第38卷2010年8月云 南 电 力 技 术YUNNAN ELECTR I C POWER Vo l 38N o 4

Aug 2010

收稿日期:2010-06-15

有源电力滤波器综述

雷 鹏 刘柱揆 覃日升

(云南电力试验研究院(集团)有限公司电力研究院,云南 昆明 650217)

摘要:文中根据有源电力滤波器补偿系统的功率等级和响应速度、根据主电路的电路结构和连接方式、根据补偿变量三个方面对有源电力滤波器进行分类,并阐述各种有源电力滤波器的特点。关键词:有源电力滤波器 电能质量 分类

中图分类号:TM5 文献标识码:B 文章编号:1006-7345(2010)04-0043-04

1 前 言

有源电力滤波器(A ctive Po w er F ilter ,APF)是改善和提高电能质量的有效手段之一,将APF 运用于电力系统,其补偿非线性负载产生的谐波和无功功率,从而使得电网电流波形保持正弦,有效提高电网的电能质量。

目前,有很多种方法对APF 进行分类,其中,可以根据补偿系统的功率等级和响应速度、根据主电路的电路结构和连接方式、根据补偿变量对APF 进行分类。

2 APF 分类方法

2 1 根据功率等级和响应速度分类

为了实现相应的补偿功能,补偿系统的功率等级和响应速度决定了APF 的控制策略。功率等级与响应速度之间有着密切的相互联系。通常,响应速度越快系统花费的成本越高,见图1

。

图1 AP F 根据功率等级和响应速度的分类图

2 1 1 低功率等级应用

功率低于100kVA 的系统属于低功率等级应用,使用范围主要包括民用住宅、商业大楼、医院、小规模到中等规模的工业负载和驱动系统。这些系统通常采用技术比较复杂的动态有源滤波器,尤其是多脉冲P WM 电压源逆变器或电流源逆变器系统,其响应时间比较短,系统的补偿功率也比较小。

1)单相有源电力滤波器主要运用于低功率等级场合,如:计算机负荷较多的商业大楼、教学大楼、小规模工业等。对于这些应用环境,由于大量使用单相负荷,使得中性线谐波电流含量较大,随着负荷的变化应该提供灵活的补偿方式。因而可以直接在分散的谐波电流源处使用小容量有源电力滤波器进行补偿,而不需要在电源输入端使用大容量有源电力滤波器。而且,由于单相有源电力滤波器处理容量低,因而工作频率较高,补偿性能较好。

2)对于三相系统的应用场合,根据三相负载是否平衡而采用不同的有源电力滤波器电路结构。当功率等级相对较低时,如:100kVA ,可以使用三套单相系统进行补偿,也可以使用一套三相系统进行补偿。当三相负荷平衡时,有源电力滤波器不需要平衡三相负荷的电流或电压,只需对谐波电流进行补偿,可以采用三相逆变器电路结构。当三相负载电流不平衡或三相电源电压不对称时,尤其在三相四线制系统或不需要三相桥逆变器的系统中,

可以采用三套单相逆变器电路结构进行补偿。

2 1 2 中等功率等级应用

功率从100kVA 到10MVA 的三相系统属于中等功率等级应用,其范围包括中等电压等级和高电压等级配电网络、高电压大容量驱动系统。对于这些系统,其三相不平衡的影响基本可以忽略,因而主要的补偿目标是减小或消除谐波电流。在

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2010年第4期云南电力技术第38卷

高电压配电网中,由于电压等级较高以及相关的高压绝缘问题,出于系统运行经济性的考虑,通常不使用APF 补偿无功功率,而是采用其他的方法,如:静止无功补偿器、可调谐滤波器、同步调相机等无功补偿装置。

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3 高功率等级应用

由于高频工作的功率器件所能处理的功率等级较低,因而制造高功率等级的APF 成本较高。通常,大容量的功率器件只能达到几千伏的耐压,通过功率器件的串并联可以提高耐压等级,但需要增加额外的均压电路、保护电路等,实现较困难,成本高。然而,与低功率等级应用情况不同的是,对于功率等级超过10MVA 的高功率等级应用场合,如:超高压直流输电线路、超大容量直流驱动系统等,其谐波污染不是主要问题,主要的补偿目标是补偿无功功率。低压侧产生的谐波由小容量或中等容量的APF 消除,无功功率补偿可以使用静止无功补偿器、并联同步调相机组、采用基于串联多电平逆变器单元的静止无功补偿装置等。系统的响应时间在10秒范围内,只要采用优化的开关控制策略,接触器、断路器都可以正常工作。日本的 子弹列车 (S i n kansen)是APF 在高功率等级应用的实例之一,其将几组APF 并联使用,滤波器组的控制策略和滤波器组之间的协调机制非常复杂。

