有源電力濾波器綜述_圖文

1、第38卷2010年8月云 南 電 力 技 術(shù)YUNN AN EL ECT R I C PO WER Vol 138N o 14Aug 12010 收稿日期:2010-06-15有源電力濾波器綜述雷 鵬 劉柱揆 覃日升(云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán)有限公司電力研究院,云南 昆明 650217摘要:文中根據(jù)有源電力濾波器補(bǔ)償系統(tǒng)的功率等級和響應(yīng)速度、根據(jù)主電路的電路結(jié)構(gòu)和連接方式、根據(jù)補(bǔ)償變量三個(gè)方面對有源電力濾波器進(jìn)行分類,并闡述各種有源電力濾波器的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞:有源電力濾波器 電能質(zhì)量 分類中圖分類號(hào):TM5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1006-7345(201004-0043-041 前 言有源

2、電力濾波器(A ctive Po wer F ilter ,APF是改善和提高電能質(zhì)量的有效手段之一,將APF 運(yùn)用于電力系統(tǒng),其補(bǔ)償非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波和無功功率,從而使得電網(wǎng)電流波形保持正弦,有效提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。目前,有很多種方法對APF 進(jìn)行分類,其中,可以根據(jù)補(bǔ)償系統(tǒng)的功率等級和響應(yīng)速度、根據(jù)主電路的電路結(jié)構(gòu)和連接方式、根據(jù)補(bǔ)償變量對APF 進(jìn)行分類。2 AP F 分類方法211 根據(jù)功率等級和響應(yīng)速度分類為了實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的補(bǔ)償功能,補(bǔ)償系統(tǒng)的功率等級和響應(yīng)速度決定了APF 的控制策略。功率等級與響應(yīng)速度之間有著密切的相互聯(lián)系。通常,響應(yīng)速度越快系統(tǒng)花費(fèi)的成本越高,見圖1。圖1 AP

3、F 根據(jù)功率等級和響應(yīng)速度的分類圖21111 低功率等級應(yīng)用功率低于100kVA 的系統(tǒng)屬于低功率等級應(yīng)用,使用范圍主要包括民用住宅、商業(yè)大樓、醫(yī)院、小規(guī)模到中等規(guī)模的工業(yè)負(fù)載和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)通常采用技術(shù)比較復(fù)雜的動(dòng)態(tài)有源濾波器,尤其是多脈沖P WM 電壓源逆變器或電流源逆變器系統(tǒng),其響應(yīng)時(shí)間比較短,系統(tǒng)的補(bǔ)償功率也比較小。1單相有源電力濾波器主要運(yùn)用于低功率等級場合,如:計(jì)算機(jī)負(fù)荷較多的商業(yè)大樓、教學(xué)大樓、小規(guī)模工業(yè)等。對于這些應(yīng)用環(huán)境,由于大量使用單相負(fù)荷,使得中性線諧波電流含量較大,隨著負(fù)荷的變化應(yīng)該提供靈活的補(bǔ)償方式。因而可以直接在分散的諧波電流源處使用小容量有源電力濾波器進(jìn)行補(bǔ)償

4、,而不需要在電源輸入端使用大容量有源電力濾波器。而且,由于單相有源電力濾波器處理容量低,因而工作頻率較高,補(bǔ)償性能較好。2對于三相系統(tǒng)的應(yīng)用場合,根據(jù)三相負(fù)載是否平衡而采用不同的有源電力濾波器電路結(jié)構(gòu)。當(dāng)功率等級相對較低時(shí),如:100kVA ,可以使用三套單相系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償,也可以使用一套三相系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)三相負(fù)荷平衡時(shí),有源電力濾波器不需要平衡三相負(fù)荷的電流或電壓,只需對諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償,可以采用三相逆變器電路結(jié)構(gòu)。當(dāng)三相負(fù)載電流不平衡或三相電源電壓不對稱時(shí),尤其在三相四線制系統(tǒng)或不需要三相橋逆變器的系統(tǒng)中,可以采用三套單相逆變器電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)償。21112 中等功率等級應(yīng)用功率從100kV

5、A 到10MVA 的三相系統(tǒng)屬于中等功率等級應(yīng)用,其范圍包括中等電壓等級和高電壓等級配電網(wǎng)絡(luò)、高電壓大容量驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。對于這些系統(tǒng),其三相不平衡的影響基本可以忽略,因而主要的補(bǔ)償目標(biāo)是減小或消除諧波電流。在432010年第4期云南電力技術(shù)第38卷 高電壓配電網(wǎng)中,由于電壓等級較高以及相關(guān)的高壓絕緣問題,出于系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的考慮,通常不使用APF 補(bǔ)償無功功率,而是采用其他的方法,如:靜止無功補(bǔ)償器、可調(diào)諧濾波器、同步調(diào)相機(jī)等無功補(bǔ)償裝置。21113 高功率等級應(yīng)用 由于高頻工作的功率器件所能處理的功率等級較低,因而制造高功率等級的APF 成本較高。通常,大容量的功率器件只能達(dá)到幾千伏的耐壓,通過

