中高压电力系统有源电力滤波器的研究现状

等 [ 3] 。 为保证电网 和用电设备的安 全、稳 定、经 济
运行, 避免 谐波 的危 害, 必须对 谐波 进行 实时、 有效的治理, 使其限制在一定的范围。然而在 中高压系统 中, 由于 系统电 压高、功 率较 大, 使 用有源电力滤波器进行动态 谐波抑制和无功 补 偿时, 相应地要求 A PF 具有较大的容量 [ 4] , 而电 力电子变流器所能处理的功 率范围及其开关 频 率有限, 因此, 如何提高 APF 主电路的电 压和电 流容量, 解决 APF容量和 开关 频率间 的矛盾 是 中高压系统 APF应用 的难点 和重点。理 论上, 中高压和低压电网的 APF 在检测方法和 控制理 论上一致, 所以应 主要从拓扑结构入 手, 在利 用 现有功率器件的基础上寻求 合适的有源电力 滤 波器电路拓扑结构, 并尽量降低有源部分的容 量及造价。本文对中高压有 源滤波器研究现 状 和方向进行了综述, 对其拓扑结构和控制算法 等进行分析介绍。
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1 混合型有源滤波器
混合型有源滤波方案可以克服单独使用 APF 时容量要求大的缺陷。其基本思想是利用 PF 为 APF 分压或分流以减小对 APF 容量的要求, 同时 利用 APF 控制灵活的特点弥补 PF 补偿性能的缺 陷。根据 APF 和 LC 等无源器件 结合方式 的不 同, HAPF 可分为 APF 和 PF 混合使用以及注入电 路式 HAPF 两大类。图 1为根据器件连接方式对 常见的混合型有源滤波器拓扑结构进行分类。
图 2 串联 APF与并联 PF 图 3 并联 APF与并联 PF
( 2) 并联型 PF + 并联型 PF 如图 3所示, LC 滤波器可以包括多组单调谐 滤波器及高通滤波器, 也可以只包括高通滤波器, 这种方案中 APF 起谐波 补偿的作用, PF 滤除大 部分谐波, 因此减小了 APF 容量。较容易在已存 在 PF的系统中实现; 但 APF 与系统和 PF 之间存 在谐波通道, 可能使 APF 注入的谐波 又流入 PF 及系统中; 且开关的耐压等级没有降低 [ 6] 。 ( 3) APF 与 PF 串联后并联接入电网
如图 4所示, APF 相当于一个电流控制电压 源, 谐波主要由 LC 滤波器滤除, 而 APF 主要改善 LC滤波器的滤波特性, 滤除部分谐波并抑制电网 阻抗与无源滤波器之间的谐振, 不直接承受系统 基波电压作用。适合于高压系统应用, 但对电源 的谐波电压非常敏感, 不适合大容量的无功补偿。
图 1 常见 HAPF拓扑结构
多电平级联型结构较适合于大容量 APF, 其 主回路采用多电平变流器, 多电平变流器的基本 思路是由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输 出电压。作为新型高压大容量功率变换器, 它从 电路拓扑结构入手弥补了一般 APF 容量不足的 缺陷 , [ 15] 具有开关频率低、开关器件应力小、系统 效率高等特点。它主要有三种电路拓扑: 二极管 钳位型、飞跨电容型以及具有独立直流电压源的 级联型。带独立直流电压源的级联型结构不需要 前两种电路所需的大量钳位二极管和钳位电容, 结构简单, 技术成熟, 易于模块化。
图 5 LC 串联、并联谐振注入型电路
2 多重化技术
采用多重化主电路最基本的一点就是容易实 现大容量, 并可解决大容量和开关频率间的矛盾。 其基本原理是在每相通过变压器绕组的不同连接 方式, 由多个相同的低压变流器串联或并联工作, 各变流器之间的触发脉冲依次错开一定的相位来 抵消某些次数的谐波或提高最低次谐波, 装置容 量即得到提高; 并使器件的开关频率降低, 等效频 率提高。但因增加了电感或变压器, 增加了谐振 的可能性, 这种方法电路结构也比较复杂, 但目前 在特大容量的装置中还 是最有效的技术 措施之 一 [ 4] 。
带独立直流电压源的级联型多电平电路的统 一拓扑结构由 Ke ith Corzine等人提出, 如图 7所 示 [ 16] 。其基本特点是: A、B、C 三 相电路结 构相 同, 每相电路由独立供电的 H 桥功率单元级联而 成, 各级联功率单元的电压等级和电平数可以不
