shè)計(jì)，目的是令諧振頻率等于想要消除的諧波的頻率。在上述案例中，想要消除的是三次諧波，所以需要讓LC濾波器的諧振頻率等于50Hz*3=150Hz。假設(shè)選擇了一個(gè)10mH的電感器，那么需要計(jì)算出相應(yīng)的電容值。使用上面提到的諧振頻率公式，代入計(jì)算得到：C=1/（4π2f_rеsonаncе2L）=1/（4π2*（150Hz）2*10mH）=1.78μF，即需要一個(gè)1.78μF的電容器。至此階段，便成功設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠消除30A三次諧波電流的APF，以及一個(gè)諧振頻率為150Hz的LC濾波器。通過這個(gè)方案，可以有效地消除這個(gè)負(fù)載產(chǎn)生的諧波，從而提高電力系統(tǒng)的運(yùn)行功率、運(yùn)行質(zhì)量。

3 APF與LC電路串聯(lián)補(bǔ)償與常規(guī)并聯(lián)有源濾波器方案之間的對(duì)比分析

3.1 直流側(cè)電容電壓相關(guān)對(duì)比分析

在多種電力補(bǔ)償方案中，除了上文提到的APF與LC電路串聯(lián)補(bǔ)償方案之外，還有常規(guī)并聯(lián)有源濾波器方案。這兩種補(bǔ)償方案各自具有優(yōu)缺點(diǎn)，故需要進(jìn)行綜合比對(duì)，從而確定不同方案的應(yīng)用場(chǎng)景。為實(shí)現(xiàn)上述目的，首先需要明確的要素集中在兩個(gè)方面：其一，兩種方案在直流側(cè)電容電壓的控制策略上存在差異性；其二，直流側(cè)電容電壓是一個(gè)重要的參數(shù)，決定濾波器的性能和穩(wěn)定性。具體來說：

（1）并聯(lián)有源濾波器（APF）與LC電路串聯(lián)補(bǔ)償。在這種混合型方案中，如上文所述，APF主要負(fù)責(zé)消除諧波電流，而LC電路則負(fù)責(zé)提供無功補(bǔ)償。這種方案的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，由于LC電路在補(bǔ)償無功功率時(shí)不需要消耗直流側(cè)電容的能量，因此可以有效地減小直流側(cè)電容電壓的漲落，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。假設(shè)所設(shè)計(jì)的LC濾波器的電感L是10mH，電容C是1.78μF，那么在150Hz的諧振頻率下，這個(gè)LC濾波器可以吸收的無功功率Q可以通過以下公式計(jì)算：

式中，V是電網(wǎng)電壓，ω是角頻率，f是頻率。假設(shè)負(fù)載電流的基波分量是100A，諧波分量是30A，如果所選擇的電感L為10mH，電容C為1.78uF，電網(wǎng)電壓V為220V。那么，在150Hz的諧振頻率下，LC濾波器可以吸收的無功功率Q的計(jì)算過程如下：Q=(220V)2/(2π 150Hz 10mH)=1.65kV AR。這部分無功功率可以由LC電路提供，因此直流側(cè)電容電壓的變化可以被減小。

（2）常規(guī)的并聯(lián)APF方案。在常規(guī)的并聯(lián)APF方案中，APF不僅要消除諧波電流，還要負(fù)責(zé)提供無功補(bǔ)償。在補(bǔ)償無功功率的過程中，APF需要從直流側(cè)電容中提取或注入能量，這可能會(huì)引起直流側(cè)電容電壓的大幅度漲落，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性［3］。在APF中，直流側(cè)電容電壓的控制通常通過比例積分（PⅠ）控制器實(shí)現(xiàn)。給定一個(gè)參考電壓V_dc_ref，控制器會(huì)計(jì)算出電壓誤差e=V_dc_ref-V_dc，然后通過PⅠ控制器調(diào)整APF的輸出電流，使得直流側(cè)電容電壓接近參考電壓。該控制策略可以表示為：

