一种新型混合型有源电力滤波器的研究

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                    1 引言
　　近年来，谐波污染是电能质量中较为突出的问题，对其进行有效治理对电力系统和电力用户具有重要意义。对于高电压、大容量谐波源，目前国内外主要采用LC无源滤波器(Passive Filter，PF)进行补偿，尽管它具有初期投资小、结构简单等优点，但其滤波性能对系统阻抗、频率等参数变化要求极其敏感，难以达到预期的滤波效果。有源电力滤波器(Active Power Filter，APF)虽然能克服PF存在的缺陷，但其安装容量则受开关器件水平的限制。将PF和APF相结合组成的混合型有源电力滤波器(Hy-brid Active Power Filter，HAPF)则可以弥补两者的不足，降低谐波补偿系统的初期投资，提高性价比，并实现了APF实用化及抑制谐波的目的。
　　HAPF常见结构有3种：并联型APF与PF并联、APF与并联的PF串联、串联型APF与PF并联。在并联型APF与PF并联的结构中，APF补偿PF作用后残余的谐波电流，由于PF可滤除大部分谐波，因此所需的APF容量较小。但是电源与APF及APF与PF之间存在着谐波通道，特别是APF与PF之间的谐波通道很可能使APF的谐波电流流入PF及电网中其他节点连接的滤波电容中。由于大型供配电站通常希望在滤除谐波的同时进行无功功率补偿。采用并联型APF与PF串联的结构在变压器的耦合作用下，使基波无功电流流过APF。这样就增大了APF的容量，同时也必然增大实现变流器的技术难度和成本，从而限制了APF在大型变电站的应用。在串联型APF与PF并联的结构中，谐波基本由PF补偿，APF可视为一个可变阻抗，对基波的阻抗为0。对谐波呈现高阻抗，阻止谐波电流流入电网，同时还能抑制电网与PF可能产生的谐振，改善了PF的滤波特性，但其结构不易安装。
　　本文在文献[11]的基础上提出一种HAPF的拓扑结构，即将APF与基波串联谐振支路并联再与PF串联的方法。在该结构中PF承担了大部分抑制谐波和无功补偿的任务，APF只承受很小的基波电压和谐波电流，因此能显著降低APF的容量，使APF可应用于大功率场合。
2 并联混合型有源电力滤波器结构
　　并联混合型有源电力滤波器的电路结构如图1所示。在该结构中，APF先与基波串联谐振支路L1-C1并联再与3次谐振支路L3-C3和5次谐振支路L5-C5串联后并入系统支路，抑制非线性整流负载产生的主要谐波分量(3次、5次谐波电流)流入电源侧。Ls为系统等效感抗，Us为系统电压，La为平波电抗，L和R分别为整流电路电感和电阻。
　　由于整流负载为感性，可将整个负载等效为一个电流源，将APF等效成一个电流控制的电流源．控制电流为负载谐波电流iLh，iAPF为APF补偿电流，k为控制系数，控制函数为：

　　根据叠加原理，将图1等效分解为电网基波电压Usf和负载基波电流iLf作用下的等效电路以及系统谐波电压Ush作用下的等效电路和负载谐波电流iLh作用下的等效电路，LF和CF分别为3次、5次谐振支路并联等效电感和电容；ish和isf分别为系统谐波电流和系统基波电流。
　　当只有电网基波电压Ush和负载基波电流iLf作用时，等效电路如图3所示。当iAPF=kiLh=0时，APF支路相当于断路，基波谐振支路在基波下发生谐振，相当于短路，PF起无功补偿的作用。
　　在系统谐波电压单独作用下，此时，iAPF=kiLh=0，ish=Ush／(ZS+ZF+Z1)，Zs为系统阻抗，ZF为PF的阻抗，Z1为基波谐振电路阻抗。可见基波谐振支路具有抑制系统谐波电压产生谐波电流的作用。
　　只有负载谐波电流作用时，首先分析纯无源滤器的工作情况，等效电路如图5所示，系统谐波电流为

