有源动态滤波器

有源动态滤波器（精选3篇）

有源动态滤波器 篇1

0 引言

随着科学技术的发展,含大量电力电子器件及非线性元件的一般性负载(如单相及三相全桥整流电路、交直流转换器等)已被广泛使用于电力系统中,这使电能质量问题变得日益严重,特别是无功功率和谐波电流对电力系统的污染问题。大量的谐波电流会导致设备过热、保险丝熔断、变压器过热、功率因数过低等问题,这些问题会对电力系统造成不利影响,并给电力用户造成损失[1,2,3]。此外,在三相四线系统中,3k次谐波电流,特别是3次谐波电流会叠加在中线内,其产生的寄生电压会影响变电站以及三相配电馈线附近的电磁水平,过大的中线电流会导致中线过热,从而破坏绝缘条件[4]。

为了治理谐波电流,在电力系统中加装无源电力滤波器(PPF)、有源电力滤波器(APF)及混合有源电力滤波器(HAPF)成为一种有效的手段。PPF成本低、结构简单,但其体积庞大,只可滤除固定次数的谐波电流,且其滤波特性严重依赖于元件参数,并会与系统产生共振,造成谐波电流放大等问题[5,6]。APF拥有优良的滤波特性,可更好地对谐波电流进行动态补偿,但由于大功率电力电子器件的容量限制以及高昂的制造价格,导致APF难以在大容量的情况下使用[7,8]。

为了克服上述PPF及APF的缺点,达到低成本、优补偿的效果,研究人员将PPF与APF相结合,形成了新的HAPF拓扑结构[9,10,11]。由PPF和APF相结合形成的HAPF具有多种拓扑结构,大体上可分为2类:一是PPF与APF串联;二是PPF与APF并联。第1类HAPF拓扑结构因其简单方便且APF电压等级低于第2类拓扑结构,在工业上得到大量运用,本文的分析也基于PPF与APF串联的HAPF拓扑结构,其中PPF采用无源元件最少的单调谐式LC串联耦合结构。

HAPF不论在输电侧还是在配电侧都能够有效地降低有源部分容量。但由于配电侧的电压等级较低,因此,HAPF有源部分直流侧的电压等级也相应较低,其在运行时所产生的开关噪声与开关损耗都较小。并且装载在配电侧的HAPF更靠近电能污染源,能够实现就地补偿,得到较好的补偿效果,其市场潜力更为广泛。因此,本文的研究主要基于220 V的电力系统。

文献[12]在正、负、零序背景下对含中线电感的电力滤波器拓扑结构进行了分析,但缺乏有效的数学模型来反映电力滤波器的滤波特性。本文在d-q-0坐标系下,建立了在含中线电感与不含中线电感的三相四线直流电容中分结构的单调谐式HAPF数学模型。通过模型,本文讨论了上述2种HAPF无源部分在一般负载谐波电流情况下的滤波特性,并对其各自有源部分的容量进行了分析。通过对两者有源部分所需最小容量的比较,提出了含中线电感的三相四线单调谐式HAPF优化设计,并给出了其直流侧最小电压等级。最后,通过仿真验证了含中线电感的三相四线单调谐式HAPF的优越性及其补偿所需的直流侧最小电压等级。

1 三相四线直流电容中分结构的单调谐式HAPF在d-q-0坐标系下的模型

含中线电感的三相四线直流电容中分结构的单调谐式HAPF如图1所示,其在abc坐标系下的平均大信号模型如图2所示。图中:vSa,vSb,vSc为三相系统电压;iSa,iSb,iSc,iSn为三相及中线系统侧电流;iloada,iloadb,iloadc,iloadn为三相及中线负载侧电流;icompa,icompb,icompc,icompn为三相及中线补偿电流;vLa,vLb,vLc为HAPF无源部分电感电压;vLn为中线电感电压;vCa,vCb,vCc为HAPF无源部分电容电压; da,db,dc为三相对中线的占空比。

设HAPF有源部分的直流侧电压为理想电压2Vdc(如图1所示),则逆变器各相的输出电压vinva,vinvb,vinvc可以表示为:

根据基尔霍夫定律及电容、电感的微分方程,由图2可得系统方程为:

