一種基于復(fù)合控制的通用型有源電力濾波器

李衛(wèi)東, 李達(dá)義, 楊國慶, 孫峰峰

(1. 深圳市今朝時(shí)代新能源技術(shù)有限公司， 廣東 深圳 518057;2. 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 華中科技大學(xué)， 湖北 武漢 430074)

一種基于復(fù)合控制的通用型有源電力濾波器

李衛(wèi)東1, 李達(dá)義2, 楊國慶1, 孫峰峰1

(1. 深圳市今朝時(shí)代新能源技術(shù)有限公司， 廣東 深圳 518057;2. 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 華中科技大學(xué)， 湖北 武漢 430074)

為了同時(shí)適合電壓型諧波源和電流型諧波源的濾波，同時(shí)具有傳統(tǒng)有源濾波器的并聯(lián)型結(jié)構(gòu)，本文提出一種基于復(fù)合控制的通用型有源電力濾波器，其基本原理為：檢測(cè)系統(tǒng)的諧波電流和諧波源兩端的基波電壓，將這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行放大和組合后作為參考信號(hào)，通過電力電子逆變器產(chǎn)生一個(gè)電壓源，將該電壓源與一個(gè)帶有較小阻抗值的聯(lián)接電抗相串聯(lián)后并聯(lián)在諧波源和電力系統(tǒng)兩端。理論分析表明該有源電力濾波器對(duì)基波進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，對(duì)諧波相當(dāng)于串聯(lián)一個(gè)諧波高阻抗和并聯(lián)一個(gè)諧波低阻抗，兼具疏導(dǎo)和隔離諧波的作用，從而構(gòu)成一種高性價(jià)比的有源電力濾波器。該濾波器結(jié)構(gòu)簡單，保護(hù)方便，濾波效果好，逆變器容量小，適合于兩種類型的諧波源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該原理的有效性。

有源濾波; 無功補(bǔ)償; 復(fù)合控制

1 引言

近年來，電力系統(tǒng)中使用了很多電力電子變換裝置和非線性負(fù)載，這些裝置對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量造成了嚴(yán)重危害[1-7]。綠色電力電子裝置和單位功率因數(shù)始終是電力用戶關(guān)注的焦點(diǎn)問題。在各類諧波源中電力電子變換裝置產(chǎn)生的諧波比例最高，電力電子類諧波源根據(jù)其工作原理和特性分為電壓型諧波源和電流型諧波源(這種分類是直接從諧波源兩端而不是從電力系統(tǒng)角度出發(fā)的，因?yàn)橐话愕臒o功補(bǔ)償和濾波采用就地補(bǔ)償和濾波的方式)[8,9]。為了抑制電力系統(tǒng)諧波，人們研究了多種濾波方式，有源濾波器是目前研究較多的一種濾波和動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方式。目前研究較多的有源電力濾波器主要包括并聯(lián)型有源電力濾波器、串聯(lián)混合型有源電力濾波器以及將串聯(lián)型和并聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)合起來的統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器[10-24]。根據(jù)文獻(xiàn)[8,9]的結(jié)論，串聯(lián)型濾波器串聯(lián)在線路中，相同的電壓諧波下線路諧波電流幅值更小，有利于電壓型諧波源的濾波；而并聯(lián)型濾波器并聯(lián)在諧波源兩端，對(duì)諧波電流呈現(xiàn)零阻抗，更有利于電流型諧波源的濾波。

在這些有源電力濾波器中，只有傳統(tǒng)的并聯(lián)型有源濾波器實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，主要原因在于傳統(tǒng)的并聯(lián)型有源濾波器屬于并聯(lián)型拓?fù)洌欣谙到y(tǒng)保護(hù)，可以同時(shí)補(bǔ)償諧波和無功；但是其僅適合電流型諧波源的濾波。當(dāng)傳統(tǒng)的并聯(lián)型有源電力濾波器用來對(duì)電壓型諧波源進(jìn)行濾波時(shí)，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明負(fù)載側(cè)電流會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定，多出一些波頭，有時(shí)還出現(xiàn)負(fù)載側(cè)電流THD增大的現(xiàn)象，增大了濾波的難度，影響了濾波效果和負(fù)載的正常工作。