　　由式(2)可知，如果电源阻抗很小(|ZS|≈0)或PF没有调谐到负载所产生的谐波频率(|ZF|>>|ZS|)，就达不到所要求的滤波特性。尤其是，当ZS与ZF在特定频率处发生并联谐振((|ZF+ZS|≈0)，将出现谐波放大现象，流入电源的谐波电流比负载中的谐波电流还要大。
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可知：

　　由式(3)可求出流入电源侧的谐波电流：

　　由式(5)可知，加入APF和基波谐振支路相当于在系统侧串联一个阻抗Z1，迫使负载谐波电流流入无源滤波支路，改善了PF的滤波效果。
3 实验分析
3.1 实验电路
　　(1) 采集非线性负载的电流iL经信号调理后发送至模／数转换器处理，转换结果送至数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)，计算所需补偿的谐波指令电流。
　　(2) 采集APF交流侧输出电流iC，补偿电流经信号调理后送入模／数转换器，转换结果送至DSP。
　　(3) 根据补偿电流与指令电流之间的关系，DSP控制脉宽调制引脚的高低电平，并由驱动电路控制可关断器件绝缘栅双极晶体管(INSulated GateBipolar Transistor。IGBT)的通断。
　　(4) 驱动电路同时检测过流故障，由DSP处理封锁控制信号、停机等控制。
　　谐波源用二极管桥式整流电路带阻感性负载模拟，电阻RL=30 Ω，电感LL=280 mH。电源电压为100 V；IGBT采用三菱CT60AM-18F，集-射极额定电压为900 V，额定电流为60 A；变流器直流侧电容为3 300μF，450 V。
3.2 实验结果及分析
3.2.1 不接滤波装置
　　即电源电流is波形。总谐波畸变率为40.435％。负载电流中2～11次谐波与基波的百分比。可见整流负载严重污染了电源电流，必须加装谐波抑制装置。

3.2.2 装设3次、5次LC无源滤波器
　　虽然3次谐波的含量下降了30.61％，5次谐波的含量下降了5.485％，但下降幅度不大，滤波效果并不明显，因此有必要加装APF来改善PF的滤波性能。同时3次和5次无源滤波支路对7次、9次和11次等高次谐波也具有一定的滤波作用。
3.2.3 装设并联混合型有源电力滤波器
　　并联混合型有源滤波装置能够明显改善无源滤波器的滤波效果：总谐波畸变率降到11.033％，分别比无滤波装置和只加装3次、5次无源滤波装置时下降了73.088％和62.000％：3次谐波的含量分别比无滤波装置和只加装无源滤波装置时下降了79.239％和70.022％；5次谐波的含量分别比无滤波装置和只加装无源滤波装置时下降了81.268％和73.230%。
　　系统稳定后测得APF交流侧电压的有效值为6.38 V，占负载电压的6.38％；补偿电流的有效值为0.94 A，占负载总电流的31.21％。APF容量仅仅为整流负载容量的1.99％，3次和5次谐波电流仅仅占总负载电流的34％。因此，如果用纯并联型APF抑制3次、5次谐波，其容量大约为负载容量的34％。显然这种并联混合型APF结合了APF和PF的优点，在保证滤波效果的同时大大降低了APF的容量。
4 结束语
　　在并联混合型APF中，无源滤波支路承担了电源基波电压，基波谐振支路分流了基波无功电流，使有源滤波器不承受基波电压和基波无功电流．容量大为减小。
　　控制的结果表明，装设并联混合型APF相当于在网侧等效串联一个谐波阻抗，阻抗越大，滤波效果越好；而且属于开环控制，不存在系统不稳定的情况。
　　理论分析和实验结果表明，并联混合型APF的电路结构充分发挥了无源滤波器和有源滤波器各自的优点，并减小了有源滤波器的容量，改善了无源滤波器的性能。