6、功率器件的串并聯(lián)可以提高耐壓等級,但需要增加額外的均壓電路、保護(hù)電路等,實(shí)現(xiàn)較困難,成本高。然而,與低功率等級應(yīng)用情況不同的是,對于功率等級超過10M VA 的高功率等級應(yīng)用場合,如:超高壓直流輸電線路、超大容量直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等,其諧波污染不是主要問題,主要的補(bǔ)償目標(biāo)是補(bǔ)償無功功率。低壓側(cè)產(chǎn)生的諧波由小容量或中等容量的APF 消除,無功功率補(bǔ)償可以使用靜止無功補(bǔ)償器、并聯(lián)同步調(diào)相機(jī)組、采用基于串聯(lián)多電平逆變器單元的靜止無功補(bǔ)償裝置等。系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間在10秒范圍內(nèi),只要采用優(yōu)化的開關(guān)控制策略,接觸器、斷路器都可以正常工作。日本的/子彈列車0(Si n kansen是APF 在高功率等級應(yīng)用的實(shí)例之

7、一,其將幾組APF 并聯(lián)使用,濾波器組的控制策略和濾波器組之間的協(xié)調(diào)機(jī)制非常復(fù)雜。212 根據(jù)主電路的電路結(jié)構(gòu)和連接方式對APF 進(jìn)行分類APF 主電路的電路結(jié)構(gòu)不同,采用的控制策略和適用的功率等級也不同,因而主電路的電路結(jié)構(gòu)決定了APF 的應(yīng)用場合見圖3。 圖2 根據(jù)電路結(jié)構(gòu)和連接方式的分類圖21211 并聯(lián)型APF在工業(yè)應(yīng)用中,大量使用并聯(lián)型APF ,其以并聯(lián)的連接方式接入系統(tǒng),如圖3所示,抑制負(fù)載注入系統(tǒng)的諧波電流,也可以使用并聯(lián)型APF 補(bǔ)償無功功率、平衡負(fù)載的三相電流。其優(yōu)點(diǎn)為:電流負(fù)荷只包括補(bǔ)償電流分量,以及用于補(bǔ)償系統(tǒng)損耗的基波有功電流分量。在補(bǔ)償電流數(shù)值較高的應(yīng)用場合,可以將幾

8、組APF 并聯(lián)使用,適用范圍較廣。圖3 并聯(lián)型AP F 的連接圖并聯(lián)型APF 可以大致分為四種類型,即:橋式逆變器結(jié)構(gòu)、開關(guān)式電容器結(jié)構(gòu)、晶格式濾波器結(jié)構(gòu)和電壓調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)。21212 串聯(lián)型APF串聯(lián)型APF 通過所產(chǎn)生的P WM 電壓波與電源電壓相加減,從而使負(fù)載的電壓波形為正弦波,電路結(jié)構(gòu)如圖4所示,其逆變器采用無電流控制回路的電壓源逆變器。與并聯(lián)型APF 相比,串聯(lián)型APF 的負(fù)荷電流較大,尤其在耦合變壓器的低壓側(cè),從而使得損耗和變壓器體積增大,在工業(yè)應(yīng)用中使用較少。串聯(lián)型APF 主要運(yùn)用于提高供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量,如:消除諧波電壓、平衡負(fù)載的三相電壓,從而為負(fù)載提供正弦的電壓波形,使得對

9、電壓波形畸變較敏感電子設(shè)備能夠正常工作。圖4 串聯(lián)型AP F 的連接圖21213 混合型APF2121311 并聯(lián)型APF 和串聯(lián)型APF 的結(jié)合為了充分發(fā)揮并聯(lián)型APF 和串聯(lián)型APF 各自的優(yōu)勢,可以將二者結(jié)合構(gòu)成混合型APF 系統(tǒng),如圖5所示。但由于其成本高、控制策略較復(fù)雜,不僅要考慮并聯(lián)型APF 的開關(guān)控制模式,還要考慮串聯(lián)型APF 的開關(guān)控制模式。因而,該結(jié)構(gòu)的APF 使用較少,主要運(yùn)用于柔性交流輸電系統(tǒng)(Flexi b le AC Trans m issi o n Syste m,FACTS。 圖5 并聯(lián)型AP F 和串聯(lián)型AP F 的結(jié)合44第38卷有源電力濾波器綜述2010年第

