有源电力滤波器的设计

【摘 要】有源电力滤波器（ActivePowerFilter）是目前研究比较深入的一种装置,它是一种用于动态补偿,既可抑制谐波,又可以补偿无功的新型电力电子装置,它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿,其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点.

【关 键 词】有源电力滤波器；谐波；补偿；PWM变流器

随着科学技术的发展,大量的电力电子装置广泛的应用于工业的各个领域,给工业带来了翻天覆地的变化,但大量电力电子装置的广泛应用,同时也给电力系统这个环境带来了严重的“污染”,其根本原因就是电力电子装置是非线性负荷,在系统中运行会产生谐波,造成十分严重的危害.治理谐波污染已成为当今电工科学技术界所必须解决的问题,开发和研制高性能的谐波抑制装置迫在眉睫.

有源电力滤波器（ActivePowerFilter）是目前研究比较深入的一种装置,它是一种用于动态补偿,既可抑制谐波,又可以补偿无功的新型电力电子装置,它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿,其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点.

1.有源电力滤波器的基本原理

1）机理：通过一定的控制算法使有源电力滤波器发出与谐波源所产生的谐波的幅值相等,相位恰好相反的量,抵消谐波源中的谐波成分,使其剩下基波成分,其本质就是一个谐波源.

2）基本原理：最基本的有源电力滤波器系统构成图如图1[4]：

图1中表示交流电源,负载为谐波源,它产生谐波并消耗无功.有源电力滤波器系统大体上由两大部分组成,即指令电流运算电路和补偿电流发生电路.其中指令运算电路的核心部分就是谐波和无功电流检测电路,其主要作用就是检测出需要补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量；补偿电流发生电路由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分组成.其作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号,产生实际的补偿电流,主电路多为桥式PWM变流器[1].

图1并列型有源滤波器系统构成说明图

2.有源电力滤波器的基本特点

1）动态补偿,可对频率和大小都变化的谐波进行补偿,动态响应快.

2）补偿谐波时所需储能元件容量较小.

3）即使补偿对象电流过大,APF也不会发生过载,并能正常发挥补偿作用.

4）受电网阻抗的影响不大,不易和电网阻抗发生谐振.

5）能跟踪电网频率的变化,补偿性能不受电网频率变化的影响.

6）对较高次谐波滤除困难,需要与无源高通滤波器配合.

3.有源电力滤波器的设计

有源电力滤波器的设计大致可分为五个部分：

1）主电路设计

2）指令电流运算

3）电流跟踪控制

4）直流电压的控制

5）APF的控制方式

（1）主电路

作为主电路的PWM变流器,在产生补偿电流时,主要作为逆变器工作,因此可称为逆变器.但它不仅仅是单独作为逆变器而工作的,当在电网向有源电力滤波器直流侧储能元件充电时,它就作为整流器工作,即它既可以工作在逆变状态,也可工作在整流状态,所以多以变流器称之[5].

在应用中主电路多以三相桥式变流器为主,三相桥式变流器又可分为电压型和电流型两种.而电压型应用较为广泛.随着电力电子器件技术和控制技术的发展,先进的功率器件的应用给主电路性能带来了很大变化.

常用的PWM变流器多为电压型变流器,单个电压型PWM变流器基本拓扑结构如下图所示：

图2单个电压型PWM变流器

基本拓扑结构图

其中VT1～VT6表示电力电子功率器件,Udc表示直流侧电压.电压型PWM变流器的基本特点是：

1）直流侧为电压源或并联有大电容,在正常工作时,其电压基本保持不变,可看作电压源.

2）对电压型PWM变流器,为保持直流侧电压不变,需要对直流侧电压进行控制.

3）电压型PWM变流器的交流侧输出电压为PWM波.

控制各个开关器件轮流导通和关断,同时使另一个器件导通,就实现了两个器件之间的换流,电路的环流方式分为180度导通型和120度导通型.

所谓180度导通型是指同一桥臂上、下两管之间互相换流.而120度道通型是指在同一排不同桥臂的左、右两管之间进行的.但180度导通型应该注意防止上、下桥臂的直通.

本设计中,主电路形式选择为电压型PWM型变流器,功率器件选择为IGBT,直流侧电压选择：一般选择为直流电压的大小等于交流线电压峰值的1.5倍.对于380V等级系统,直流侧电压为选择为800V.APF的容量为：

其中E为电网相电压有效值,Ic为补偿电流的有效值.该设计中给出的数据额定线电压为380V,容量为10KVA则可以计算出额定电流

.

连接电感的选择：可按下式近似取值：

其中为补偿电流指令信号的最大值.为载波周期,取为10KHz,括号里面的值取0.35,结合计算出来的计算得额定电流值,带入上面公式计算得L等于0.0067H.

（2）指令电流运算部分

实质上就是谐波电流检测部分,谐波检测的方法很多,早期的模拟法,到后来的傅里叶分析法,还有人工神经网络法,瞬时无功功率理论等,但应用较为广泛的还是瞬时无功功率理论,该理论的产生为有源电力滤波器的发展注入了新鲜的活力.

现在依旧采用瞬时无功功率理论来检测谐波电流.基于瞬时无功功率理论的检测方法中的-变换法的检测框图如下图3：

（3）电流跟踪控制部分

该部分作用是：根据补偿电流指令信号和实际补偿电流之间的差别,得出控制补偿电流发生电路中主电路各个器件通断的PWM信号,控制的结果应保证补偿电流跟踪其指令信号的变化——电流型功率放大器.

目前应用较为广泛的跟踪型PWM控制方式有以下三种方式：滞环比较方式、定周期瞬时值比较方式和三角波比较方式.

这里还是选择比较常用的三角波比较方式.其基本控制框图如图4：

图4控制系统结构图

其中K多为PI调节器,其参数直接影响着逆变电路的电流跟踪特性.三角波比较方式的基本特点是：

1)硬件电路较为复杂；

2)比例调节控制方式,电流响应稍慢；

3)跟踪误差较大；

4)功率器件的开关频率等于载波频率；

5)输出电流所含谐波少.

（4）直流电压控制

基本思想：通过控制APF与交流电源的能量交换来调节直流电压.

（5）APF控制方式

基本方式包括检测电源侧电流和检测负载侧电流,还有两者结合的混合型控制方式.这里采用检测电源侧电流控制方式.其基本的控制框图如图5[3,4]：

图5检测电源侧电流控制方式原理图

4.结束语

有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功功率的新型电力电子装置,能对大小和频率都变化的谐波及无功功率进行补偿.和传统的无源滤波器相比,有突出的优点.本文分析了有源电力滤波器的系统结构和工作原理,对其主电路的参数设计给出了理论上的依据.