鞍山博旭电力技术有限公司

有源电力滤波器技术与展望

发表时间:2023-11-09 访问量:1561

摘要:随着电力电子技术的飞速发展以及广泛应用,在提高输电效率的同时,其带来的弊端也日益凸显,最严重的是造成了电网中的谐波污染,对电力系统的运行、电能的生产及输送都造成很大的危害。现如今治理谐波最有效的方法之一就是使用有源电力滤波器(Active Power Filter, APF)对谐波电流进行补偿。本文对配电系统中APF拓扑结构、工作原理、控制策略现状以及应用前景进行了阐述。

一、引言

随着电力电子器件的大规模使用,电网中产生了大量谐波和无功,对电能质量造成污染,使电流波形发生畸变,损害电能的生产及输送。因此,开展有效抑制电网中谐波的研究迫在眉睫。目前,无源电力滤波器(Passive Power Filter,PPF)应用最为普遍,但是PPF 体积大,其滤波特性受系统参数影响较大,容易和电网阻抗产生谐振,动态补偿效果不佳。而有源电力滤波器这种新型装置对PPF 的不足进行了弥补,在无功补偿、谐波抑制以及提高电能质量等方面,APF 已经逐渐将 PPF取代。本文首先分类了APF 的拓扑结构,讲解了各类型APF的工作原理,后对其谐波检测、跟踪方法等控制技术进行了研究,最后展望了未来的发展方向。

二、APF拓扑结构

2.1 根据应用场合分类

根据应用场合一般分为单相和三相APF。低功率场合,即100kMA 以下,使用单相APF ;三相APF 应用于中、高功率场合,即100kMA 以上。其中三相又分为三相三线制和三相四线制,三相四线制APF 在谐波电流大、功率因数低以及三相不平衡等场合下适用。

2.2根据电网连接方式分类

按照APF与电网连接的方式来分,可分为并联型、串联型和统一电能质量调节器(Unified Power Quality Conditioner,UPQC)三类。串联型APF 要想接入电网,其方式比较复杂,一旦APF 装置出现故障甚至可能造成电力系统断相或缺相,从而引发重大电力事故。因此如何让故障的APF 安全脱离电网,以及确保电网安全运行充满了艰难。并联型APF 接入电网的设计相较于串联型则容易些,现场投切更加安全可靠,其应用场合更加广泛且更有优势,因此并联型APF 是目前应用最广泛的拓扑结构。串并联型则结合上述两种结构的优点,适用性较强,但控制方法较复杂。

并联型APF与非线性负载并联接入系统,相当于受控电流源,由于是和非线性负载并联,因此不会影响系统的正常运行,并联型APF 在技术上已经趋于成熟,目前工业中已广泛投入使用。然而,单独使用时对容量要求较大,造成系统功率损耗较高,产生电磁干扰现象,其拓扑结构如图2所示。

串联型APF经耦合变压器与非线性负载串联接入电网,主要针对电压型负载侧使用,相当于受控电压源,在直流场合使用时容易出现直流磁饱和现象,故一般只用在交流系统中。主要作用是消除电压谐波,同时可以降低电压波动对敏感负载产生的影响。

UPQC又称为串-并联型新型有源电力滤波器,由串联型APF和并联型APF经公共直流电抗器背对背连接构成,它综合了两者的构成特点,其中串联型APF经变压器与电源串联,起隔离谐波调整电压的作用。并联型APF与非线性负载并联,起补偿谐波电流、无功功率以及调节直流侧电压的作用。UPQC主要是用来解决系统中的电能质量问题,是目前公认的最为理想的一种有源电力滤波器,优点非常多,除了基本的谐波抑制和无功补补偿的作用外,还拥有消除电压波动和闪变、不间断供电、储能等功能,既可以用于单相系统,也可以用于三相系统,缺点是成本昂贵,结构复杂不易控制。


三、APF工作原理

有源电力滤波器的主要功能是对动态谐波进行抑制,同时还能对无功进行相应的补偿。它能够对不同大小和频率的谐波进行快速跟踪补偿,之所以称为有源,是相对于无源LC 滤波器,只能被动吸收固定频率与大小的谐波而言,APF 可以通过采样负载电流并进行各次谐波和无功的分离,控制并主动输出电流的大小、频率和相位,并且快速响应,抵消负载中相应电流,实现了动态跟踪补偿,而且可以既补谐波又补无功和不平衡。

有源滤波器可称为任意波形发生器或可控非线性器件。,通过算法运算检测谐波分量,经滞环控制或其他控制发出PWM 信号,该信号控制APF 主电路产生一个与谐波大小相等、方向相反的补偿电流,使系统中谐波分量被抵消。从理论上讲,有源滤波器可对任意谐波分量进行补偿。

APF 主要构成分为四部分:(1)指令电流运算电路:将从电网中检测到的谐波电流分量进行运算得出指令信号。(2)电流跟踪控制电路:收到指令信号后产生响应,输出能够控制主电路的PWM 信号。(3)驱动电路: 将 PWM 信号转化输出为能够控制主电路功率开关器件通断的信号。(4)主电路:收到驱动信号后发出补偿电流。

上述一系列流程过后,就能够使主电路向电网注入最后大小与谐波电流相等、极性相反的补偿电流,完成其工作任务,达到补偿目的。




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