電網(wǎng)諧波與無(wú)功功率有源補(bǔ)償技術(shù)的進(jìn)展

1、電網(wǎng)諧波與無(wú)功功率有源補(bǔ)償技術(shù)的進(jìn)展肖湘寧徐永?！菊繌碾娋W(wǎng)諧波與無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)墓こ虒?shí)際問(wèn)題出發(fā)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外有源補(bǔ)償技術(shù)的最新發(fā)展，介紹了無(wú)源電力濾波器以及低頻電壓源逆變器等分別與并聯(lián)有源電力濾波器混合構(gòu)成的補(bǔ)償系統(tǒng)，并對(duì)其特性進(jìn)行了分析和比較?！娟P(guān)鍵詞】諧波無(wú)功功率逆變器有源濾波器Advance of Active Compensation Techniques for Harmonics and Reactive Power in Power Systems AbstractIn view of the practical application of harmonics suppres

2、sion and reactive power compensation in power systems and the new trends of active compensation techniques , different topologies comprised by high switching frequency inverters and passive filters or low switching frequency inverters are described. The performances of the hybrid compensators are su

3、bsequently analyzed and compared.Key wordsharmonicsreactive powerinverteractive power filter0引言采用電力電子裝置可靈活方便地變換電路形態(tài)，為用戶提供高效使用電能的手段。但是，電力電子裝置的廣泛應(yīng)用使電網(wǎng)的諧波污染和低功率因數(shù)問(wèn)題日益嚴(yán)重，影響了供電的質(zhì)量。因此，對(duì)電網(wǎng)諧波采取有效抑制并對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償已成為重要的研究方向1，2。低成本的無(wú)源濾波器是目前普遍采用的補(bǔ)償方法，但其濾波效果與系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)密切相關(guān)，在特定情況下無(wú)源濾波器還可能與系統(tǒng)發(fā)生諧振，并且因電容器組無(wú)功功率補(bǔ)償能力與公共連接點(diǎn)電壓

4、的平方成正比關(guān)系，補(bǔ)償效果適得其反。80年代以來(lái)，利用功率開關(guān)的有源電力濾波器(APF)的研究越來(lái)越引起人們的關(guān)注。以與補(bǔ)償對(duì)象的連接方式分類，APF可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型。串聯(lián)型APF構(gòu)成的系統(tǒng)具有有源裝置容量小、運(yùn)行效率高以及對(duì)諧波電壓源類型的負(fù)荷有較好補(bǔ)償特性等優(yōu)點(diǎn)，但卻存在絕緣強(qiáng)度高、難以適應(yīng)線路故障條件以及不能進(jìn)行無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)热秉c(diǎn)，因此，其工程實(shí)用性受到限制3。并聯(lián)型APF能對(duì)諧波和無(wú)功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，其補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，是一種較好的補(bǔ)償裝置。但是，并聯(lián)型APF由于有源裝置容量相對(duì)較大，存在初期投資大、運(yùn)行效率低的缺點(diǎn)。因此，在研究APF多功能化的同時(shí)，人們也致力于使

5、有源裝置容量降低的混合補(bǔ)償方案研究312。顯然，將APF與無(wú)源濾波器并聯(lián)使用，合理分擔(dān)補(bǔ)償需求，可使APF容量減小。但由于并聯(lián)無(wú)源濾波器的影響，負(fù)荷的等效諧波阻抗將減小，當(dāng)其不滿足遠(yuǎn)大于電網(wǎng)的諧波阻抗條件時(shí)，APF的補(bǔ)償特性將受電網(wǎng)阻抗的影響，而且APF的諧波補(bǔ)償電流還可能注入無(wú)源濾波器中。采用這種方案時(shí)需對(duì)APF和無(wú)源濾波器的設(shè)計(jì)進(jìn)行特殊考慮3，4。并聯(lián)型APF容量的降低可從有源裝置承受的電壓與其輸出電流2個(gè)方面考慮。混合型補(bǔ)償方案的基本原理就是將常規(guī)型APF上承受的基波電壓移去，使有源裝置只承受諧波電壓，從而可顯著降低有源裝置的容量59。電路注入方式的APF方案也可以有效地降低有源裝置承受

6、的電壓12。從減小電流角度考慮，可采用GTO等大容量器件構(gòu)成的低頻逆變器和IGBT等高頻器件構(gòu)成的逆變器共用方案，以充分發(fā)揮不同器件的特點(diǎn)10，11。也可同時(shí)從以上2方面考慮，采用只承受諧波電壓和只輸出諧波電流的雙逆變器方案。1APF和L-C電路的串聯(lián)混合補(bǔ)償這種方式的單相簡(jiǎn)化等值電路如圖1所示，其中L-C電路由無(wú)源元件組成。圖2給出了幾種主要的類型：圖2(a)為串聯(lián)L-C，圖2(b)為多組濾波器，圖2(c)為C型濾波器。圖2(b)、(c)中的Li為APF逆變器輸出電感。圖1APF與L-C串聯(lián)補(bǔ)償單相簡(jiǎn)化等值電路圖2幾種主要型式的L-C電路設(shè)下標(biāo)1、h分別表示基波與h次諧波分量，Zf為L(zhǎng)-C電

