邱 波

廊坊供電公司，河北廊坊 065000

0 引言

有源電力濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它可以對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償，是一種理想的諧波補(bǔ)償裝置[1]。但隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和電力負(fù)荷成分的日益復(fù)雜，各種電能質(zhì)量問題如電壓跌落、電壓上升的電壓偏移問題，瞬時斷電、暫時斷電的供電連續(xù)性問題以及諧波等問題在同一配電系統(tǒng)中同時出現(xiàn)的情況越來越多[2]。而傳統(tǒng)的有源電力濾波器功能單一，為了實現(xiàn)有源電力濾波器多功能化的要求。本文提出了將超級電容器作為有源電力濾波器直流側(cè)儲能元件，滿足了有源電力濾波器多功能化的要求。

1 有源電力濾波器的基本原理與存在問題

圖1為并聯(lián)型有源電力濾波器的原理圖[3]。如圖所示整個系統(tǒng)由指令電流運(yùn)算電路、電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和主電路組成。其中指令電流運(yùn)算電路又稱為諧波和無功電流檢測電路。當(dāng)指令電流運(yùn)算電路檢測出電網(wǎng)電流中含有諧波和無功等分量時，將產(chǎn)生與之相對應(yīng)的指令電流，采用適當(dāng)?shù)目刂品绞饺鐪h(huán)控制作用于功率電路產(chǎn)生實際的補(bǔ)償電流，此電流與檢測出的諧波和無功電流大小相等而方向相反，將補(bǔ)償電流注入到電網(wǎng)中，從而消除了電網(wǎng)電流中存在的諧波和無功分量[4]。

圖1 并聯(lián)型有源電力濾波器原理圖

根據(jù)以上對有源電力濾波器的工作原理的分析可知，若有源電力濾波器僅用于補(bǔ)償無功功率時，直流側(cè)Udc不需要儲能元件，當(dāng)用于諧波補(bǔ)償時儲能元件的容量也不需要很大。由于其儲能元件的容量很小從而有源電力濾波器不具備提供有功功率這一功能。選擇合適的直流側(cè)儲能元件增加其存儲能量，使有源電力濾波器可以運(yùn)行于四個象限，即同時發(fā)出無功功率和吸收有功功率，發(fā)出無功功率和發(fā)出有功功率，吸收無功功率和吸收有功功率，吸收無功功率和發(fā)出有功功率。這樣有源電力濾波器不僅可以補(bǔ)償諧波、無功和負(fù)序電流，還可以抑制電壓閃變、平衡三相電壓，解決了電網(wǎng)中存在的若干電能質(zhì)量問題。

2 超級電容器儲能系統(tǒng)

超級電容器作為一種新型的儲能元件，具有功率密度大，能量密度高的特性，容量大目前單體超級電容器的最大電容量可達(dá)到10000F。充電速度快在幾十秒到數(shù)分鐘內(nèi)完成充電過程，適合大電流和短時間充放電的場合。此外還具有工作溫度范圍廣，循環(huán)充放電次數(shù)多，排放零污染等特點[5]。

表1是超級電容器與幾種常見的儲能技術(shù)的性能比較。

表1 各種儲能技術(shù)的比較[6]

從表1可以看出超級電容器具有快速充放電和功率密度大的優(yōu)點，可以用來解決電力系統(tǒng)中的一些暫態(tài)問題，例如電壓暫降和短時電壓中斷等。

超級電容器儲能系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)如圖2所示[7]。

圖2 超級電容器儲能系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

超級電容儲能系統(tǒng)主要由超級電容器組、整流器、逆變器、雙向變換器以及控制單元組成。將該儲能系統(tǒng)連接于微電網(wǎng)和負(fù)荷之間。未出現(xiàn)故障時，整流器提供的直流電能儲存在超級電容器中，若電網(wǎng)中出現(xiàn)電壓暫降等故障時，超級電容器通過逆變器向負(fù)載輸出能量，快速補(bǔ)償了系統(tǒng)所需，維持了負(fù)荷側(cè)的電壓等級?？紤]到能量的雙向流動，超級電容通過雙向DC/DC變換器與逆變器相連。