為了使傳統(tǒng)的并聯(lián)型有源電力濾波器同時(shí)適合電壓型諧波源和電流型諧波源，本文提出了一種基于復(fù)合控制的通用型有源電力濾波器。其基本原理為：檢測(cè)系統(tǒng)的諧波電流和諧波源兩端的基波電壓并進(jìn)行放大和組合后作為參考信號(hào)，通過電力電子逆變器產(chǎn)生一個(gè)電壓源，將該電壓源和一個(gè)帶有較小阻抗值的聯(lián)接電抗相串聯(lián)后并聯(lián)在諧波源和電力系統(tǒng)兩端。理論分析表明該有源電力濾波器兼有諧波“疏導(dǎo)”和“隔離”的作用，濾波效果非常好，同時(shí)適合于電壓型和電流型諧波源。該濾波器結(jié)構(gòu)簡單，電力電子裝置容量小，將是一種非常有前景的高性能解決方案。

2 通用型有源電力濾波器的原理

圖1 通用型有源電力濾波器的單相原理電路Fig.1 Single phase principle diagram of general active power filter

下面根據(jù)疊加原理對(duì)基波和諧波分別討論。

(1)

該感性無功與系數(shù)β呈線性關(guān)系，調(diào)節(jié)系數(shù)β還可以使其呈容性從而系統(tǒng)中不用加容性無功補(bǔ)償裝置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。

圖2 基波等效電路Fig.2 Fundamental equivalent circuit

(2) 對(duì)于諧波，為了簡單起見，設(shè)系統(tǒng)電壓中不含諧波電壓，則在諧波等效電路中系統(tǒng)的基波電壓相當(dāng)于短路。復(fù)合控制型有源電力濾波系統(tǒng)對(duì)于諧波的等效電路如圖3所示，圖3的電路可以進(jìn)一步等效為圖4所示的電路，因?yàn)閺闹C波源往左看兩者是等效的。

圖3 諧波等效電路1Fig.3 Harmonic equivalent circuit 1

圖4 諧波等效電路2Fig.4 Harmonic equivalent circuit 2

從上面分析可知，基于復(fù)合控制的通用型有源電力濾波器對(duì)基波呈現(xiàn)為一個(gè)可調(diào)電抗器，而對(duì)諧波一方面呈現(xiàn)為一個(gè)電抗值較小的聯(lián)接電抗，同時(shí)又等效為在電力系統(tǒng)和諧波源之間串入阻值為α的電阻，這樣對(duì)諧波同時(shí)起到了“疏導(dǎo)”和“隔離”的作用，從而達(dá)到非常好的濾波和無功補(bǔ)償?shù)男ЧＵ麄€(gè)濾波系統(tǒng)呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：① 結(jié)構(gòu)簡單；② 控制方便，只須對(duì)基波無功功率和系統(tǒng)電流的諧波成分進(jìn)行簡單控制就可以實(shí)現(xiàn)諧波“疏導(dǎo)”和“隔離”的作用，同時(shí)可以很方便地動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)無功功率，一般情況下諧波源兩端電壓Us中諧波含量不大，而且整個(gè)濾波系統(tǒng)存在反饋過程，因此復(fù)合控制型有源電力濾波器中參考信號(hào)Uref在系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的諧波含量并不高，有利于逆變器的PWM電壓跟蹤控制；③該有源電力濾波器對(duì)諧波同時(shí)起到了“疏導(dǎo)”和“隔離”的作用，所以其濾波效果非常好且同時(shí)適合于電壓型和電流型諧波源；④逆變器容量較小，其容量和要補(bǔ)償?shù)臒o功功率容量基本相等；⑤保護(hù)方便，易于投入切除等。與現(xiàn)有的PWM高頻整流器、并聯(lián)型有源電力濾波器、串聯(lián)混合型有源電力濾波器和統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器相比均有一定優(yōu)勢(shì)。

