有源電力濾波器抑制諧波的機(jī)理分析

1、有源電力濾波器抑制諧波的機(jī)理分析李承,鄒云屏(華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,湖北省武漢市430074摘要:研究了中低壓電網(wǎng)中由非線性負(fù)載產(chǎn)生諧波的機(jī)理,提出所有由非線性負(fù)載直接引起的諧波是電流諧波,因而治理非線性負(fù)載引起的諧波應(yīng)首先考慮治理諧波電流。同時(shí),從補(bǔ)償和濾波兩種思想出發(fā),指出并聯(lián)型諧波補(bǔ)償有源電力濾波器(APF 的補(bǔ)償作用和串聯(lián)型基波補(bǔ)償APF 的濾波作用可適用于非線性負(fù)載諧波電流的抑制。仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。關(guān)鍵詞:有源電力濾波器;非線性負(fù)載;諧波特性;補(bǔ)償與濾波特性中圖分類(lèi)號(hào):TM761;TN713.8收稿日期:2003202211;修回日期:2003203205。0

2、引言電力系統(tǒng)中的諧波已越來(lái)越受到人們的關(guān)注,而治理諧波的手段與方法也在不斷地更新和發(fā)展。許多文獻(xiàn)從不同的角度對(duì)電力諧波的產(chǎn)生和諧波的治理進(jìn)行了詳細(xì)討論。特別是對(duì)于有源電力濾波器(APF active power filter 的研究14,已成為一個(gè)新興的、跨學(xué)科綜合性研究領(lǐng)域。根據(jù)APF 接入電力系統(tǒng)方式的不同,可分為并聯(lián)型 APF 和串聯(lián)型APF 。要真正用好APF ,不僅應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的機(jī)理有充分的認(rèn)識(shí),還應(yīng)對(duì)APF 的特性及作用有清楚的了解。只有這樣才能使APF 更有效、更可靠地在系統(tǒng)中發(fā)揮應(yīng)有的作用。為此,本文研究了由非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波和APF 補(bǔ)償主回路的特性,指出非線性負(fù)

3、載產(chǎn)生諧波的直接形式為電流諧波,它可以轉(zhuǎn)換為電壓諧波。在此基礎(chǔ)上,提出了針對(duì)非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流應(yīng)采用的并聯(lián)或串聯(lián)濾波方法。1非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波及其形式的變化電網(wǎng)中諧波有2種表現(xiàn)形式,即諧波電流和諧波電壓。雖然這2種形式諧波產(chǎn)生的途徑不同,但在電路中可以相互轉(zhuǎn)換。對(duì)于中低壓電網(wǎng)(如城域網(wǎng)來(lái)說(shuō),諧波主要來(lái)源于電力用戶的非線性負(fù)載,對(duì)于這種諧波源,應(yīng)該從根本上治理5。因?yàn)橛煞蔷€性負(fù)載產(chǎn)生的諧波首先是以電流形式出現(xiàn)的,由電路理論可知,電源向負(fù)載供電可以用圖1所示的電路等效。圖1供電等效電路Fig.1Equivalent circuit of pow er supply由圖1可知,當(dāng)負(fù)載未向電源

4、索取電流時(shí)(如負(fù)載開(kāi)路,電路中沒(méi)有電流,當(dāng)然也沒(méi)有諧波電流,此時(shí)電源端電壓u =u s ,是單一頻率正弦電壓;當(dāng)負(fù)載向電源索取電流時(shí),或者說(shuō),當(dāng)電源電壓加在負(fù)載上時(shí),電路中才有電流。如果負(fù)載為非線性負(fù)載,則電流中也就包含了諧波電流。因此,非線性負(fù)載接入電路,要向電源索取電流,其中包含諧波電流。換句話說(shuō),由非線性負(fù)載直接產(chǎn)生的諧波形式是諧波電流,或者說(shuō)非線性負(fù)載作為諧波源應(yīng)視為諧波電流源。當(dāng)然,電路中的諧波電流與諧波電壓是可以轉(zhuǎn)化的。當(dāng)諧波電流流經(jīng)電源內(nèi)部等效阻抗Z s 時(shí),在阻抗Z s 上產(chǎn)生諧波電壓u z ,此時(shí)電源端電壓u =u s +u z 。顯然,u 中包含了諧波電壓,即電路中的諧波電