10、4期2121312 串聯(lián)型APF 和并聯(lián)型無源濾波器的結(jié)合 為了簡化上述混合型APF 的控制策略,可以采用串聯(lián)型APF 和并聯(lián)型無源濾波器的結(jié)合方式。該結(jié)構(gòu)中,串聯(lián)型APF 對高頻諧波分量呈現(xiàn)高阻抗,因而由并聯(lián)型無源濾波器為負(fù)載的諧波電流提供通路,如圖6所示。通過該組合方式提高了串聯(lián)型APF 的性能,同時(shí)還擴(kuò)展了其補(bǔ)償功能,不僅可以抑制諧波電流,而且還可以消除諧波電壓。 圖6 串聯(lián)型AP F 和并聯(lián)型無源濾波器的結(jié)合2121313 并聯(lián)型APF 和并聯(lián)型無源濾波器的結(jié)合該結(jié)構(gòu)混合型APF 是APF 和無源濾波器結(jié)合的重要方式,如圖7所示。在設(shè)計(jì)濾波器時(shí),并聯(lián)型APF 只需抑制部分的低次諧波電流

11、,而大量的負(fù)載諧波電流由并聯(lián)型無源濾波器消除,從而可以提高補(bǔ)償系統(tǒng)的容量等級,降低系統(tǒng)成本。但對于該組合方式,功率器件數(shù)量太多,而且無源濾波器始終連接在系統(tǒng)上,因而只適合于單相靜態(tài)諧波負(fù)載。 圖7 并聯(lián)型AP F 和并聯(lián)型無源濾波器的結(jié)合2121314 APF 與并聯(lián)型無源濾波器串聯(lián)APF 與并聯(lián)型無源濾波器串聯(lián)的電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。由于APF 與并聯(lián)型無源濾波器串聯(lián),因而APF 功率器件的電壓應(yīng)力減小,適合中等電壓等級和高電壓等級應(yīng)用。 圖8 AP F 與并聯(lián)型無源濾波器串聯(lián)的結(jié)構(gòu)圖213 根據(jù)補(bǔ)償變量對APF 進(jìn)行分類在電力系統(tǒng)中,安裝APF 是為了減小電力污染、改善電能質(zhì)量等。對于不同的

12、補(bǔ)償對象,可以采用不同的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行描述,因而,可以根據(jù)補(bǔ)償變量對APF 進(jìn)行分類,如圖9所示。圖9 AP F 根據(jù)補(bǔ)償變量的分類圖21311 無功功率補(bǔ)償一方面,許多學(xué)者認(rèn)為不適宜采用APF 對無功功率進(jìn)行補(bǔ)償,但是,在功率因數(shù)校正應(yīng)用場合,通常都需要同時(shí)抑制電流諧波。另一方面,有許多成本較低、響應(yīng)速度慢的無功功率補(bǔ)償裝置可運(yùn)用于功率因數(shù)校正場合,因而,無需使用APF 。如果要采用APF 補(bǔ)償無功功率,也只能運(yùn)用于低功率等級場合,因?yàn)?補(bǔ)償無功功率時(shí),APF 產(chǎn)生的補(bǔ)償電流與負(fù)載電流幅值相當(dāng)。如果不使用其他功率因數(shù)校正裝置,如:晶閘管控制電抗器、晶閘管投切電容器等,而僅僅使用APF 補(bǔ)償無功

13、功率,將增加系統(tǒng)成本,對復(fù)雜設(shè)備形成浪費(fèi)。21312 諧波抑制在電力系統(tǒng)中,諧波抑制是非常重要的問題。通?？梢苑譃閮蓚€(gè)方面:電壓諧波抑制和電流諧波抑制。2131211 電壓諧波抑制供電電源的阻抗通常很小,所以,學(xué)者們很少研究電壓諧波抑制問題。而且,對于終端電力用戶而言,電壓不會(huì)隨著負(fù)荷的增減而變化太大,電壓相位和總諧波畸變率一般都符合相關(guān)的限制標(biāo)準(zhǔn)。但是,對電壓畸變比較敏感的負(fù)載,如:電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置、超導(dǎo)磁性存儲(chǔ)設(shè)備等,其對電壓波形正弦性的要求較高,電壓諧波抑制問題就顯得非常重要。而且,對于在諧波頻率點(diǎn)會(huì)發(fā)生諧振的非線性負(fù)載而言,電壓諧波抑制和電流諧波抑制通常同時(shí)存在,負(fù)載接入點(diǎn)電壓諧波

