混合型有源滤波器的研究

【摘要】 随着电力电子技术的不断进步以及大功率可关断器件的高速发展,有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)在抑制电网中的谐波、补偿供电系统的无功功率等方面得到广泛应用。本文对混合型有源进行了研究,提出了一种适合工程中应用的大功率混合型有源滤波器,并对该滤波器的参数进行了设计。

【关键词】 APF拓扑结构逆变器

1 前言

有源滤波器已经被许多国家广泛应用到供电系统中,该类滤波器不但能够对用户自身谐波进行补偿还能够提高整个供电系统的服务质量。随着研究的深入与需求的提高,有源滤波器正向着谐波补偿次数更高、单机容量更大方向发展以满足日益夸大的供电系统。

目前,制约有源滤波器发展的技术瓶颈主要是开关器件容量低和成本较高,为了克服这两个难题,可以采用有源滤波器和LC无源滤波器结合使用,构成混合型大功率电力滤波器(High-capacity Hybrid Active Power Filter)。在混合型有源滤波器中,可以把谐波补偿的主要任务交给LC无源滤波器完成,同时又兼顾了开关频率高的特点,从而克服开关器件容量低、成本高的特点,平衡了开关频率和容量的矛盾。本文对混合型有源滤波器的基本原理和拓扑结构进行了研究,提出了一种新型的混合型有源滤波器,仿真实验证明所设计滤波器的谐波补偿效果较好。

2 有源滤波器及其拓扑结构

2.1 有源滤波器基本原理

以并联型有源滤波器为例对其基本原理介绍。有源滤波器包括两大部分:指令电流运算电路和补偿电流发生电路,其中补偿电流发生电路又由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分组成。指令电流运算电路的主要作用是对补偿对象中的谐波和无功电流分量进行检测,得到补偿指令信号,为后续的补偿做准备,补偿电流发生电路根据指令电流运算电路检测得到补偿指令进行电流补偿操作,使得补偿电流和负载中产生的谐波和无功相抵消。

通常选择PWM变流器作为图中的主电路,在补偿电流时作为逆变器使用。有源滤波器中的逆变器有电流型有源逆变器和电压型有源逆变器两种结构,由于电流型逆变器在大电感上的损耗较大且控制复杂等原因,本文主要对使用更广的电压型逆变器组成的有源滤波器进行研究。

2.2 拓扑结构

根据有源滤波器电路的连接方式可以分为串联型有源滤波器、并联型有源滤波器与混合型有源滤波器三种。

串联型有源滤波器具有电压谐波的抑制性好的优点,但是绝缘性较差、结构庞大,对其进行维修替换时比较麻烦,通常用于改善系统电压。并联型有源滤波器对谐波和无功都可以进行补偿,但是对开关器件和容量要求较高,通常在进行低电压小容量的补偿时采用这种方式,虽然可以通过多个并联型有源滤波器的级联来增大滤波器容量,但是成本高、系统复杂,并不适合广泛应用。因此,为了解决在高压、大容量情况下的谐波补偿问题,必须把有源滤波器、无源滤波器等各种滤波器混合使用,从而引入了混合型有源滤波器的概念。混合型有源滤波器可以分为串联有源滤波器和无源滤波器的混合使用、并联有源滤波器和无源滤波器的混合使用、串联有源滤波器和并联有源滤波器的混合使用等。

3 混合型有源滤波器设计

3.1 结构设计

考虑到成本的控制和可行性,并为了满足高电压、大容量、能够进行无功功率补偿等要求,设计了如下并联混合型有源滤波器,其结构如图1所示。

混合型有源滤波器是把串联型有源滤波器和无源滤波器并联后混合使用,依靠无源滤波器进行无功功率补偿,有源滤波器和无源滤波器共同完成谐波抑制的作用。这样就能够达到预期的高压、大容量无功和谐波补偿的目的。

3.2 参数设计

结合实际中某变电站的谐波含量情况,得到如下设计参数:

利用2次和7次单调谐滤波器组成无源滤波器部分,其中电容和电感值为36.22mH、70μF、6.7mH、30μF,另外品质因数为50;L1、C1和Cc分别为28.95mH、350μF、25μF;输出滤波器的电容和电感值为0.5mH、60μF;选择容量为为100KVA的耦合变压器,6KV绝缘,变为为2;选择40000uF/1000V的直流电容,供电电路选择三相不可控整流桥。

4 结语

本文提出一种新型的混合型有源滤波器的结构并对相应参数进行了设计,具有较大的容量和谐波补偿能力,良好的改善了供电质量。

参考文献:

[1]Bhim Singh,Kamal Al-Haddad,Ambrish Chandra.A review of active filters for power quality improvement[J].IEEE Trans.on I.E.1999,46(5):1－12.

[2]徐永海,肖湘宁,杨以涵等.低成本混合滤波方案及特性分析[J].中国电机工程学报,1999,19(12):5-8.

[3]Moran L A,et al.A Simple and Low-cost Control Strategy for Active Power Filters Connected in Cascade.IEEE Trans.on IE,1997,44(5):621－629.

[4]徐向民,刘永强,赖声礼等.基于电磁变换的电网谐波检测[J].华南理工大学学报,2001,29(5):1-4.