同。
图 7 多电平级联型电路的统一拓扑结构
( 1) 串联 APF + 并联 PF 如图 2 所示 ( 图中均为单相示意图 ), 串联 APF 相当于一个电流控制电压源, 产生与电网谐 波电流成正比的谐波电压。对基波, APF 呈几乎 为零的极低阻抗, 不消耗基波功率, 相当于一个谐 波隔离装置。串联 APF 迫使负 载谐波电流流入 无源滤波器。该方案结合了 APF 与 PF 各自的优 点, 补偿容量可以很大。但由于 APF 串联在电路 中, 绝缘困难, 维修也不方便 [ 5 ] , 而且, 注 入变压 器承受了所有的负载电流。
Statu s quo of research on active pow er filters for m edian and h igh voltage pow er system s
GON G J in-x ia1, X IE D a1, ZHANG Yan-chi2 ( 1. D ept o f E lectr ica l Eng ineer ing, Shangha i Jiao tong U niv. , Shangha i 200240, Ch ina; 2. D ept. o f E lectr ica l Eng ineer ing, Shangha i Shangha i D ian ji U niversity, Shangha i 200240, China)
( 3) 通过变压器串联多重化方式, 其稳定性 和抗干扰性较好 [ 7] ; 但其变压器必须采用二次侧 为多绕组的特殊形式。通过变压器二次绕组, 将 逆变器输出的 PWM 波直接串联, 使铁心损耗增 大, 故应用较少 [ 14] 。但也有一些装置利用此原理 进行改进应用。
图 6 多重化主电路形式
3 多电平级联型
Abstrac t: T he research on application o f the active pow er filter ( A PF ) for m edian and h igh vo ltage pow er system s is summ ar ized, and var ious topolog ica l structures suitable for med ian and high vo ltag e pow er system s are presented, such as the hybrid APF, the m ultiple configura tion, and the mu lt-i level concatenation. T he m erits and dem e rits o f these so lutions are ana ly zed, and the frequently used contro lling m ethods as we ll as the ir applications and features are illum ina ted. T he further deve lopm ent direction of the APF is discussed. K ey word s: active powe r filter ( APF ); m edian and h igh vo ltage powe r sy stem; hybrid APF; mu ltiple con figuration; mu lt-i level conca tenation
有源电力滤波器 ( 简称为 APF ) 作为治理电 网谐波污染、改善电能质量的有效措施, 具有非常 广泛的应用前景。它的基本工作原理是检测补偿 对象的电流和电压, 经过指令运算电路得到补偿 电流的控制量信号, 由补偿电流发生电路获得补 偿电流, 与负载中的谐波及无功等电流抵消, 以获 得期望的电网电流 [ 1] 。
图 4 并联 A PF与 PF串联后并入电网