3 系統(tǒng)控制策略

基于復(fù)合控制的通用型有源電力濾波器三相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，該系統(tǒng)的基波電壓單相矢量圖如圖6所示。圖5中電力系統(tǒng)三相電壓分別為ua、ub和uc(圖6中表示為Us)，接口逆變器三相電壓分別為uai、ubi和uci(圖6中表示為Ui)。為了補(bǔ)償逆變器正常工作時(shí)的有功損耗，可以通過控制使Ui比交流電源Us滯后一個(gè)小角度δ，這時(shí)逆變器從交流電網(wǎng)吸收一點(diǎn)有功功率來維持直流母線電壓Ud的穩(wěn)定，同時(shí)又向電網(wǎng)輸出需要的滯后或者超前的無功功率。根據(jù)電壓矢量圖6，逆變器從交流電網(wǎng)吸取的有功功率P為：

輸出至交流電網(wǎng)的無功功率為：

圖5 通用型有源電力濾波器的原理電路Fig.5 Detailed configuration of general active power filter

圖6 基波電壓矢量圖Fig.6 Fundamental voltage vector diagram

圖7 系統(tǒng)控制原理圖Fig.7 System control principle diagram

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的基于復(fù)合控制的通用型有源電力濾波器的有效性，根據(jù)圖5所示的三相系統(tǒng)原理圖搭建了一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，參數(shù)分別如下：系統(tǒng)采用100kVA、10kV/400V的配電變壓器供電；諧波負(fù)載采用晶閘管調(diào)相角帶阻感負(fù)載的整流電路，晶閘管采用淄博江來電器有限公司的MZKS-ZL-200型的智能晶閘管，負(fù)載電感量為10.5mH，負(fù)載電阻為5.175Ω，當(dāng)晶閘管調(diào)到不同的觸發(fā)角時(shí)該負(fù)載會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，功率因數(shù)也會(huì)大范圍變化；開關(guān)管為英飛凌公司的FS200R12PT4；采用TI公司的TMS320F28335微控制器作為主控芯片；聯(lián)接電抗的電感量為2.23mH，其Q值為3.5；系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)線電壓為87V。

為了證明新型并聯(lián)型有源濾波器加入后系統(tǒng)電能質(zhì)量的改善，本文特地對(duì)A相系統(tǒng)電壓ua、A相系統(tǒng)電流ia、A相負(fù)載側(cè)電流iaL和A相變逆變器支路電流iai(見圖5)進(jìn)行測(cè)量。晶閘管的觸發(fā)角為30°時(shí)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，波形如圖8～圖10所示。圖8 為A相系統(tǒng)電流和A相負(fù)載側(cè)電流波形。圖9 為A相逆變器支路的電流波形，該波形中包含一定的基波無功電流和要被濾除的諧波電流。圖10為A相系統(tǒng)電壓和A相系統(tǒng)電流的波形，可以看出兩者相位一致，功率因數(shù)基本為1(這時(shí)的β值可根據(jù)-UIsinθ=Im(U2(1-β)/ZL)計(jì)算出來)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文提出的基于復(fù)合控制通用型有源電力濾波器能同時(shí)進(jìn)行諧波抑制與無功補(bǔ)償，仿真中諧波電流放大系數(shù)α大范圍變化時(shí)系統(tǒng)也都能穩(wěn)定運(yùn)行。

圖8 A相系統(tǒng)電流和A相負(fù)載側(cè)電流Fig.8 System and load current of phase A

圖9 A相逆變器支路電流Fig.9 Inverter branch current of phase A

圖10 A相系統(tǒng)電壓和A相系統(tǒng)電流Fig.10 System voltage and current of phase A

對(duì)ia、iaL和iai進(jìn)行傅里葉分析，結(jié)果如表1所示。其中負(fù)載側(cè)電流的THD為26.28%，系統(tǒng)電流的THD為2.73%，可見系統(tǒng)具有較好的濾波效果。