将系统方程由abc映射到d-q-0坐标系下,含中线电感的三相四线直流电容中分结构的单调谐式HAPF在d-q-0坐标系下的平均大信号数学模型可表示为:

当HAPF不含中线电感时(Ln=0),其在d-q-0坐标系下的平均大信号数学模型可表示为:

比较式(4)和式(5)与式(6)和式(7)可知,中线电感不会影响HAPF在d-q-0坐标下的平均大信号模型,因此,三相四线直流电容中分结构的单调谐式HAPF在d-q-0坐标系下的平均大信号模型如图3所示。

2 三相四线直流电容中分结构的单调谐式HAPF有源部分的容量分析

在三相四线HAPF补偿系统中,当负载平衡时,以三相中的任意一相为例,其等效电路如图4所示。

由图4可知,单相HAPF有源部分容量SAPF为:

式中:Icomp为补偿电流;VAPF为HAPF有源部分的输出电压有效值。

由于补偿电流Icomp由负载决定,因此,当HAPF对负载进行补偿时,有

式中:Iloadfq为负载基波无功电流;Icompfq为补偿的基波无功电流;Iloadn为负载各次谐波电流。

因此, HAPF有源部分的容量可通过HAPF有源部分的输出电压有效值VAPF来表征。

HAPF有源部分的输出电压有效值VAPF可表示为:

式中:VAPFf为有源部分输出的基波电压;VAPFn为有源部分输出的第n次谐波电压。

由附录A可知,图1所示三相四线直流电容中分结构的HAPF的直流侧最小电压等级为:

在三相四线系统中,当含中线电感与不含中线电感的单调谐式HAPF对同一负载具有相同的补偿效果时,2种HAPF的补偿电流相同,因此,含中线电感的单调谐式HAPF有源部分的容量SAPF_L与不含中线电感的单调谐式HAPF有源部分的容量SAPF_NL分别为:

式中:VAPF_L和VAPF_NL分别为含中线电感的HAPF和不含中线电感的HAPF有源部分的输出电压有效值。

由式(10)可得:

式中:VAPFf_L,VAPFn_L和VAPFf_NL,VAPFn_NL分别为含中线电感和不含中线电感的HAPF有源部分输出的基波电压和第n次谐波电压。

在基频下,含中线电感与不含中线电感的HAPF基频阻抗相等且输出的基波补偿电流相同,因此,由附录A可推出:

当系统为不含中线电感的单调谐式HAPF时,由图3(a)、图3(b)和图3(c)可知,对于单相HAPF来说,在k次谐波电流下,其无源部分的等效阻抗ZPFk为:

由附录A可推出不含中线电感的单调谐式HAPF有源部分输出的各次谐波电压VAPFn＿NL为：

${\displaystyle \sum _{n=2}^{\infty }V}{}_{\text{A}\text{Ρ}\text{F}n\_\text{Ν}L}={\displaystyle \sum _{k=2}^{\infty }\left|k\omega L-\frac{1}{k\omega C}\right|}|{\rm I}{}_{\text{c}\text{o}\text{m}\text{p}k}|(18)$

当系统为含中线电感的单调谐式HAPF时,由图3(a)、图3(b)和图3(d)可知,对于单相的HAPF系统,在3k±1次谐波电流下,其等效阻抗ZPF(3k±1)为:

在3k次谐波电流下,其等效阻抗ZPF3k为:

由附录A可推出含中线电感的单调谐式HAPF有源部分输出的各次谐波电压VAPFn_L为:

$\begin{array}{l}{\displaystyle \sum _{n=2}^{\infty }V}{}_{\text{A}\text{Ρ}\text{F}n\_L}=\\ {\displaystyle \sum _{k=1}^{\infty }\left|(3k\pm 1)\omega L-\frac{1}{(3k\pm 1)\omega C}\right|}|{\rm I}{}_{\text{c}\text{o}\text{m}\text{p}(3k\pm 1)}|+\\ {\displaystyle \sum _{k=1}^{\infty }\left|3k\omega (L+3L{}_{\text{n}})-\frac{1}{3k\omega C}\right|}|{\rm I}{}_{\text{c}\text{o}\text{m}\text{p}3k}|(21)\end{array}$

对于一般三相四线系统负载,如全桥整流电路,其谐波电流含量主要以3次、5次、7次及9次谐波为主,因此,本文仅考虑负载只含基波电流及3次、5次、7次、9次谐波电流的情况,可得:

