李璨

(國(guó)網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，山東 濟(jì)南 250000)

1 引言

用電技術(shù)在飛速的發(fā)展，電網(wǎng)中的整流、逆變、變頻設(shè)備出現(xiàn)了重大變革，電力電子裝置拓寬了電能的應(yīng)用，也提高了用電效率。目前，以電力電子裝置為主的非線性負(fù)載直接影響了電力系統(tǒng)的波形質(zhì)量，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓和電流發(fā)生了波形畸變，產(chǎn)生大量諧波，破壞了電網(wǎng)的電氣環(huán)境。諧波對(duì)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。

目前一般采取兩種類型的措施的進(jìn)行諧波抑制:

一是采取措施減少設(shè)備自身產(chǎn)生的諧波，例如采用多脈動(dòng)換流技術(shù)與PWM技術(shù);

二是通過(guò)裝設(shè)濾波裝置濾除諧波。前者會(huì)增大投資成本而且適用范圍有限，后者一般通過(guò)裝設(shè)無(wú)源濾波器或有源濾波器進(jìn)行諧波抑制，無(wú)源濾波器難以達(dá)到較好的濾波效果，有源濾波器或混合型有源濾波器實(shí)時(shí)對(duì)負(fù)荷諧波起著抵償作用，器具有較好的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果，應(yīng)用前景廣泛。

2 有源濾波器簡(jiǎn)介

(混合型)有源濾波器是目前電能質(zhì)量領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，主要包括基于瞬時(shí)無(wú)功功率的有源濾波器和基于磁通補(bǔ)償原理的有源濾波器兩類?；谒矔r(shí)無(wú)功功率的有源濾波器是常見(jiàn)的、研究較多的類型，其采用瞬時(shí)無(wú)功功率理論實(shí)時(shí)檢測(cè)到補(bǔ)償諧波電流，通過(guò)控制逆變器產(chǎn)生一個(gè)與諧波電流相反的電流來(lái)抵消負(fù)載中所包含的諧波，使系統(tǒng)電流變成正弦波。主要分為三種:第一種是傳統(tǒng)的并聯(lián)型有源濾波器方案;第二種是并聯(lián)無(wú)源加串聯(lián)有源濾波器相結(jié)合的方案;第三種是有源濾波器和無(wú)源濾波器串聯(lián)后與電網(wǎng)并聯(lián)的混合型方案。目前國(guó)內(nèi)對(duì)該類型有源濾波器研究較突出是湖南大學(xué)羅安教授與西安交通大學(xué)王兆安教授的課題組?；诖磐ㄑa(bǔ)償原理的有源濾波器采用不同原理，國(guó)內(nèi)主要是華中科技大學(xué)的陳喬夫課題組對(duì)該類型有源濾波器進(jìn)行研究。基于磁通補(bǔ)償?shù)?混合型)有源濾波器可分為兩種，即基于基波磁通補(bǔ)償?shù)拇?lián)型有源濾波器和基于諧波磁通補(bǔ)償?shù)牟⒙?lián)型有源濾波器。

3 并聯(lián)混合型有源濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文主要介紹目前工程應(yīng)用較多的基于瞬時(shí)無(wú)功功率的并聯(lián)混合型有源濾波器，其主電路圖如圖1所示。由于無(wú)源濾波器的結(jié)果簡(jiǎn)單、成本低、運(yùn)行維護(hù)方便，并聯(lián)混合型有源濾波器利用了無(wú)源濾波器來(lái)承擔(dān)大部分的諧波濾除功能，該類型濾波器結(jié)合了無(wú)源與有源的優(yōu)點(diǎn)，可使裝置獲得良好的濾波性能。