5、流轉(zhuǎn)換成了諧波電壓。如果此時(shí)電源向其他負(fù)載供電,這種電源中含有的諧波電壓又會(huì)在其他負(fù)載中形成諧波電流,即電源中的諧波電壓又會(huì)轉(zhuǎn)換為諧波電流。由以上分析可知,要治理由非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波,從根本上來(lái)說(shuō),應(yīng)該從治理諧波電流入手。治理了非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流,也就間接地抑制了由諧波電流產(chǎn)生的電源端諧波電壓。13第27卷第20期2003年10月25日電力系統(tǒng)自動(dòng)化Autormation of Electric Power Systems Vol.27No.20Oct.25,20032APF 的補(bǔ)償與濾波特性采用APF 補(bǔ)償電力諧波,已有許多文獻(xiàn)611討論過(guò)。但是,APF 的補(bǔ)償特性的深入研究并不多見(jiàn)

6、。特別是從濾波的本質(zhì)特性分析APF 更是為數(shù)甚少。本文從補(bǔ)償和濾波兩方面出發(fā),討論在抑制非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波時(shí)APF 表現(xiàn)出的特性和對(duì)諧波的補(bǔ)償及濾波作用。如果電源中的電流只包含基波而沒(méi)有諧波,則此時(shí)電源端電壓為u =u s -i 1Z s1(其中i 1,Z s1分別為基波電流和電源基波阻抗,顯然,u 中不含有諧波電壓。因此,針對(duì)非線性負(fù)載可以視為諧波電流源這一特點(diǎn),要使其產(chǎn)生的諧波電流不對(duì)電源側(cè)造成影響,可通過(guò)治理負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流來(lái)實(shí)現(xiàn),即只要使電源中不含有諧波電流即可。治理非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流可從以下2個(gè)方面考慮。2.1基于補(bǔ)償思想從補(bǔ)償?shù)乃枷氤霭l(fā),要使非線性負(fù)載中的諧波電流不流經(jīng)電

7、源,則應(yīng)該有一個(gè)諧波電流源為非線性負(fù)載另外提供諧波電流,即電源只向負(fù)載提供基波電流,而諧波電流源承擔(dān)向負(fù)載提供諧波電流的任務(wù)。其等效電路如圖2所示。其中,i L =i s +i c ,i L 為非線性負(fù)載中的電流,i s 為電源提供的基波電流,i c 為諧波電流源提供的諧波電流。只要i s 中不含有諧波,則電源端電壓u 中就沒(méi)有諧波 。圖2諧波電流補(bǔ)償?shù)刃щ娐稦ig.2Equivalent circuit of parallel compensatingharmonic currents為了得到一個(gè)諧波電流源,并向非線性負(fù)載提供所需的諧波電流,可以利用APF 的補(bǔ)償特性,采用并聯(lián)型諧波補(bǔ)償AP

8、F 實(shí)現(xiàn)諧波電流。其原理如圖3所示。此時(shí),電源中只有基波電流,沒(méi)有諧波電流,電源的端電壓(即負(fù)載電壓只包含有基波電壓,沒(méi)有諧波電壓。若電源還向其他負(fù)載供電,則不會(huì)因?yàn)殡娫幢旧戆C波而對(duì)接到電源上的其他負(fù)載產(chǎn)生干擾。另一方面,由于串聯(lián)型諧波補(bǔ)償APF 不能提供補(bǔ)償所需的諧波電流,故不能用于非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流的補(bǔ)償。然而,若用串聯(lián)型諧波補(bǔ)償APF 補(bǔ)償電路中的諧波電壓,則可以使負(fù)載兩端電壓為正弦波。但電源中的電流依然包含諧波, 電源圖3并聯(lián)型諧波補(bǔ)償APFFig.3P arallel compensating harmonic currents APF的端電壓u 中也包含諧波,對(duì)接在電源上

9、的其他負(fù)載依然會(huì)產(chǎn)生干擾。因此,試圖用串聯(lián)型諧波補(bǔ)償APF 補(bǔ)償非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流的方法是行不通的。這一結(jié)論應(yīng)該引起充分注意。2.2基于濾波思想從濾波的思想出發(fā),要使非線性負(fù)載中的諧波電流不流經(jīng)電源,即濾去電源電路中的諧波電流,可從以下2個(gè)方面采取措施:為諧波電流提供一個(gè)通路,它對(duì)于諧波電流應(yīng)呈低阻抗或零阻抗,對(duì)于基波電流應(yīng)呈高阻抗,該通路應(yīng)并聯(lián)在電源與負(fù)載之間;可以在負(fù)載與電源之間增加一個(gè)對(duì)于諧波電流呈高阻抗,而對(duì)基波電流呈低阻抗或零阻抗的支路,該支路應(yīng)串聯(lián)在負(fù)載與電源之間。復(fù)合濾波器的等效電路如圖4所示。圖中,Z h對(duì)諧波電流呈高阻抗,對(duì)基波電流呈低阻抗或零阻抗;Z b 對(duì)基波電流

