并联有源滤波器与无源滤波器的研究

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摘 要:并联型有源电力滤波器是最基本也是工业中最常用的,但是其成本很高。为了弥补这一缺点,提出了将无源滤波器与有源滤波器结合起来组成混合型有源电力滤波器。这能有效克服原有滤波器的不足,降低成本。

关键词:有源滤波器;无源滤波器;混合型有源电力滤波器

在各种有源电力滤波器中单独使用的并联型有源电力滤波器是最基本的一种,也是工业中应用最多的一种。与无源滤波器相比有源滤波器有很多优点,但由于使用电力电子开关,因此有源电力滤波器成本高,要在配电系统中广泛推广还有困难。有源电力滤波器的成本的与容量成一定的比例关系,因此对于一定容量的非线性负载,如果能减小有源电力滤波器的容量就可以减低成本。为此人们提出了将无源滤波器与有源滤波器结合起来组成混合型有源电力滤波器(Hybrid Active Power Filter-HAPF),其基本思想是利用LC滤波器分担有源滤波器的部分补偿任务。它一方面克服了单独使用无源或有源滤波器的不足,另一方面又可以有效降低有源滤波器的容量,从而可以有效降低成本。

一、并联有源滤波器与无源滤波器的连接方式

并联型有源电力滤波器与LC滤波器混合使用的方式又可分为两种:一种是有源电力滤波器与LC滤波器并联;另一种是有源电力滤波器与LC滤波器串联。

图1所示为并联有源电力滤波器与LC滤波器并联方式的两种形式。图1(a)的方式中,有源电力滤波器与高通滤波器均与谐波源接入并联电网,两者共同承担补偿谐波的任务,高通滤波器主要补偿较高次的谐波。这里,高通滤波器,一方面用于消除补偿电流中因主电路中器件通断而引起的谐波,另一方面它可消除补偿对象中次数较高的谐波,从而使得对有源电力滤波器主电路中器件开关频率的要求也可以有所降低。

这种方式中,由于LC滤波器只分担了少部分补偿谐波的任务,故对降低有源电力滤波器的容量起不到显著的作用。图1(b)的方式,LC滤波器包括多组单调谐滤波器及高通滤波器,承担了绝大部分补偿谐波和无功的任务。有源电力滤波器的作用是改善整个系统的性能,其所需的容量与单独使用方式相比可大幅度降低。但是从理论上讲,凡使用LC滤波器均存在与电网阻抗发生谐振的可能,因此在有源电力滤波器与LC滤波器并联使用的方式中,需对有源电力滤波器进行有效的控制,以抑制可能发生的谐振。

图2所示为并联有源电力滤波器与无源滤波器串联方式。该方式中,无源滤波器由调谐在5、7和11等次的单调谐滤波器,或者一个高通滤波器并联构成,谐波和无功功率主要由无源滤波器补偿,有源电力滤波器的作用是改善LC滤波器的滤波特性,它只需补偿LC滤波器未能补偿的谐波,并克服LC滤波器易受电网阻抗的影响、易与电网阻抗发生谐振等缺点。然而,在这种方式中,有源电力滤波器不用承受交流电源的基波电压,而且只需要提供很小的补偿电流,因此,其所需装置容量不是很大。

二、并联混合型有源电力滤波器的补偿原理与补偿特性

根据图2,可以画出并联混合型有源电力滤波器的单相等效电路[10],如图3所示,其中ZS为系统阻抗,ZF为LC滤波器的总阻抗(为讨论方便,下面将系统和LC滤波器的基波阻抗记为ZS和ZF,而谐波阻抗记为ZSH和ZFH),uS、uAF分别表示系统电压和APF输出电压,iS、iL、iF分别表示系统侧电流、负载电流和滤波器支路电流。

采用电流比例控制,控制APF的输出电压等于系统侧谐波电流的K倍,即

uAF=KiSh

这里将有源滤波器等效为一个受控电压源,则整个电路为线性电路,可以利用迭加原理对图4进行分析。

在理想情况下,通过控制混合型滤波器中有源部分的输出电压即可达到补偿谐波的目的。此时,由于无源滤波器在谐波下的阻抗很小,使得有源滤波器的输出电压uAF也很小,使其容量仅占整个滤波器容量很小的一部分,整体的成本得以下降。同时,当无源滤波器和电力系统之间的并联阻抗在某次谐波下接近无穷大时将会发生并联谐振,有源滤波器的投入使得无源滤波器支路对各次谐波阻抗均为零,不会达到并联谐振的条件,可以抑制并联谐振的发生;当无源滤波器和电力系统之间的串联阻抗在某次谐波下接近零时,只要它们之间有一定的谐波电压就会导致谐波放大,发生串联谐振,有源滤波器的投入使无源滤波器和电力系统串联阻抗之间的谐波电压为零,可以有效地抑制串联谐振。

混合有源电力滤波器克服了无源滤波器和有源电力滤波器的缺点,降低了逆变器容量,能同时补偿变化的无功功率和抑制各次谐波,动态性能好,提高了性价比,有较好的应用前景。