表1 系統(tǒng)電流、負(fù)載側(cè)電流和逆變器支路電流的傅里葉分析

5 結(jié)論

為了同時(shí)適合電壓型諧波源和電流型諧波源的濾波要求，本文提出了一種基于復(fù)合控制的通用型有源電力濾波器。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該有源電力濾波器兼有諧波“疏導(dǎo)”和“隔離”的作用，濾波效果非常好；同時(shí)該有源電力濾波器采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，所以保護(hù)方便；另外，該有源濾波器結(jié)構(gòu)非常簡單，控制方便，電力電子裝置容量小(和要補(bǔ)償?shù)臒o功功率容量基本相等)。為了保證濾波效果，諧波電流放大系數(shù)α越大越好，但是該參數(shù)過大對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有一定的影響，其參數(shù)優(yōu)化有待于今后進(jìn)一步研究。

[ 1] 王兆安, 楊君, 劉進(jìn)軍, 等(Wang Zhao’an, Yang Jun, Liu Jinjun, et al.). 諧波抑制和無功功率補(bǔ)償(Harmonic suppression and reactive power compensation)[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社(Beijing: China Machine Press)，2005.

[ 2] 羅安(Luo An)．電網(wǎng)諧波治理和無功補(bǔ)償技術(shù)及裝備(Power grid harmonic mitigation and reactive power compensation technology and equipment)[M]. 北京： 中國電力出版社(Beijing: China Electric Power Press)，2006.

[ 3] 肖湘寧，韓民曉，徐永海，等(Xiao Xiangning, Han Minxiao, Xu Yonghai, et al.)．電能質(zhì)量分析與控制 (Analysis and control of power quality)[M]. 北京：中國電力出版社(Beijing: China Electric Power Press)，2004.

[ 4] 程浩忠，艾芊，張志剛，等(Chen Haozhong, Ai Qian, Zhang Zhigang, et al.)．電能質(zhì)量(Power quality)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社(Beijing: Tsinghua University Press)，2006.

[ 5] 姜齊榮，趙東元，陳建業(yè)(Jiang Qirong, Zhao Dongyuan, Chen Jianye)．有源電力濾波器:結(jié)構(gòu)·原理·控制 (Structure, principle and control of active power filter)[M]. 北京：科學(xué)出版社(Beijing: Science Press), 2005.

[ 6] 杜雄(Du Xiong). 電力諧波有源補(bǔ)償新方法的研究(Study on new methods of active power harmonic suppression)[M]. 重慶: 重慶大學(xué)(Chongqing: Chongqing University), 2005.

[ 7] Hirofumi Akagi, Edson Hirokazu Watanabe, Mauricio Aredes. Instantaneous power theory and applications to power conditioning [M]. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2007.

[ 8] F Z Peng. Harmonic sources and filtering approaches [J]. IEEE Industry Applications Magazine, 2001, 7(4): 18-25.

[ 9] 李達(dá)義，陳喬夫，賈正春(Li Dayi, Chen Qiaofu, Jia Zhengchun). 電力系統(tǒng)諧波源的種類和濾波方法綜述(Types of harmonic sources and their filtering approaches)[J]. 電力傳動(dòng)(Electric Drive), 2005, 35(12): 3-7.

[10] Longhui Wu, Fang Zhuo, Pengbo Zhang, et al. Study on the influence of supply-voltage fluctuation on shunt active power filter [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2007, 22 (3): 1743-1749.

[11] 張國榮，齊國虎，蘇建徽，等(Zhang Guorong，Qi Guohu，Su Jianhui, et al．)．并聯(lián)型有源電力濾波器輸出電感選擇的新方法(A new method of output inductance selection in shunt active power filter)[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSEE)，2010，30(6)：22-27．

[12] Sixing Du, Jinjun Liu, Jiliang Lin. Hybrid cascaded H-bridge converter for harmonic current compensation [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28 (5): 2170-2179.

[13] An Luo, Shuangjian Peng, Chuanping Wu, et al. Power electronic hybrid system for load balancing compensation and frequency-selective harmonic suppression [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, 59 (2): 723-732.

[14] L Zhou，K M Smedley．Unified constant-frequency integration control of active power filters [A]. Fifteenth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference [C]. 2000. 1：406-412.

[15] Xiong Du, Luowei Zhou, Hao Lu, et al. DC link active power filter for three-phase diode rectifier [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2012, 59(3): 1430-1442.