14、含量的降低,有助于電流諧波含量的降低。2131212 電流諧波抑制在低功率等級和中等功率等級應(yīng)用中,電流452010年第4期云南電力技術(shù)第38卷諧波抑制非常重要,電流諧波抑制的程度與諧波源接入點(diǎn)電壓波形畸變的程度有很大關(guān)系。同時(shí),系統(tǒng)電流幅值的大小和電流波形畸變的程度也是電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù),由于非線性負(fù)載的電流有效值與各次諧波電流有效值的平方和有關(guān),因而為了減小系統(tǒng)的損耗,應(yīng)盡量減小系統(tǒng)總電流的有效值,即:降低系統(tǒng)的電流諧波含量。21313平衡三相系統(tǒng)在低電壓等級和中等電壓等級的配電網(wǎng)中,三相系統(tǒng)的電流和電壓經(jīng)常幅值不相等、空間相位差不等于120b,即:三相系統(tǒng)不平衡。2131311平衡三相系

15、統(tǒng)的電壓系統(tǒng)三相電流不平衡的程度和三相系統(tǒng)電源阻抗的大小,對三相系統(tǒng)不平衡的狀況有很大的影響,這些因素使得系統(tǒng)三相電壓的幅值和空間相位差不相等?？梢愿鶕?jù)正弦的電壓參考信號(hào)波形,在每一相中加入相應(yīng)的瞬時(shí)電壓而平衡三相系統(tǒng)的電壓,其主要適合運(yùn)用于低容量等級的系統(tǒng),因?yàn)橹械热萘康燃壓透呷萘康燃壪到y(tǒng),電源阻抗對系統(tǒng)性能影響較小。2131312平衡三相系統(tǒng)的電流類似于平衡三相系統(tǒng)電壓的情況,平衡三相系統(tǒng)的電流通常也只適合于低容量等級的系統(tǒng)。這是因?yàn)樵诿裼玫蛪汗╇娋W(wǎng)中,三相系統(tǒng)不平衡的程度決定了注入電網(wǎng)的電流大小。為了平衡三相系統(tǒng)的電流,必須提供相應(yīng)數(shù)量等級的補(bǔ)償電流,但是,該類用戶通常都是采用三套單相H

16、橋結(jié)構(gòu)的逆變器構(gòu)成補(bǔ)償系統(tǒng)的主電路,因而補(bǔ)償系統(tǒng)的容量較低。21314綜合補(bǔ)償采用APF不同的組合方式可以提高系統(tǒng)相應(yīng)的性能指標(biāo),以下是幾種常用的綜合補(bǔ)償方式。2131411電流諧波抑制和無功功率補(bǔ)償在電力系統(tǒng)中,為了提高功率因數(shù)和系統(tǒng)的效率,使得電源電流不僅與電源電壓同相位,而且波形正弦,通常采用APF抑制電流諧波和補(bǔ)償無功功率的綜合補(bǔ)償方式。其由一臺(tái)APF承擔(dān)幾項(xiàng)補(bǔ)償任務(wù),與其他補(bǔ)償方式比較,優(yōu)勢明顯,但是考慮到高頻功率器件的功率等級問題,該補(bǔ)償方式主要運(yùn)用于低功率等級場合。2131412電壓諧波抑制和無功功率補(bǔ)償由于抑制電壓諧波通常會(huì)間接的影響無功功率補(bǔ)償,因而很少采用該APF的綜合補(bǔ)償

17、方式。而且,該補(bǔ)償方式只適合運(yùn)用于低功率等級場合。2131413電流諧波抑制和電壓諧波抑制抑制電流諧波和電壓諧波的綜合補(bǔ)償方式可以同時(shí)消除諧波對電源端和負(fù)載端的影響,但考慮到電流諧波抑制和電壓諧波抑制兩方面的因素,只能采用APF的串-并聯(lián)混合連接方式,因而通常只在負(fù)載對諧波比較敏感的應(yīng)用場合使用,如:電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置、超導(dǎo)磁性存儲(chǔ)設(shè)備。2131414電流諧波、電壓諧波抑制和無功功率補(bǔ)償由于該綜合補(bǔ)償方式不僅要抑制電流諧波和電壓諧波,同時(shí)還要補(bǔ)償無功功率,需要采用APF的并-串聯(lián)混合連接方式,其控制策略和電路結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜,工業(yè)應(yīng)用中很少采用。3結(jié)束語提高對電能質(zhì)量的要求是一個(gè)國家工業(yè)生產(chǎn)發(fā)達(dá)、科技水平提高的表現(xiàn),是增強(qiáng)用電效率、節(jié)能降耗、改善環(huán)境、提高國民經(jīng)濟(jì)的總體效益,以及工業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)保證。APF作為改善和提高電能質(zhì)量的有效手段,其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用將更加廣泛。參考文獻(xiàn)1王曉剛.智能控制方法應(yīng)用于APF的綜述與展望J.電網(wǎng)