对比式(22)与式(23)可知:含中线电感与不含中线电感的HAPF在3k±1次谐波电流下的等效阻抗相等且只与HAPF的无源部分LC有关,但2种HAPF在3k次谐波电流下的等效阻抗不相等。当单调谐式HAPF不含中线电感时,其3k次谐波电流的等效阻抗也仅与LC有关;当单调谐式HAPF含有中线电感时,其3k次谐波电流的等效阻抗与HAPF无源部分LC以及中线电感Ln有关。因此,在单调谐式HAPF不含中线电感时,通过谐调LC,单调谐式HAPF只可构成一路谐波电流通道。当单调谐式HAPF含中线电感时,通过谐调LC以及LC与Ln,单调谐式HAPF可同时构成2路谐波电流通道。

以LC谐调于5次谐波、LC与Ln谐调3次谐波为例,根据式(22)和式(23)可得:

对一般三相四线系统负载,9次谐波电流Icomp9远小于3次谐波电流Icomp3,且Ln值很小,因此

根据式(12)至式(26) ,设RS为含中线电感与不含中线电感HAPF有源部分容量的比例,则有

由式(27)可知:在相同的三线四线负载谐波情况下,含中线电感HAPF有源部分的直流侧电压Vdc_L与不含中线电感HAPF有源部分的直流电压Vdc_NL之比RS总小于1。

在平衡三相四线负载谐波电流情况下,根据上述分析可直接计算出三相四线HAPF系统(含中线电感或不含中线电感)所需的最小直流侧电压,且使用含中线电感的单调谐式HAPF可减小HAPF有源部分的容量,但其要求HAPF的无源LC部分调谐在3k±1次谐波频率,因为添加的中线电感Ln与原HAPF无源部分LC只可构成3k次谐波通道,若将单调谐式HAPF的无源LC部分设计为调谐于3k次谐波频率,那么添加中线电感Ln将不会减少HAPF有源部分容量。虽然中线电感Ln使得HAPF使用的无源器件数目增加,但其能有效减小HAPF有源侧直流电压(即HAPF有源部分容量),从而达到降低HAPF成本的目的。

3 仿真结果

本文对含中线电感及不含中线电感的单调谐式HAPF在直流侧最小电压等级下的补偿特性进行了仿真,仿真软件为MATLAB/Simulink。

本次仿真的非线性负载为桥式整流桥构成的三相平衡负载,所以三相补偿效果相同,本文取A相作为参考。A相负载电流的波形及频谱如图5所示,其中负载电流的有效值,基波无功电流及3次、5次、7次、9次谐波电流有效值分别为:Irms=112 A,ILfq=60.51 A,IL3=25.42 A,IL5=21.96 A,IL7=2.18 A,IL9=2.29 A。

由图5可知:A相的总谐波畸变(THD)百分比为31.24%,基波频率为50 Hz,其中以3次谐波电流及5次谐波电流的含量为主。根据第3节分析,含中线电感的单调谐式HAPF的无源部分将被设计成5次谐波的LC滤波器,而中线电感Ln和无源部分LC结合所构成的LC滤波器将被设计成3次谐波滤波器。本次仿真所取无源部分的电容C=840 μF,由计算得:L≈0.482 mH,Ln≈0.286 mH。

在本次仿真中,系统电源电压有效值为Vs=220 V,且其逆变器的直流电容电压由理想电压源提供。根据上述分析及负载电流与系统元件参数,含中线电感与不含中线电感的单调谐式HAPF有源部分在不同频率电流下所计算出的输出电压有效值如表1所示。

由表1可求得:Vdc_NL=29.41 V,Vdc_L=11.41 V。因此,对于三相四线直流电容中分结构的单调谐式HAPF,不含中线电感与含中线电感的HAPF有源部分直流侧所需的最小总电压分别为:

根据式(28),取2Vdc分别为25 V,50 V,75 V时对负载电流进行补偿。不含及含中线电感的单调谐HAPF的补偿效果见附录B图B1和图B2,其仿真结果见附录B表B1。由附录B的仿真结果及图6可以得出以下几点结论。