[16] F Z Peng, H Akagi，A Nabae．A new approach to harmonic compensation in power system - A combined system of shunt passive and series active filters [J]．IEEE Transactions on Industry Applications，1990，26(6)：983-990.

[17] 何娜，徐殿國，武健(He Na, Xu Dianguo, Wu Jian)．一種新型混合有源濾波器及其復(fù)合控制策略設(shè)計(jì)(A novel design method and compound control strategy for shunt hybrid power filter)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化(Automation of Electric Power Systems), 2007, 31(10): 45-49.

[18] Dayi Li, Qiaofu Chen, Zhengchun Jia, et al. A novel active power filter with fundamental magnetic flux compensation [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2004, 19(2): 799-805.

[19] 帥智康，羅安，涂春鳴，等(Shuai Zhikang, Luo An, Tu Chunming, et al.)．并聯(lián)混合型有源電力濾波器的最優(yōu)安裝點(diǎn)(Optimal placement of hybrid active power filter)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSEE)，2008, 28 (27): 48-55.

[20] 趙成勇，李庚銀，陳志業(yè)，等(Zhao Chengyong, Li Gengyin, Chen Zhiye, et al.)．混合型諧波電流補(bǔ)償系統(tǒng)的原理及特性(Research on combined harmonic current compensation system)[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)(Journal of North China Electric Power University), 1998, 25 (3): 13-18.

(，cont.onp.30)(，cont.fromp.17)

[21] 陳國柱，呂征宇，錢照明(Chen Guozhu, Lv Zhengyu, Qiao Zhaoming)．有源電力濾波器的一般原理及應(yīng)用(The general principle of active power filter and its application)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)(Proceedings of the CSEE), 2000, 20 (9): 17-21,

[22] H Fujita, H Akagi. A practical approach to harmonic compensation in power systems-Series connection of passive and active filters [J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1991, 27(6): 1020-1025.

[23] Longfu Luo, Yong Li, Jiazhu Xu, et al. A new converter transformer and a corresponding inductive filtering method for HVDC transmission system [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2008, 23(3): 1426-1431.

[24] 肖國春，劉進(jìn)軍，楊君，等(Xiao Guochun, Liu Jinjun, Yang Jun, et al.)．高壓直流輸電用直流有源電力濾波器的研究(The study on DC active power filter for HVDC system)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)(Transactions of China Electrotechnical Society), 2001, 16 (1): 39-42.

Novel universal active power filter with hybrid control

LI Wei-dong1, LI Da-yi2, YANG Guo-qing1, SUN Feng-feng1

(1. Shenzhen Technology Innovation Green (TIG) New Energy Technology Co. Ltd., Shenzhen 518057, China; 2. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology， Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

In order to cater for the filtering of both the voltage-type and current-type harmonic sources, a general active power filter with hybrid control together with the advantage of parallel topology of conventional active power filter is proposed. In the proposed active power filter, the fundamental voltage across the harmonic source and the system harmonic current are detected, and the two signals are amplified and combined to be the reference signal. A voltage source inverter is applied to follow the reference in order to generate a voltage, which is connected with a little reactance. And then the combination of the inverter output and the little reactance is connected in parallel with the harmonic source. In terms of the principle analysis, the active power filter can compensate the reactive power to the fundamental, whereas it has the role of series high impedance and parallel low impedance to harmonic. Therefore the power filter plays the role of filtering and isolating. The filter has the advantages of simple structure, convenient protection, good filtering effect, small inverter capacity and is suitable for two types of harmonic sources. The validity of the theory is proved by the experimental results.

active filtering; reactive power compensation; hybrid control

2015-03-31

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51477060；51277081)

李衛(wèi)東(1966-), 男, 四川籍， 工程師， 碩士， 研究方向?yàn)橥ㄐ拍K電源、 儲(chǔ)能系統(tǒng)和電力電子技術(shù)； 李達(dá)義(1970-)， 男， 湖北籍， 副教授， 博士， 研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)電能質(zhì)量(通信作者)。

TM477

A

1003-3076(2016)02-0013-05