式中，I_compensate表示APF的補(bǔ)償電流，K_p和K_i分別是PⅠ控制器的比例和積分參數(shù)。沿用上述設(shè)定，由于APF需要消除所有的諧波電流，并且提供1.65kVAR的無功補(bǔ)償，因此直流側(cè)電容電壓的變化會(huì)更大。具體如表1所示。

表1 兩種補(bǔ)償方案下直流側(cè)電容電壓的變化對(duì)比

對(duì)比之下可以發(fā)現(xiàn)，APF與LC電路串聯(lián)補(bǔ)償方案在直流側(cè)電容電壓的控制上更具優(yōu)勢(shì)，這種方案可以減小電壓的漲落，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 與常規(guī)并聯(lián)有源濾波逆變器容量之間的對(duì)比分析

逆變器的容量決定了有源濾波器（APF）能夠補(bǔ)償?shù)淖畲笾C波電流。因此，這同樣是評(píng)估APF性能的一個(gè)重要參數(shù)。

（1）并聯(lián)有源濾波器（APF）與LC電路串聯(lián)補(bǔ)償。根據(jù)這種補(bǔ)償方案的原理可知，APF的逆變器容量可以相對(duì)較小［4］。

（2）常規(guī)的并聯(lián)APF方案。根據(jù)這種補(bǔ)償方案的原理可知，APF的逆變器容量需要更大。

假設(shè)負(fù)載電流的基波分量是100A，諧波分量是30A。在這種情況下，采用并聯(lián)有源濾波器（APF）與LC電路串聯(lián)補(bǔ)償方案時(shí)，APF只需要消除30A的諧波電流，因此其逆變器的容量可以設(shè)計(jì)為30A。而LC電路則可以吸收或釋放無功功率，從而實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償。如果采用常規(guī)的并聯(lián)APF方案，則APF需要消除所有的諧波電流，并且提供無功補(bǔ)償，因此其逆變器的容量可能需要設(shè)計(jì)為130A。具體對(duì)比情況如表2所示。從中可以看到，并聯(lián)APF與LC電路串聯(lián)補(bǔ)償方案可以顯著降低逆變器的容量需求，從而達(dá)到降低設(shè)備成本的目的。

表2 兩種補(bǔ)償方案對(duì)應(yīng)的逆變器容量參數(shù)對(duì)比

如果將“與被補(bǔ)償負(fù)荷容量”設(shè)置為觀察指標(biāo)，則上述兩種方案對(duì)應(yīng)的參數(shù)如表3所示。從中可以看到，并聯(lián)APF與LC電路串聯(lián)補(bǔ)償方案在適應(yīng)更大負(fù)荷容量方面有優(yōu)勢(shì)。造成這種現(xiàn)象的原因恰恰是這種補(bǔ)償方案需要更小的逆變器容量，與上文分析結(jié)果相呼應(yīng)。由此可見，并聯(lián)APF與LC電路串聯(lián)補(bǔ)償方案更具應(yīng)用價(jià)值。

表3 兩種補(bǔ)償方案對(duì)應(yīng)的“與被補(bǔ)償負(fù)荷容量之間關(guān)系”參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)束語

設(shè)置優(yōu)質(zhì)電力補(bǔ)償機(jī)制的目的在于：其一，提高電能質(zhì)量。電力補(bǔ)償可以消除感性負(fù)載對(duì)電網(wǎng)的無功功率需求，減少電網(wǎng)的無功功率流動(dòng)，提高電能質(zhì)量，減少電力系統(tǒng)的電壓波動(dòng)和諧波。其二，降低線路損耗。電力補(bǔ)償可以減少線路中的無功功率流動(dòng)，降低線路損耗，提高輸電效率。其三，提高設(shè)備利用率。電力補(bǔ)償可以減少感性負(fù)載對(duì)電力設(shè)備的過載現(xiàn)象，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，提高設(shè)備的利用率和可靠性。其四，節(jié)約能源。電力補(bǔ)償可以減少電力系統(tǒng)中的無功功率流動(dòng)，減少電能的浪費(fèi)和損耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。相較于傳統(tǒng)電力補(bǔ)償技術(shù)，混合型電力補(bǔ)償技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更加明顯，應(yīng)當(dāng)推廣應(yīng)用。