圖1 有源濾波器電路結(jié)構(gòu)圖

該類型有源濾波器的有源部分主要由指令運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路組成，其原理是通過(guò)檢測(cè)電路檢測(cè)電網(wǎng)中的電流，經(jīng)過(guò)指令運(yùn)算電路計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)碾娏鳎a(chǎn)生指令信號(hào)，再經(jīng)過(guò)電流跟蹤控制電路達(dá)到驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)逆變器產(chǎn)生補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流與諧波電流可以相互抵消，來(lái)濾除諧波。無(wú)源部分是由電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成的，除起濾波作用，還有無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔谩８鶕?jù)圖1中的電路圖可作出并聯(lián)混合型有源濾波器單相等效電路如圖2所示。

圖2 單相等值電路

工作時(shí)，并聯(lián)混合型有源濾波器產(chǎn)生的諧波電流Ip為:電源的諧波電流以及連接入點(diǎn)處的諧波電壓為:

根據(jù)等效電路圖，當(dāng)滿足:

此時(shí)諧波電流將流入無(wú)源濾波器，如果KsZan＞＞Zsn，則濾波特性由決定。

4 有源濾波器的諧波檢測(cè)與控制系統(tǒng)

有源濾波器的諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)原理圖如圖3所示，諧波檢測(cè)首先需要電壓或電流互感器進(jìn)行電壓或電流的測(cè)量，再進(jìn)行預(yù)處理，一般的預(yù)處理環(huán)節(jié)為將電流或電流互感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，而且在轉(zhuǎn)化過(guò)程中還需要適當(dāng)?shù)臑V波與放大。由于有源濾波器對(duì)諧波信號(hào)的時(shí)間同時(shí)性要求非常高，所以需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣與保持，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，A/D轉(zhuǎn)換精度要求較嚴(yán)格，通常應(yīng)該在12位以上。有源濾波器控制器算法比較復(fù)雜，而且運(yùn)算速度要求較高，因此一般采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。

圖3 有源濾波器諧波檢測(cè)系統(tǒng)

圖4 有源濾波器控制系統(tǒng)

圖4所示為有源濾波器的控制系統(tǒng)，一般由控制算法部分與出發(fā)脈沖產(chǎn)生部分組成，控制系統(tǒng)及其控制算法是決定有源濾波器濾波效果好壞的關(guān)鍵因素?？刂扑惴ㄌ幚聿糠质紫纫獙?duì)諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)送來(lái)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，快速檢測(cè)出需要的諧波與有源濾波器產(chǎn)生的諧波進(jìn)行比較，根據(jù)其差值采用一定的控制方法產(chǎn)生出發(fā)脈沖信號(hào)送給出發(fā)脈沖發(fā)生部分，而出發(fā)脈沖發(fā)生部分根據(jù)信號(hào)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)脈沖去驅(qū)動(dòng)逆變器，使其產(chǎn)生的諧波電流與所需的諧波電流相同，從而達(dá)到諧波補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

5 有源濾波器的濾波特性

圖5、圖6為某電子有限公司生產(chǎn)的有源濾波器投入前后的非線性負(fù)載的三相電流波形圖，濾波前的諧波源三相電流諧波含量較高，波形畸變嚴(yán)重，諧波含量大59.7%，有源濾波器投入后，諧波含量將為4.6%。這類有源濾波器的濾波效果明顯，但同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，濾波后的三相電流波形中含有較多的毛刺，這是濾波前波形中所沒(méi)有的，可以推斷這些毛刺是有源濾波器IGBT器件的高頻動(dòng)作產(chǎn)生的，毛刺含量過(guò)多同樣會(huì)危害到電網(wǎng)與設(shè)備的正常運(yùn)行。

圖5 濾波前的三相電流波形圖

圖6 濾波后的三相電流波形圖

5 總結(jié)

電網(wǎng)諧波的存在會(huì)嚴(yán)重惡化電網(wǎng)的電氣運(yùn)行環(huán)境，危害電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，有源濾波器或混合型有源濾波器實(shí)時(shí)對(duì)負(fù)荷諧波起著抵償作用，器具有較好的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果，應(yīng)用前景廣泛。

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