有源电力滤波器主电路研究.docx

有源电力滤波器主电路研究【摘要】随着大功率开关器件的广泛应用电能质量问题日益严重。就谐波治理中的无源及有源滤波技术进行了对比介绍了有源滤器的分类、工作原理。提出了由组合相移SPWM变流器构造的电流源型有源滤波器和能在较低开关频率下实现较高开关频率效果的级联型多电平变流器有源电力滤波器。【关键词】有源电力滤波器；谐波补偿；级联型多电平变流器；电流型有源电力滤波器；拓扑1引言随着电力电子技术的飞速发展大功率开关器件被大量应用到各种电源装置中为各种设备提供了一个高速、高效、节能的控制手段。但是由于利用开关的通断对电能进行变换必然会产生无功电流和高次谐波引起波形失真对电力系统各项设备及其用户和通信线路产生日趋严重的有害影响。传统的无源补偿装置是并联电容器或LC滤波器其阻抗固定不能跟踪负荷无功需求的变化远远不能满足电力系统对无功功率和谐波进行快速动态补偿的要求。有源电力滤波器（简称APF）是一种用于动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置它能对大小和频率都变化的谐波和无功分量进行实时的补偿又被称为静止无功发生器（SVG）。作为柔性交流输电系统（FACTS）中的重要部分APF的研究受到了各国学者的高度重视。如何实现大功率有源电力滤波器已取得了不少的研究成果。对于大容量的电力电子装置如果简单地采用普通电路的主电路拓扑则对所使用的电力电子器件在容量方面有比较高的要求。由于电力电子器件随着容量的增大其所允许的开关频率却越来越低而较低的开关频率又直接影响有源电力滤波器的补偿效果所以在将有源电力滤波器用于大容量谐波补偿时就面临着器件开关频率与容量之间的矛盾。为解决这一矛盾国内外学者提出了各种性能优越的有源滤波器主电路拓扑结构。要实现大容量的谐波补偿或实现有源补偿功能的多样性需要APF具有较大的装置容量。但由于受目前电力电子器件功率、价格及其串并联技术等的限制这势必使装置初始投资变大并且大容量的有源电力补偿还将带来大的损耗、大的电磁干扰以及制约APF的动态补偿特性等问题。因此各种性能优越的混合型补偿方案的研究应运而生。本文将几种应用比较广泛的拓扑进行归拢比较指出它们各自的优缺点并在此基础上提出了基于载波相移技术的电流型APF和级联型APF结构。2APF的工作原理及其分类对APF可以这样来定义：将系统中所含有害电流（高次谐波电流、无功电流及零序负序电流）检出并产生与其相反的补偿电流以抵消输电线路中有害电流的半导体变流装置。变流装置在检测系统的控制下将直流电能转化为有害电流所需要的能量或者说：补偿装置所产生的电流波形正好与有害电流的频率幅值完全相同而相位正好相差180°从而达到了补偿有害电流的效果。作为一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置APF能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行实时补偿。它的主电路一般由PWM逆变器构成。根据逆变器直流侧储能元件的不同.可分为电压型APF和电流型APF。。电压型APF在工作时需对直流侧电容电压控制使直流侧电压维持不变因而逆变器交流侧输出为PWM电压波。而电流型APF在工作时需对直流侧电感电流进行控制使直流侧电流维持不变因而逆变器交流侧输出为PWM电流波。电压型APF的优点是损耗较少效率高是目前国内外绝大多数APF采用的主电路结构。虽然电压型APF在降低开关损耗、消除载波谐波方面占有一定优势但电流型APF能够直接输出谐波电流不仅可以补偿正常的谐波而且可以补偿分数次谐波和超高次谐波并且不会由于主电路开关器件的直通而发生短路故障因而在可靠性和保护上占有较大的优势。随着超导储能磁体的研究一旦超导储能磁体实用化必可取代大电感器促使电流型APF的应用增多。2.1新型电流型APF在许多文献中对电压型的有源滤波器讨论较多主要原因是电压型有源滤波器用电容储存能量其效率高于电感储存能量。此外电压型变流器的交流增益较高。但是电流型有源滤波器也有许多优于电压型有源滤波器的特点：1）电流型有源滤波器直接控制电流而电压型有源滤波器通过控制电压间接控制电流对于并联型有源滤波器场合电流型有源滤波器有更好的电流控制能力；2）电流型有源滤波器中采用L-C滤波器这种结构能在传输带宽与抑制高次谐波之间做出较好的折中在同样的开关频率和输出相同的谐波能量时电流型有源滤波器滤除开关谐波的效率高于电压型有源滤波器；3）电流型有源滤波器保护更容易工作稳定性更高。载波相移SPWM技术的本质是自然采样SPWM技术和多重化技术的有机组合该技术可以在较低的器件开关频率下取得与较高开关频率等效的结果。不但使SPWM技术应用于特大功率场合成为可能而且在提高装置容量的同时有效地减小了输出谐波提高了整个装置的信