基於DSP的混合型有源電力濾波器

2020-11-23 電子產品世界

隨著工業電力電子技術的發展，電力系統的諧波抑制和無功補償問題越來越受到人們的廣泛關注。傳統的諧波抑制手段是在電網中加裝無源電力濾波器PPF(Passive Power Filter),利用電感、電容的諧振特性，在阻抗分流迴路中形成低阻抗支路，從而減小非線性負載向電網注入諧波電流。但無源濾波支路的存在只能對特定次諧波進行濾除、易與電網發生串聯諧振等缺點，因而逐漸被有源電力濾波器APF(Active Power Filter)所取代[1]。有源電力濾波器雖能克服無源電力濾波器存在的缺陷，但其安裝容量受開關器件容量的限制，當所需處理的諧波和無功電流較大時，由逆變器實現的技術難度和成本都將增加，從而限制了有源電力濾波器在大型供配電系統中的應用。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/181439.htm

基於無源濾波器和有源濾波器的優點，將LC無源濾波器和有源濾波器結合起來形成一種混合型有源電力濾波器HAPF(Hybrid Active Power Filter),取兩者之長、補其之短，把無功補償和諧波抑制融為一體是一種完美的構想。但目前人們所提出的混合型有源電力濾波器的拓撲結構仍有不足之處。本文即針對目前常見的一種混合型有源電力濾波器結構進行了改進。

1 主電路結構和原理

1．1 主電路結構

目前常用的一種混合型濾波器的結構如圖1所示，其工作原理可參考文獻[2]。

該電路拓撲可通過控制晶閘管的開通和關閉來調整晶閘管投切濾波器TSF（thyristor switched filter）的結構，使得能量較大的低次諧波和無功功率主要由TSF補償，APF主要作用是抑制剩餘諧波，並改善TSF的濾波器特性。實際上，採用如圖1所示的有源電力濾波器，將由於變壓器的耦合作用，使所有的基波無功電流都流過有源電力濾波器。這樣就迫使逆變器所需求的容量大大增加，必然增加逆變器實現的技術難度和成本，從而限制了有源電力濾波器在大型供配電系統中的應用。

為了進一步降低有源電力濾波器的容量，可以在並聯混合型有源電力濾波器的基礎上結合它的注入電路方式將主電路的拓撲結構加以改進，改進後的系統結構如圖2所示。它將逆變器的輸出電壓通過變壓器耦合到無源濾波器的3次、5次、7次濾波支路的電感和電容兩端。因為根據大量諧波源的頻譜分析可知，諧波源能量主要集中在較低次諧波頻率上，電力系統中諧波電流主要是由5次、7次的諧波濾波器來配置，其次是3次、11次、13次的諧波濾波器[3]，故本文TSF部分的電感和電容參數的選擇按照無功功率補償的需要，以3次、5次和7次諧波濾波器來配置，可以組成多級補償狀態，根據負荷無功電流的大小，由晶閘管投切來達到分級補償的目的。這樣，TSF在工頻狀態時為無功補償狀態，全諧振和脫諧時為濾波狀態，既可以補償又可以濾除諧波。 圖2中，C31、C32和L3組成的LC濾波支路調諧在3次諧波頻率，而L3和C32調諧在基波頻率。這樣，利用L3和C32對基波諧振的特性，使有源電力濾波器既不承受基波電壓也不承受基波電流，從而極大地減小了有源電力濾波器的容量，降低了有源諧波補償系統的投資，提高性能價格比，達到APF實用化的目的。5次和7次諧振支路的補償原理與3次諧振支路相同。

1．2 濾波原理分析

圖2中的並聯混合型有源電力濾波器的單相等效電路如圖3(a)所示。這裡假設有源電力濾波器是一個理想的受控電壓源,諧波源被看作一個電流源IL。圖中,C31、C32和L3分別為無源濾波器3次支路上的電容和電感。圖3(b)為只考慮電網諧波電流分量時的單相等效電路圖。ZS、ZFC、ZFL、ZL分別為電網阻抗、電容C31的阻抗、C32和L3的串聯阻抗（呈感性）、5次和7次濾波支路總的等效阻抗（對高次諧波呈感性）。由圖3(b)並根據基爾霍夫定律可寫出如下方程：

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