2 2 根据主电路的电路结构和连接方式对APF 进行分类

APF 主电路的电路结构不同,采用的控制策略和适用的功率等级也不同,因而主电路的电路结构决定了APF 的应用场合见图3

。

图2 根据电路结构和连接方式的分类图

2 2 1 并联型APF

在工业应用中,大量使用并联型APF ,其以并联的连接方式接入系统,如图3所示,抑制负载注入系统的谐波电流,也可以使用并联型APF 补偿无功功率、平衡负载的三相电流。其优点为:电流负荷只包括补偿电流分量,以及用于补偿系统损耗的基波有功电流分量。在补偿电流数值较高的应用场合,可以将几组APF 并联使用,适用范围较

广。

图3 并联型APF 的连接图

并联型APF 可以大致分为四种类型,即:桥

式逆变器结构、开关式电容器结构、晶格式滤波器结构和电压调节器结构。

2 2 2 串联型APF

串联型APF 通过所产生的P WM 电压波与电源电压相加减,从而使负载的电压波形为正弦波,电路结构如图4所示,其逆变器采用无电流控制回路的电压源逆变器。与并联型APF 相比,串联型APF 的负荷电流较大,尤其在耦合变压器的低压侧,从而使得损耗和变压器体积增大,在工业应用中使用较少。串联型APF 主要运用于提高供电系统的电能质量,如:消除谐波电压、平衡负载的三相电压,从而为负载提供正弦的电压波形,使得对

电压波形畸变较敏感电子设备能够正常工作。

图4 串联型APF 的连接图

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3 混合型APF

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3 1 并联型APF 和串联型APF 的结合

为了充分发挥并联型APF 和串联型APF 各自的优势,可以将二者结合构成混合型APF 系统,如图5所示。但由于其成本高、控制策略较复杂,不仅要考虑并联型APF 的开关控制模式,还要考虑串联型APF 的开关控制模式。因而,该结构的APF 使用较少,主要运用于柔性交流输电系统(Flex i b le AC Trans m issi o n Syste m,FACTS)

。

图5 并联型APF 和串联型AP F 的结合

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第38卷有源电力滤波器综述2010年第4期

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3 2 串联型APF 和并联型无源滤波器的结合

为了简化上述混合型APF 的控制策略,可以采用串联型APF 和并联型无源滤波器的结合方式。该结构中,串联型APF 对高频谐波分量呈现高阻抗,因而由并联型无源滤波器为负载的谐波电流提供通路,如图6所示。通过该组合方式提高了串联型APF 的性能,同时还扩展了其补偿功能,不仅可以抑制谐波电流,而且还可以消除谐波电压

。

图6 串联型APF 和并联型无源滤波器的结合

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3 3 并联型APF 和并联型无源滤波器的结合

该结构混合型APF 是APF 和无源滤波器结合的重要方式,如图7所示。

在设计滤波器时,并联型APF 只需抑制部分的低次谐波电流,而大量的负载谐波电流由并联型无源滤波器消除,从而可以提高补偿系统的容量等级,降低系统成本。但对于该组合方式,功率器件数量太多,而且无源滤波器始终连接在系统上,

因而只适合于单相静态谐波负载。

图7 并联型APF 和并联型无源滤波器的结合

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3

4 APF 与并联型无源滤波器串联

APF 与并联型无源滤波器串联的电路结构如图8所示。由于APF 与并联型无源滤波器串联,因而APF 功率器件的电压应力减小,适合中等电

压等级和高电压等级应用。

图8 AP F 与并联型无源滤波器串联的结构图

2 3 根据补偿变量对APF 进行分类

在电力系统中,安装APF 是为了减小电力污染、改善电能质量等。

对于不同的补偿对象,可以采用不同的系统参数进行描述,因而,可以根据补偿变量对APF 进行分类,如图9

所示。

图9 APF 根据补偿变量的分类图

2 3 1 无功功率补偿

一方面,许多学者认为不适宜采用APF 对无功功率进行补偿,但是,在功率因数校正应用场合,通常都需要同时抑制电流谐波。另一方面,有许多成本较低、响应速度慢的无功功率补偿装置可运用于功率因数校正场合,因而,无需使用APF 。如果要采用APF 补偿无功功率,也只能运用于低功率等级场合,因为,补偿无功功率时,APF 产生的补偿电流与负载电流幅值相当。如果不使用其他功率因数校正装置,如:晶闸管控制电抗器、晶闸管投切电容器等,而仅仅使用APF 补偿无功功率,将增加系统成本,对复杂设备形成浪费。