1)当单调谐式HAPF不含中线电感Ln时,HAPF只通过无源部分LC滤除5次谐波,且当直流侧电压为25 V时,HAPF直流侧电压远低于式(28)所计算的系统所需最小直流电压,因此,HAPF不能对系统进行有效补偿;当直流侧电压为50 V时,由于直流侧电压升高,使HAPF的补偿效果有所改善,但仍达不到系统所需的最小直流侧电压,因此,其补偿效果仍然不理想;当直流侧电压为75 V时,HAPF直流侧电压达到了系统所需的最小直流侧电压,因此,HAPF能达到良好的补偿效果。

2)当单调谐式HAPF含有中线电感Ln时,HAPF可通过无源部分LC有效地滤除5次谐波,同时亦与中线电感Ln相结合从而滤除3次谐波电流,因此,含中线电感的单调谐式HAPF有源部分直流侧电压仅需25 V便有良好的补偿效果(直流侧电压为75 V时,直流侧所增加的电压会带来高频噪声,从而影响HAPF的补偿效果)。由于有源部分直流侧电压等级直接反映了HAPF有源部分容量,因此,通过仿真可知,在一般三相四线平衡负载谐波电流情况下,含中线电感的单调谐式HAPF所需的有源部分容量较小。

4 HAPF在负载不平衡时所需最小直流电压的考虑

以上通过平衡负载的仿真证明了HAPF有源部分最小直流侧电压计算的正确性。对于不平衡负载,除3k次谐波电流外,其他各次不平衡电流也会在中线中流过,因此,在不平衡负载情况下,精确计算出HAPF有源部分所需的最小直流电压较为复杂,但可根据式(14)、式(15)及HAPF的三相输出基波电压与各次谐波电压推出在不平衡负载条件下含中线电感与不含中线电感的HAPF所需最小直流侧电压近似表达式为:

式中:VAPFf_L_avg和VAPFf_NL_avg分别为HAPF有源部分三相所需的基波电压平均值;VAPFn_L_avg和VAPFn_NL_avg为HAPF有源部分三相所需的第n次谐波电压平均值;VAPFn_L_unb和VAPFn_NL_unb分别为HAPF有源部分三相所需基波电压及第n次谐波电压与各自平均值的最大差值。

在式(29)中,当负载平衡时,HAPF有源部分三相输出的基波电压及各次谐波电压都分别相等,因此,VAPFn_L_unb=VAPFn_NL_unb=0,其等效于式(14)和式(15)。但不论在平衡或不平衡负载条件下,三相四线直流电容中分结构的单调谐式HAPF在d-q-0坐标系下的平均大信号模型都是不变的,因此,即使负载是不平衡的,当HAPF含有中线电感时,HAPF仍可提供2条不同的谐波电流通道,从而有效滤除2次不同频率的谐波电流,所以含中线电感的HAPF所需的最小直流侧电压也会较不含中线电感的HAPF所需的最小直流侧电压低。

5 配电网中的APF与优化设计HAPF比较

在传统的三相四线配电网中(电网相电压为220 V),APF因其结构的原因,需要采用耐压较高的电力电子器件,如耐压为1 200 V或1 600 V的绝缘栅双极型晶体管(IGBT),但通过使用HAPF以及对其进行优化,在电流不变的情况下,HAPF有源部分的电力电子器件可采用较低耐压的电力电子器件,如金属—氧化物—半导体场效应管(MOSFET)或者低耐压的IGBT。以IXYS公司的产品为例, 150～200 A限流电力电子器件所组成的有源逆变器的价格见附录C。

当限流变化不大时(150～200 A),采用低耐压电力电子器件可有效减少有源逆变器的造价,从而降低电力系统补偿器成本。对比传统的APF和经优化的HAPF,传统的APF需选择1 200～1 600 V限压的IGBT元件,而优化的HAPF只需选择100～200 V限压的MOSFET元件或600 V的IGBT元件,因此,经优化的HAPF有源部分较传统APF有源部分造价最大可降低约50%, 同时,由于三桥臂耦合电容的价格也较为低廉,且添加的中线电感值较小,价格也相对便宜,因此,经优化的HAPF的初始造价较传统的APF更为廉价。

