电力有源滤波器用于供电系统中,其目的是谐波抑制和无功补偿,以此改善电能质量。
电力有源滤波器多用于三相供电系统中，多采用三相三线制电力有源滤波器;而在配电系统中,多采用三相四线制电力有源滤波器。所以,本文重点介绍电力有源滤波器在三相供电系统中的应用。
1 电力有源滤波器的电路结构
电力有源滤波器分为电压型和电流型两种类型。电压型电力有源滤波器的电气原理如图1所示。它采用电压型PWM逆变器,其直流侧并有大容量电容器,逆变器正常工作时,电容器上的电压基本保持不变,可以视为电压源。电流型电力有源滤波器的原理如图2所示。它采用电流型PWM逆变器,其直流侧串有大电感量的电感器,逆变器正常工作时,流经电感器的电流(输出电流)基本保持不变,可以视为电流源。由于电感器中始终有电流流过,产生较大的损耗,效率降低,从而影响了电流型电力有源滤波器的推广使用。但是,电流型电力有源滤波器与电压型电力有源滤波器相比,也有其优点,如电流控制能力较强;滤除开关谐波的效率较高;工作稳定性较好等。
在图1中,电力有源滤波器为单模块结构。为了提高容量,可以采用图3所示的多模式结构。N个电压型PWM逆变器在其交流侧并联组成电压型组合PWM逆变器。而在直流侧,各个逆变器是独立的,以便实现均流。
在单模式结构的电力有源滤波器中,根据与电力系统及其负载的连接方式,可分为串联型和并联型两种类型。图4(a)为串联型,电力有源滤波器与电力系统、负载相串联,可视为一个受控电压源,常用来消除电压型谐波源负载(如带电容滤波的整流电路)对系统的影响。由于流经串联型电力有源滤波器的电流为负载电流,所以损耗较大,且保护电路也比较复杂,所以应用相对较少。图4(b)为并联型,电力有源滤波器与电力系统、负载并联,可视为一个受控电流源,常用来消除电流型谐波源(如负载为电阻或电感的整流电路)对系统的影响。并联型电力有源滤波器可以补偿谐波电流、无功电流和三相不对称度,技术相当成熟，已获得广泛应用。串联型和并联型组合构成串-并联型连接方式，如图4(c)所示。它兼有串联型和并联型的特点，可解决大多数电能质量问题。
电力有源滤波器与LC无源滤波器组合使用,可以减小有源滤波器的容量,利用LC无源滤波器可以降低成本,有源滤波器有补偿特性好的优点。两者的组合,即小容量的有源滤波器和大容量的LC无源滤波器的组合,不论从技术角度还是从经济角度来考虑,都是一种切实可行的方案。图5和图6分别给出两者串联和并联的结构图。
根据上面的介绍,列出表1,供选择电力有源滤波器类型时的参考。
2 电力有源滤波器的控制方案
电力有源滤波器的主电路多为全桥式逆变电路,其工作原理已为大家所熟知,这里不再赘述。本节只重点介绍电力有源滤波器的控制方案。这里以常用的三相并联电力有源滤波器为例来说明其控制原理。
2.1 三相并联电力有源滤波器单独使
用时的控制方案
图7为三相并联电力有源滤波器单独使用时的电原理图。图中虚线以上为主电路,虚线以下为控制电路。图中仅给出一相的电路结构(A相),三个相同的单相电路组合成一个三相电路。
iq+in的取样点对其补偿效果有很大的影响,按取样点的不同,并联电力有源滤波器的控制有以下三种方式:①检测负载电流的控制方式;②检测市电电网侧电流的控制方式;③复合控制方式。
(1)检测负载电流的控制方式
这种控制方式的电流取样点在负载侧,检测电路的输入电流取样于负载电流,这是一种最常用的控制方式,图7就是这种控制方式。图8为检测负载电流控制方式的结构图。图中,iaL为A相的负载电流;icL为负载电流与电力有源滤波器电流ic(补偿电流)之和;ic*为指令电流;ias为A相电源电流。G1(s)为指令电流运算电路的传递函数;GA(s)为跟踪和驱动电路的传递函数;G2(s)为无源高通滤波器(见图7)的传递函数。从结构图可以看出,该控制方式为一个开环控制系统。设置高通滤波器的目的是滤除开关频率附近的高次谐波。将高通滤波器考虑在内的电力有源滤波器的等效电路如图9所示。图中的Ra为电感器La的电阻,电容C、电感L和电阻R组成高通滤波器。则其传递函数G2(s)可表示为
G2(s)的幅频特性如图10所示。从图中可以看出,│G2(s)│在ω=ω0处发生谐振,随着ω的增高,│G2(s)│急剧衰减,这说明频率较高的高次谐波被有效地滤除,但频率在ω0附近的谐波却被放大,使市电电网中含有这些谐波成分,造成电力有源滤波器的补偿特性变坏。这是检测负载电流的控制方式的最大缺点。为了克服这一缺点,可对ω0附近的谐波分量进行负反馈,消除ω=ω0处的谐振,改善电力有源滤波器的谐波补偿特性。这种改进型控制方式的结构如图11所示。
(2)检测市电电网侧电流的控制方式
这种控制方式的电流取样点在市电电网侧，检测电路的输入电流取样于市电电网输入的电源电流。
图12为检测市电电网侧电流控制电路的原理图。从图中可以看出,市电电网的输入电流ia经检测电路后,得到指令电流ic*,通过SPWM控制器控制逆变器,逆变器的输出电流补偿市电电网中的谐波分量。由于检测市电电网输入的电源电流,该控制电路构成闭环控制系统。