2 3 2 谐波抑制

在电力系统中,谐波抑制是非常重要的问题。通常可以分为两个方面:电压谐波抑制和电流谐波抑制。

2 3 2 1 电压谐波抑制

供电电源的阻抗通常很小,所以,学者们很少研究电压谐波抑制问题。而且,对于终端电力用户而言,电压不会随着负荷的增减而变化太大,电压相位和总谐波畸变率一般都符合相关的标准。但是,对电压畸变比较敏感的负载,如:电力系统继电保护装置、超导磁性存储设备等,其对电压波形正弦性的要求较高,电压谐波抑制问题就显得非常重要。而且,对于在谐波频率点会发生谐振的非线性负载而言,电压谐波抑制和电流谐波抑制通常同时存在,负载接入点电压谐波含量的降低,有助于电流谐波含量的降低。

2 3 2 2 电流谐波抑制

在低功率等级和中等功率等级应用中,电流

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谐波抑制非常重要,电流谐波抑制的程度与谐波源接入点电压波形畸变的程度有很大关系。同时,系统电流幅值的大小和电流波形畸变的程度也是电力系统设计的依据,由于非线性负载的电流有效值与各次谐波电流有效值的平方和有关,因而为了减小系统的损耗,应尽量减小系统总电流的有效值,即:降低系统的电流谐波含量。

2 3 3 平衡三相系统

在低电压等级和中等电压等级的配电网中,三相系统的电流和电压经常幅值不相等、空间相位差不等于120!,即:三相系统不平衡。

2 3 3 1 平衡三相系统的电压

系统三相电流不平衡的程度和三相系统电源阻抗的大小,对三相系统不平衡的状况有很大的影响,这些因素使得系统三相电压的幅值和空间相位差不相等。可以根据正弦的电压参考信号波形,在每一相中加入相应的瞬时电压而平衡三相系统的电压,其主要适合运用于低容量等级的系统,因为中等容量等级和高容量等级系统,电源阻抗对系统性能影响较小。

2 3 3 2 平衡三相系统的电流

类似于平衡三相系统电压的情况,平衡三相系统的电流通常也只适合于低容量等级的系统。这是因为在民用低压供电网中,三相系统不平衡的程度决定了注入电网的电流大小。为了平衡三相系统的电流,必须提供相应数量等级的补偿电流,但是,该类用户通常都是采用三套单相H桥结构的逆变器构成补偿系统的主电路,因而补偿系统的容量较低。

2 3 4 综合补偿

采用APF不同的组合方式可以提高系统相应的性能指标,以下是几种常用的综合补偿方式。

2 3 4 1 电流谐波抑制和无功功率补偿

在电力系统中,为了提高功率因数和系统的效率,使得电源电流不仅与电源电压同相位,而且波形正弦,通常采用APF抑制电流谐波和补偿无功功率的综合补偿方式。其由一台APF承担几项补偿任务,与其他补偿方式比较,优势明显,但是考虑到高频功率器件的功率等级问题,该补偿方式主要运用于低功率等级场合。

2 3 4 2 电压谐波抑制和无功功率补偿

由于抑制电压谐波通常会间接的影响无功功率补偿,因而很少采用该APF的综合补偿方式。而且,该补偿方式只适合运用于低功率等级场合。

2 3 4 3 电流谐波抑制和电压谐波抑制

抑制电流谐波和电压谐波的综合补偿方式可以同时消除谐波对电源端和负载端的影响,但考虑到电流谐波抑制和电压谐波抑制两方面的因素,只能采用APF的串-并联混合连接方式,因而通常只在负载对谐波比较敏感的应用场合使用,如:电力系统继电保护装置、超导磁性存储设备。

2 3 4 4 电流谐波、电压谐波抑制和无功功率补偿

由于该综合补偿方式不仅要抑制电流谐波和电压谐波,同时还要补偿无功功率,需要采用APF的并-串联混合连接方式,其控制策略和电路结构极其复杂,工业应用中很少采用。

3 结束语

提高对电能质量的要求是一个国家工业生产发达、科技水平提高的表现,是增强用电效率、节能降耗、改善环境、提高国民经济的总体效益,以及工业生产可持续发展的技术保证。APF作为改善和提高电能质量的有效手段,其在电力系统中的应用将更加广泛。

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