系统成本除考虑初始成本外,还应考虑运行成本,本文在三相四线系统下,通过添加中线电感,有效地降低了HAPF有源部分的电压等级(由90 V降低到45 V,约为原来电压等级的50%),当系统运行在低电压等级时,其产生的损耗较小,噪声也较小,而且也更为安全,系统元件的寿命也会更长。因此,当系统运行一段时间后,通过优化设计的HAPF能更好地体现其经济效益。所以,对于配电网中的电力补偿器来说,在同样的补偿效果下,采用优化设计的HAPF比采用传统APF具有更高的性价比。

6 结语

本文在d-q-0坐标系下建立了三相四线直流电容中分结构的单调谐式HAPF的数学模型。通过对不含中线电感与含中线电感的三相四线单调谐式HAPF有源部分容量进行分析,得到了负载平衡条件下三相四线单调谐式HAPF直流侧电压的表达式,且通过仿真验证了其正确性。此外,通过负载不平衡条件下HAPF最小直流侧电压的分析可知:不论负载是否平衡,含中线电感的HAPF所需的最小直流侧电压也会较不含中线电感的HAPF所需的最小直流侧电压低。因此,含中线电感的单调谐式HAPF可有效地减小有源侧容量,从而达到降低HAPF成本的目的。

感谢澳门大学研究委员会提供经济资助。

附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。

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有源动态滤波器 篇2

电气工程及自动化

并联型电力有源滤波器设计

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义

随着电力电子技术的迅速发展，越来越多的电力电子装置在配电系统中得到了广泛的应用。这些电力电子设备的效率日趋提高，并以其灵活可控的特性逐渐成为功率变换和调节的一个不可或缺的重要环节。但是由于电力电子装置所引发的电能的谐波问题，给我们现在的电网公司分配电，带来比较大的影响。虽然后来采用了无源滤波器进行谐波抑制，但是其功能并不完美，无法达到想要的滤波效果，很容易与电网的阻抗发生谐振，并有谐波电流。谐波电流会使电能在变压器，输电线上产生很大的功能损耗，浪费电能，特别是3或者是3的倍数的谐波电流，在中线上叠加，不仅会导致损耗加重，并且中线过热，会招致火灾。严重情况还会导致系统供电安全的严重事故。所以在现今，我们开始逐渐采用并联有源电力滤波器。在国外这种有源滤波器已达到了较为广泛的应用。但是国内应用并不广泛，所以对这方面的深入研究，有利于有源滤波器的广泛应用。本设计主要针对三相三线制的设计，其余如单相或者三相四线制系统，主要是主电路，和指令运算电路作适当的改变即可。

有源电力滤波器根据负载接入电网方式的不同分为串联有源电力滤波器、并联有源电力滤波器和混合有源电力滤波器。

有源电力滤波器的主要作用：

1、通过抑制谐波，净化电网，节约综合用电相关费用8％-20％，使用该设备能快速有效收回投资成本；

2、节约电力变压器、电缆扩容费用，提高电力变压器使用寿命；

3、滤除谐波，保障供电安全，避免用电事故（如电气火灾，或者因用电故障停产）；

4、滤除谐波，延长电子设备及元器件寿命，如无功补偿电容器；

5、提高功率因数，功率因数可达到0.95-1（满足电力对企业用电的要求，避免高额处罚，甚至停止供电）。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题

本课题设计一个对三相全控桥整流电路（带阻感负载R=30Ω，L=300mH）进行无功和谐波补偿的单独使用的并联型电力有源滤波器。设计电力有源滤波器的主电路、控制电路（指令电流运算电路、电流跟踪控制电路）驱动电路，确定合理的控制方案以及谐波和无功电流检测方法。设计指标要求：经补偿后使电源电流的功率因数提高到0.93以上，谐波总含量在3%以内。

驱动电路

主电路

电源院

负载

电流跟踪

控制电路

谐波检测运算电路

并联有源滤波器基本有两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中前者的核心是检测出负载源产生的谐波和无功电流，所以也可为谐波检测运算电路，后者主要由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分组成。其核心作用是根据指令运算电路算出的补偿电流，来产生与其相反的大小相等的电流。结构框图如下：