10、呈高阻抗,對(duì)諧波電流呈低阻抗或零阻抗。此時(shí),諧波電流不流經(jīng)Z h 和電源,基波電流不流經(jīng)Z b 。由等效電路可知,此時(shí)電源中沒(méi)有諧波電流,電源兩端也沒(méi)有諧波電壓;負(fù)載中有諧波電流,但負(fù)載兩端沒(méi)有諧波電壓 。圖4復(fù)合濾波等效電路Fig.4Equivalent circuit of combining f iltersZ h 和Z b 可以分別用有源電力濾波器(APF 和無(wú)源電力濾波器(PPF 的濾波特性實(shí)現(xiàn)。其中,并聯(lián)的低(零諧波阻抗支路可采用LC 組成的PPF 實(shí)現(xiàn),也可以采用并聯(lián)型諧波補(bǔ)償APF 實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然,從成本和濾波器功率考慮采用LC 組成的PPF 更為合適。串聯(lián)在電源與負(fù)載之間的高諧波

11、阻抗支路,可以采用串聯(lián)型基波磁通補(bǔ)償APF 6實(shí)現(xiàn)。用PPF 和APF 構(gòu)成的復(fù)合濾波器原理如圖5所示。23電力系統(tǒng)自動(dòng)化2003,27(20 圖5PPF,APF 復(fù)合濾波電路Fig.5Combining circuit of APF &PPF應(yīng)該注意到,正是串聯(lián)型基波磁通補(bǔ)償APF 對(duì)于基波電流呈低阻抗,而對(duì)所有諧波電流均呈高阻抗的特性,才使它可以串聯(lián)在電源與負(fù)載之間作為濾波器使用。當(dāng)然,其他具備這一特性的支路也應(yīng)該可以承擔(dān)起這種濾波任務(wù)。3仿真研究 根據(jù)以上分析,分別按圖3 和圖5 電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn), 仿真波形如圖6圖9所示。圖6非線性負(fù)載引起的電壓和電流畸變Fig.6Distor

12、tion of voltage &current causedby nonlinear loads圖7加并聯(lián)型諧波補(bǔ)償APF 補(bǔ)償后的波形Fig.7W aveforms with parallel APF圖8加PPF 補(bǔ)償后的波形Fig.8W aveforms with PPF圖9PPF,APF 復(fù)合濾波電路的波形Fig.9W aveforms with combining circuit of APF &PPF仿真電路中負(fù)載為可控橋式整流、電容濾波電路。對(duì)于圖3中的補(bǔ)償電流,用并聯(lián)型諧波補(bǔ)償APF 實(shí)現(xiàn),對(duì)于圖5中的2個(gè)濾波支路,分別用三次諧波LC 諧振支路構(gòu)成的PPF 和基

13、波磁通補(bǔ)償串聯(lián)型APF 電路實(shí)現(xiàn)。仿真結(jié)果與分析所得到的結(jié)論完全一致。4結(jié)論通過(guò)對(duì)非線性負(fù)載產(chǎn)生諧波形式的分析,并分別從補(bǔ)償和濾波兩種思想出發(fā),對(duì)非線性負(fù)載產(chǎn)生諧波采用不同的抑制策略的研究,可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:a.非線性負(fù)載直接產(chǎn)生的諧波形式為諧波電33學(xué)術(shù)研究李承等有源電力濾波器抑制諧波的機(jī)理分析流,諧波電流流過(guò)電源等效電阻時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娫炊说闹C波電壓。b.治理非線性負(fù)載引起的諧波應(yīng)首先考慮治理諧波電流,而不是治理諧波電壓。c.治理非線性負(fù)載引起的諧波電流可以采用2種方法:采用并聯(lián)型諧波補(bǔ)償APF 為負(fù)載提供諧波電流,從而使電源電流和電源端電壓也保持為正弦波;采用并聯(lián)PPF 與串聯(lián)型基波磁通補(bǔ)

14、償APF 結(jié)合構(gòu)成復(fù)合濾波器,也可以濾去電源電流和電壓中的諧波。參考文獻(xiàn)1Akagi H.New Trends in Active Filters for Power Conditioning.IEEE Trans on Industry Applications ,1996,32(6:131313222王兆安,劉進(jìn)軍(Wang Zhao an ,Liu Jinjun .電力電子裝置諧波抑制及無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的進(jìn)展(Advances of Harmonic Suppression andReactive Power Compensation Technique for Power Electron

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