3 基于超級電容儲能的有源電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成

從圖3中可以看到，本文所設(shè)計的裝置是在并聯(lián)型有源電力濾波器的基礎(chǔ)上增加了超級電容儲能系統(tǒng)，由整流器、Buck-Boost雙向DC/DC變換器，PWM逆變器和Γ型LC濾波器，串聯(lián)變壓器幾部分組成。

系統(tǒng)工作原理為，閉合輸入刀閘，由電網(wǎng)提供的電能一方面通過開關(guān)S2向負(fù)載供電，一方面通過開關(guān)S1向超級電容器充電，此時雙向DC/DC變換器工作于Buck方式，充電電阻R1限制了電容器充電瞬間所產(chǎn)生的巨大充電電流。當(dāng)平波電容器充電到80%的時候，將繼電器J1、J2閉合，通過充電電阻R2給超級電容器供電。此時開關(guān)S3、S4斷開，S5閉合。

圖3 基于超級電容儲能的有源電力濾波器電路結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)檢測電路檢測到補(bǔ)償對象電流中存在諧波和無功分量后，將其反極性作為補(bǔ)償電流的指令信號，采用三角波控制方式控制PWM逆變器產(chǎn)生實際的補(bǔ)償電流，通過開關(guān)S5向電網(wǎng)注入與諧波和無功電流大小相等方向相反的電流，起到了消除諧波和無功電流的目的。

當(dāng)檢測電路檢測到系統(tǒng)出現(xiàn)電壓暫降時。開關(guān)S5、S2關(guān)斷，開關(guān)S1、S3、S4導(dǎo)通。由電網(wǎng)和本裝置共同對負(fù)載供電，此時雙向DC/DC變換器工作于Boost方式，繼電器J3導(dǎo)通，PWM變流器通過Boost電路汲取超級電容器中的能量，裝置提供的補(bǔ)償電壓通過串接變壓器疊加到供電回路中。這里串聯(lián)變壓器將逆變器與電網(wǎng)隔離，降低了直流母線的電壓，便于功率器件的選取。

一旦電網(wǎng)停電，僅通過本裝置不間斷的對負(fù)載供電，為了防止電流反向流向電網(wǎng)開關(guān)S1、S2應(yīng)處于關(guān)斷狀態(tài)。開關(guān)S3、S4關(guān)斷S5導(dǎo)通。此時繼電器J3導(dǎo)通，雙向DC/DC變換器工作于Boost方式， PWM變流器通過Boost電路汲取超級電容器中的能量，由裝置為重要負(fù)荷供電。待電網(wǎng)恢復(fù)正常后，開關(guān)S1導(dǎo)通，由電網(wǎng)供電。若超級電容器兩端電壓降低到其額定電壓的50%，電網(wǎng)還未恢復(fù)正常供電，主控單元向逆變器發(fā)出閉鎖脈沖，停止給負(fù)荷供電，負(fù)荷停止運(yùn)行。

4 結(jié)論

為了實現(xiàn)有源電力濾波器多功能化，獲得更高的性價比，其直流側(cè)儲能元件必須合理選擇。將超級電容器作為有源電力濾波器直流側(cè)儲能元件，實現(xiàn)了多功能化的要求，通過仿真驗證了該裝置在有效地解決諧波補(bǔ)償?shù)耐瑫r，也改善了電網(wǎng)中出現(xiàn)的電壓跌落等若干電能質(zhì)量問題。

[1]王兆安，楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2]肖湘寧，徐永海，劉連光.供電系統(tǒng)電能質(zhì)量[M].北京：華北電力大學(xué)出版社，2000.

[3]楊君.諧波和無功電流檢測方法及并聯(lián)型有源電力濾波器的研究[D].西安：西安交通大學(xué)，2006.

[4]宋琦.并聯(lián)型有源濾波及無功補(bǔ)償?shù)难芯?[D].武漢；華中科技大學(xué)，2005.

[5]張熙貴，王濤，夏保桂.一種優(yōu)秀的儲能元件——超級電容器[J]，2003(8)：40-42.

[6]王宇.電力系統(tǒng)諧波及其抑制技術(shù)的研究[D].哈爾濱理工大學(xué)，2009.

[7]王鑫.超級電容器對微電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的研究[D].華北電力大學(xué)，2009，12.