现今对电路的设计主要解决问题为：

（1）

对补偿电流的跟随性能起作用的几个参数：L、Uc、Tc（电流控制周期）的设计；

（2）

开关器件的选择及其额定参数的确定；

（3）

主电路容量的计算；

（4）

按所选器件的要求设计驱动电路，并设计整个系统的保护电路。

三、研究步骤、方法及措施

（1）谐波检测运算电路的设计

谐波检测运算电路有很多种设计方法，主要有模拟滤波器，傅里叶分析和瞬时无功功率检测等。前2者设计较为困难，且实时性也不是很好。所以主要采用瞬时无功

功率检测。

（2）电流跟踪运算电路的设计

电流跟踪运算电路作用是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流之间的比较，得出控制补偿电流发生电路中主电路各个器件的通与断的PWM波信号，来保证补偿电流和指令信号的一致性。主要可采用瞬时比较法和三角波比较法。此设计主要采用瞬时比较法中的滞环比较器，因为它由于产生的补偿电流参考信号能够快速准确地跟踪谐波电流变化，具有很好的实时性，所以在有源滤波器中得到了广泛的应用。

（3）主电路的设计

主电路的形式采用三相PWM电压型整流电路来产生谐波和无功电流，采用单个运行方式。对整流电路的开关器件及其直流侧电容和保护电路进行选型和设计。

四、参考文献

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DA,伯德格尔

有源电力滤波器综述 篇3

近数十年以来很多国家都制定了限制谐波的规定和国家标准, 电力谐波问题受到越来越多的关注, 本着“谁污染, 谁治理”的原则, 随着中国绿色能源运动的不断深入, 低压侧的谐波治理, 必将提到日程上来。而有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置, 被公认为是治理“电网污染”的有效手段, APF有源滤波器作为一种主动型的谐波补偿装置, 能动态跟踪补偿随机的谐波电流, 克服传统LC无源滤波装置的不足, 具有高度的可控性和快速响应性, 应用前景广阔[1,2]。

1 有源滤波器的研究现状

1971年日本的Machida首先提出了有源滤波器的原始模型, 同年, H.Sasaki等就首次完整地描述了有源电力滤波器的基本原理[3], 但由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流, 其损耗大, 成本高, 因而仅在实验室研究, 未能在工业中使用。1976年, 美国的Strycula提出了用PWM逆变器结构构成有源滤波器, 确立了当今滤波器的基本结构, 同年, L.Gyugyi等人提出了用大功率晶体管PWM逆变器构成的有源电力滤波器, 并正式确立了有源滤波的概念, 提出了有源滤波器主电路的基本拓扑结构和控制方法。1982年, 第1台采用GTO作为开关元件的电流源PWM逆变器构成的有源滤波器 (800 k VA) 在日本研制成功并投入使用。1983年, 日本长冈科技大学的Akagi等人基于pq分解理论, 提出了三相电路瞬时无功功率理论, 为解决三相电力系统畸变电流的瞬时检测提供了理论依据。表明实现有源滤波器补偿功能的条件已经具备, 使有源电力补偿技术实用化研究得到了极大发展, 与此同时, 大功率晶体管 (GTR) 、大功率可关断晶闸管 (GTO) 、静电感应晶闸管 (SITH) 、静电感应晶体管 (SIH) 、功率场效应管 (MOSFET) 、场控晶闸管 (MCT) 及绝缘栅型双极性晶体管 (IGBT) 等新型快速大容量功率开关器件相继问世;PWM调制技术、微机控制技术, 以及数字信号处理技术都取得了长足的进步。这些都极大地促进了有源电力滤波技术的发展, 使有源电力滤波器真正进入了工业实用阶段。1986年, 日本的Komasugi和Imura研制出1套用于三相整流器补偿的电流补偿器, 可补偿19次以下的高次谐波。1991年, 南非的Enslin和Wyk研制出综合补偿系统。经过20多年的研究和探索, APF技术得到了长足的发展, 越来越多的APF投入了运行, 不论从实现功能还是运行功率上都有明显的改善。

作为改善供电质量的一项关键技术, 目前有源电力滤波器在美国、日本等发达工业国家已广泛用于国民经济的各个生产部门, 并且谐波补偿的次数逐步提高 (典型值达25次) , 单机装置的容量也逐步提高 (APF的最大容量可达50 MVA) , 其应用领域正从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展。其中在日本, 已投入使用的APF从50 k VA到60 MVA功率范围越来越宽, 从谐波补偿到抑制闪变和电压调节应用功能越来越丰富。目前有源滤波器已用在提高电能质量, 解决三相电力系统中终端电压调节、电压波动抑制、电压平衡改善以及谐波消除和无功补偿等问题上。