( 4) 注入型 HAPF 如图 5所示, 有源装置只承受谐波电压, 因此 降低了容量。有串联谐振注入型和并联谐振注入 型。可同时用于补偿谐波、三相不对称电流、供电 点电压的波动, 动态补偿性能较好, 无须承受基波 电压和无功电流; 但开关频率要求很高, 对应的容 量要求较大。串联谐振注入型结构难以同时获得 较好的谐波补偿性能和较小的有源容量; 并联谐 振注入型 A PF 不能补偿无功 [ 1] 。
第 36卷 第 3期 2008年 3月
V o.l 36 N o. 3 M a r. 2008
中高压电力系统有源电力滤波器的研究现状
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龚锦霞 1, 解 大 1, 张延迟 2
( 1. 上海交通大学 电气工程系, 上海 200240; 2. 上海电机学院 电气工程系, 上海 200240)
摘 要: 对中高压有源电力滤波器的应用研究现状进行了 综述, 详 细介绍了 适合应用于 中高压系 统的各种主 电路拓扑结构, 如混合滤波方案、多重化结构和多电平级联型等, 对各 种解决方案 的优缺点 进行了分析, 分述 了目前比较常用的各种 控制方法, 总结 了各自 的应用 及优缺 点。探讨了 中高压 有源滤 波器的进 一步 发展方 向。 关键词: 有源电力滤波器; 中高压 电力系统; 混合型有源滤波器; 多重化电路; 多电平级联型 作者简介: 龚锦霞 ( 1984-), 女, 硕士研究生, 从事电力系统 FACT S研究和电力系统仿真。 中图分类号: TM 761 文献标识码: B 文章编号: 1001-9529( 2008) 03-0073-05
实现多重化的主电 路有如图 6 所示 3 种形
龚锦霞, 等 中高压电力系统有源电力滤波器的研究现状
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式: ( 1) 通过串联电抗器多重化方式, 它直接将
逆变器通过交流侧的电感并联起来, 最容易实现, 故应用较多 [ 12] 。
( 2) 通过平衡电抗器多重化方式, 在各个逆 变器之间加入平衡电抗器以抑制逆变器之间的环 流, 因为当逆变器开关频率较低时会出现较大环 流, 故该方式适合于开关频率较低场合 [ 13] 。
系统中的谐波主要来源于中低压的非线性负 载。如电力机车、铝电解槽等许多应用晶闸管的 整流设备, 工业用电弧炉 [ 2] 等工业和交通部门用 电设备中的非线性装置。另外, 各种低压电气设 备和家用电器所产生的谐波电流也能从低压侧馈 入高压侧。这些谐波电流的存在, 严重影响了各 类电气设备的正常运行并使设备损耗增加、使用 寿命缩短, 严重时会导致设备停运, 造成很大的经 济损失。如谐振导致的电容器过负荷甚至烧毁, 线路损耗增大, 变压器铜铁损耗增加导致变压器 过热, 保护装置误动、拒动, 通 信、仪器仪 表混乱
( 1) 传统级联型 每相由 N 个相同电平数 H 桥单元级联而成, 且 H 桥各单元电压相等, 逆变电路输出相电压电 平数 M = 2N+ 1。按某一特定规律分别对每一单 元进行 PWM 控制, 各单元输出波形叠加即可得 到多电平输出, 整体控制方法相对简单, 并且易于 扩展。由于各功率单元结构相同, 易于模块化设 计和封装; 当某一单元出现故障, 可将其旁路, 其 余单元可继续运行, 提高了系统的可靠性。图 8 中 v1 Bv2 = 1时两单元完全相同, 也可将其扩展为 N (N \2) 个相同单元级联, 均为传统级联型。传 统级联型在中高压系统中一般电平数不超过七电 平 [ 18] 。 ( 2) 混合 多电 平 级联型 该结 构在 级联 数 相同的情况 下可以 输 出更大的功率, 电平数 也可以增加, 更接近正 弦波。根 据级 联单 元 的拓扑结构、电压等级 图 8 相同电平数 H 桥级联型 和电压器件, 又可以分 为: 同类型不同电压等级拓扑级联、不同类型拓扑 间级联或同一拓扑结构中存在不同电压器件。 各级联单元的电压等级可不同, 每相有 n个 单元时, 在保证输出电压电平不跳变的情况下, 不 同电压等级的单元级联又可以分为两种情况, 即 电压比 v1 Bv2为 1B22 B,B2n 和 1B32 B,B3n, 可形象 称之为二进制混合单元和三进制混合单元。图 8 中 v1 Bv2 = 1B2时为混合七电平单元级联电路。该 结构在中高压应用中受到广泛关注, 其在更高的