7、路阻抗，vf為APF逆變器電壓。APF逆變器容量的降低可通過(guò)對(duì)APF輸出電流的控制實(shí)現(xiàn)，令：則公共連接點(diǎn)基波電壓全部降落在L-C電路上，使得APF逆變器基波電壓為零，即：vf10(2)為阻止負(fù)荷中的諧波電流注入系統(tǒng)，可使ifhilh(3)因此：vfhZfhilh(4)由式(1)(4)可知，APF逆變器輸出電流和承受電壓分別為：對(duì)于直接與系統(tǒng)相連的APF，其逆變器除承受諧波電壓外，還需承受系統(tǒng)的基波電壓，因此APF的容量較大。而將APF與L-C電路串聯(lián)后，逆變器只承受諧波電壓，容量可被減小。L-C電路的特性將影響APF逆變器的容量。由式(5)可知，Zf1增大時(shí)，流經(jīng)APF的基波補(bǔ)償電流會(huì)減小，但

8、Zf1的大小主要取決于濾波器無(wú)功功率補(bǔ)償容量的大小，只能折衷取值。由式(6)可知，Zfh較小時(shí)vf較小，因此應(yīng)盡量減小Zfh的取值。圖2(a)所示為結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的L-C電路5，但這種電路在高次諧波時(shí)的Zfh較大，使APF逆變器所承受的諧波電壓較高。為此，可采用多組無(wú)源濾波器的方法6，8，9，如對(duì)典型的6脈動(dòng)整流器負(fù)荷，L-C電路可采用5、7次單調(diào)諧濾波器和高通濾波器，如圖2(b)所示。在這種情況下，低次和高次諧波時(shí)都對(duì)應(yīng)有較小的Zfh，通過(guò)對(duì)無(wú)源濾波器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可明顯地減小APF的逆變器容量8。這種方案的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需針對(duì)特征諧波選取L-C電路的調(diào)諧頻率，不適于非特征諧波源補(bǔ)償。圖2

9、(c)所示為只采用一組“C”型高通濾波器的L-C電路7，“C”型濾波器的基波損耗近似為零，同時(shí)又具有較好的高通特性，其截止頻次較低。如對(duì)主要頻次為5次以上的諧波源，可選取截止頻率為200 Hz。由于濾波器的高通特性，高于截止頻率的Zfh仍較小。另外，與圖2(b)相比，這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。圖1中的L-C電路決定了APF的無(wú)功功率補(bǔ)償能力，其補(bǔ)償特性與無(wú)源濾波器相同。為滿足可能的動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償，可增加APF的基波補(bǔ)償電流，此時(shí)，vf1不再等于零9。2注入式補(bǔ)償電路注入式并聯(lián)APF將電感和電容作為逆變器的注入電路，利用電感和電容的諧振特性，使APF不承受或只承受較小的基波電壓，從而減小逆變器容量、縮

10、小體積、降低成本2，12。在圖3所示電路中，選擇L2、C2使其在基波頻率時(shí)滿足下列關(guān)系：即L2、C2產(chǎn)生基頻串聯(lián)諧振。因此系統(tǒng)電壓由C1承擔(dān)，理想情況下，APF只承受諧波電壓。同樣，在圖4中，通過(guò)選擇L1、C1使其在基波頻率時(shí)產(chǎn)生并聯(lián)諧振，也可大大降低加在L2兩端即APF上的系統(tǒng)基波電壓。以上兩種基本注入補(bǔ)償方式相比，圖3補(bǔ)償電路可進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償，圖4補(bǔ)償電路則不具有無(wú)功功率補(bǔ)償能力，只能進(jìn)行諧波的補(bǔ)償。圖3LC串聯(lián)諧振圖4L-C并聯(lián)諧振3采用兩類逆變器的補(bǔ)償系統(tǒng)諧波補(bǔ)償要求快速的響應(yīng)特性，采用IGBT等高頻器件構(gòu)成的逆變器較為合適，但高頻逆變器功耗大，單個(gè)器件容量小，補(bǔ)償大容量的無(wú)功功率勢(shì)

11、必造成成本高、運(yùn)行效率低。而較低頻率的器件如GTO等，單個(gè)器件容量大，較易構(gòu)成大容量補(bǔ)償裝置，且低的開關(guān)頻率可使損耗降低。因此，在需諧波和無(wú)功功率綜合補(bǔ)償時(shí)，可將兩者結(jié)合起來(lái)，以充分發(fā)揮不同器件所長(zhǎng)。3.1諧波與無(wú)功功率的解耦補(bǔ)償圖5所示的補(bǔ)償系統(tǒng)由一個(gè)多重化逆變器和一個(gè)PWM逆變器組成10。多重化逆變器用于基波無(wú)功功率的補(bǔ)償，可用若干個(gè)6脈動(dòng)逆變器組成，以得到較好的輸出波形，提高裝置容量，滿足大容量無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)男枨?。?dāng)輸出電壓與公共連接點(diǎn)電壓同步同相位，并且輸出電壓q高于公共連接點(diǎn)電壓pcc時(shí)，多重化逆變器輸出超前的補(bǔ)償電流；q低于pcc時(shí)，多重逆變器輸出滯后的無(wú)功電流。通過(guò)對(duì)電壓相角差的