进入20世纪90年代, 我国在有源电力滤波器的应用研究方面投入了大量的人力和物力, 这方面的工作主要以理论研究和实验为主, 但和工业发达国家相比仍有一定的差距。调制载波的频率仍不够高, 谐波跟踪、补偿效果仍不够理想, 成本控制仍不够合理;总的来讲, 与世界先进水平的差距正在逐步缩小, 但是仍有许多基础理论与技术有待于深入的探索和研究。

2 有源滤波器的优缺点

有源滤波器的基本构造如图1所示。补偿指令电流检测及控制电路对负载电流iL进行检测, 通过瞬时无功功率理论或DSP技术[4]产生的谐波及无功电流分量, 与精密波形发生器产生的三角载波进行比较, 获得PWM波形, 用于控制主电路内的功率电子开关器件, 把直流电流信号变成补偿交流电流ic。对主电路输出的补偿电流进行检测是为了使主电路输出的补偿电流更好地跟踪由于负载电流的变化而引起的谐波大小的变化[5]。

有源滤波器的优点如下:

(1) 实现了动态补偿, 可以对频率和大小变化的谐波及变化的无功功率进行补偿, 对补偿对象的变化有极快的响应[6];

(2) 可以同时对谐波和无功功率进行补偿, 而且补偿无功功率的大小可以做到连续调节[7];

(3) 补偿无功功率时不需要储能元件, 补偿谐波时需要的储能元件容量也不大;

(4) 即使补偿对象电流过大, 有源滤波器也不会发生过载, 并能正常发挥补偿作用[8];

(5) 受电网阻抗影响不大, 所以补偿性能不受电网频率变化的影响;

(6) 既可以对一个谐波和无功源单独补偿, 也可对多个谐波和无功功率集中补偿[9,10]。

有源电力滤波器的缺点是:

(1) 数字化测量系统参数稳定性好, 但是计算量大, 相应加大了检测过程的延迟时间;

(2) 就目前来说还难以实现大功率的滤波, 而且成本较高。

3 有源滤波器的发展趋势

(1) 器件容量的增大和开关频率的提高。为了实现电流的快速控制和提高补偿效果, 开关频率是关键, 另外, 应用多重化技术虽能提高器件的等效开关频率, 但从 (下转第69页) (上接第67页)

经济的角度考虑, 应该使用高容量、大功率的器件, 这又与使用高频率产生矛盾, 因为大容量受到频率的限制, 如何从两者中找到一个折中, 从而获得最佳效果, 是值得研究的问题。

(2) 降低装置的价格并使其多功能化。如何提高装置的性价比是电力电子器件制造技术面临的难题。

(3) 降低损耗提高系统可靠性。这方面主要工作包括:采用合理的开关频率;选择适当的吸收回路以提高装置的使用效率;采用过流、过压保护技术及故障诊断技术。

(4) 中国在研制有源电力滤波器时应着力采用新理论和新方法, 结合中国国情, 采用小额定值的有源电力滤波器配以无源滤波器的混合型电力滤波的方式是可行的。

摘要：对有源电力滤波器的原理、发展历程及其结构进行了详细介绍, 并对有源电力滤波器的优缺点进行了比较, 探讨了其在实际应用中存在的问题及其发展趋势。

关键词：有源电力滤波器,研究现状,优缺点,发展趋势

参考文献

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[3]Bhim Singh, Kamal AI-Haddad, Ambrish Chandra.A reviewof active filters for power quality improvement[J].IEEETrans.on Industrial Electronics, 1999, 46 (5) :1～12

[4]万蕴杰, 周林, 张海, 等.基于数字信号处理器的有源电力滤波器控制方案综述[J].电网技术, 2005, 29 (15) :51～55

[5]钟庆, 吴捷, 杨金明, 等.现代控制理论在有源电力滤波器中的应用[J].电力自动化设备, 2005, 24 (3) :88～94

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[7]杨晔, 任震, 唐卓光.基于小波变换检测谐波的新方法[J].电力系统自动化, 1997, 21 (10) :39～42

[8]肖艳鸿, 毛莜, 周靖林, 等.电力系统谐波测量方法综述[J].电网技术, 2002, 26 (6) :61～64

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