12、控制可調(diào)節(jié)電容電壓、逆變器輸出電壓和補(bǔ)償無(wú)功功率的大小。圖5并聯(lián)解耦補(bǔ)償器電路及基波相量PWM逆變器僅用于補(bǔ)償負(fù)荷中的諧波電流和多重化逆變器產(chǎn)生的諧波電流。Lq上的電壓為vpcc和vq的差值，一般情況下該電壓較小，PWM逆變器所承受的電壓也較小。這樣，可顯著降低PWM逆變器的容量，并減小開關(guān)損耗。但是，這種補(bǔ)償方式一般需采用3個(gè)單相的PWM逆變器和1個(gè)多重化逆變器，增加了裝置的復(fù)雜性。3.2雙PWM逆變器方式采用雙PWM電壓源逆變器進(jìn)行諧波和無(wú)功功率補(bǔ)償，可顯著改善有源濾波器的補(bǔ)償性能。在圖6中，1號(hào)逆變器補(bǔ)償基波無(wú)功功率和負(fù)荷中的低頻諧波分量，2號(hào)逆變器僅補(bǔ)償負(fù)荷中的高頻諧波分量11 。圖6

13、采用雙PWM逆變器的有源補(bǔ)償系統(tǒng)該方式與以往所提出的采用多個(gè)PWM逆變器并聯(lián)補(bǔ)償方式存在以下區(qū)別：PWM逆變器工作于不同的開關(guān)頻率，可對(duì)負(fù)荷中的特定諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償 ，其1號(hào)逆變器的開關(guān)、運(yùn)行頻率較低、補(bǔ)償電流較大，可由通流能力較大的GTO構(gòu)成，用于補(bǔ)償負(fù)荷的基波無(wú)功功率和低頻次諧波電流；2號(hào)逆變器開關(guān)、運(yùn)行頻率較高、補(bǔ)償電流較小，可由BJT或IGBT構(gòu)成，用于補(bǔ)償高頻次諧波電流；另外，2號(hào)逆變器可補(bǔ)償1號(hào)逆變器所不能補(bǔ)償?shù)乃兄C波電流，使有源濾波器補(bǔ)償性能得到極大改善。但這種方式存在一個(gè)問(wèn)題2號(hào)逆變器仍需承受系統(tǒng)的基波電壓，其開關(guān)的電壓額定值較高。3.3并聯(lián)諧振型補(bǔ)償方式該系統(tǒng)的組成如圖7所

14、示。由低開關(guān)頻率的大容量GTO構(gòu)成的1號(hào)逆變器用于補(bǔ)償負(fù)荷所需的基波無(wú)功功率，由IGBT構(gòu)成的2號(hào)逆變器用于補(bǔ)償負(fù)荷中的諧波電流。通過(guò)合適地選擇與2號(hào)逆變器相連的并聯(lián)回路中L、C的參數(shù)，使其產(chǎn)生基頻并聯(lián)諧振，可使2號(hào)逆變器只承受諧波電壓，同時(shí)2號(hào)逆變器的補(bǔ)償電流僅為負(fù)荷中的諧波分量電流，這就使得2號(hào)逆變器的容量最大程度得到降低，從而降低裝置成本，減小損耗，并可避免或減少大容量補(bǔ)償時(shí)開關(guān)元件串并聯(lián)所引起的問(wèn)題。以上2個(gè)并聯(lián)逆變器對(duì)諧波和無(wú)功功率分別進(jìn)行補(bǔ)償，因此根據(jù)實(shí)際需要也可單獨(dú)采用帶并聯(lián)諧振回路的逆變器補(bǔ)償諧波。圖7諧振型補(bǔ)償方式4結(jié)論根據(jù)不同情況可采取不同方式的諧波和無(wú)功功率補(bǔ)償。在各種形

15、式的混合型補(bǔ)償系統(tǒng)中，進(jìn)行高次諧波補(bǔ)償?shù)哪孀兤髟诰哂休^好補(bǔ)償性能的同時(shí)，其容量可得到不同程度的降低?？梢灶A(yù)料，性能價(jià)格比較高的混合補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展，必將推進(jìn)有源濾波的廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)諧波和無(wú)功功率的有效補(bǔ)償，極大地改善系統(tǒng)的電能質(zhì)量。作者單位：華北電力大學(xué)(北京 100085)參考文獻(xiàn)1肖湘寧，徐永海.電力系統(tǒng)諧波及其綜合治理.中國(guó)電力，1998，31(4)2王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子裝置諧波抑制及無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的進(jìn)展.電力電子技術(shù)，1997，23F Z Peng,J S Lai.Application Considerations and Compensation Characteristic

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