【文章內(nèi)容簡介】 的無功大小可以進行連續(xù)調(diào)節(jié)。 3 補償無功時不需要儲能元件，補償諧波時所需儲能元件容量較小。 4 即使補償對象電流過大，有源電力濾波器也不會發(fā)生過載，并能正常發(fā)揮補償作用。 5 受電網(wǎng)阻抗的影響 較小，不容易和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振。 6 能跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，補償性能不受電網(wǎng)頻率變化的影響。 7 即可對一個諧波和無功源單獨補償，也可對多個諧波和無功源集中補償。 有源電力濾波器的分類 1 根據(jù)直流側(cè)儲能元件分類 根據(jù)有源電力濾波器主電路直流側(cè)儲能元件的不同，可分為電壓型 APF 和電流型 APF。電壓型 APF 采用一個大電容作為儲能元件接在變流器的直流側(cè)，功能等效于一個電壓源，其結(jié)構(gòu)如圖 22 a 所示；電流型 APF 在變流器的直流側(cè)接一個電感作為儲能元件，其功能等效于一個可控的電流源，以補償非 線性負載產(chǎn)生的諧波電流，其結(jié)構(gòu)如圖 22 b 所示。 a b 圖 a 電壓型 APF b 電流型 APF 電壓型 APF 的優(yōu)點是開關(guān)損耗少、濾波效率高，是絕大多數(shù) APF 采用的主電路結(jié)構(gòu)。電流型 APF 直接輸出諧波電流不僅可以補償正常的諧波，而且可以補償分數(shù)次諧波和超高次諧波，并且不會由于主電路開關(guān)器件的直通而發(fā)生短路故障，因而在可靠性和保護上占有優(yōu)勢。 2 根據(jù)接入電網(wǎng)方式分類 a b c d e 圖 APF 接入電網(wǎng)方式 a 并聯(lián)型 APF b 串聯(lián)型 APF c 與 LC 濾波器并聯(lián)使用的并聯(lián)型 APF d 與 LC 濾波器串聯(lián)使用的并聯(lián)型 APF e 與 LC 濾波器混合使用的串聯(lián)型APF 根據(jù)接入電網(wǎng)的方式分類，有源電力濾波器可分為并聯(lián)型 APF、串聯(lián)型 APF、串 并聯(lián)型 APF 及混合型 APF。圖 23 a 所示為并聯(lián)型 APF，由于有源電力濾波器的主電路和負載并聯(lián)接入電網(wǎng)，故稱為并聯(lián)型，它通過注入補償電流來補償電流型負載的諧波、無功和負序電流。圖 23 b 所示為串聯(lián)型 APF，主要用于消除電壓型諧波源對系統(tǒng)的影響，由于串聯(lián)型 APF 中流過的是正常負載電流，因此損耗較大，故此一般較少使用。由于交流電源的基波電壓直接或經(jīng)變壓器施加到變流器上，且補償電流基本由變流器提供，故要求變流器具有較大的容量，為了克服這一缺點，提出了與無源濾波器混合使用的 APF。由于無源濾波器 與有源電力濾波器相比，其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易實現(xiàn)，而有源電力濾波器的優(yōu)點是補償性能好，兩者混合使用，既可克服有源電力濾波器容量大、成本高的缺點，又可使系統(tǒng)獲得良好的性能。并聯(lián)型有源電力濾波器與無源濾波器混合使用有兩種方式，圖 23 c 所示為與 LC 濾波器并聯(lián)使用的并聯(lián)型 APF，圖 23 d 所示為與 LC 濾波器串聯(lián)使用的并聯(lián)型 APF。圖 23 e 所示為與 LC 濾波器混合使用的串聯(lián)型 APF，基波基本上是由 LC 濾波器補償，有源電力濾波器的作用是改善 LC 濾波器的濾波特性。 3 根據(jù)接入系統(tǒng)不同分類 根據(jù) 有源電力濾波器所接入系統(tǒng)的不同，可分為單相有源電力濾波器、三相三線有源電力濾波器和三相四線有源電力濾波器。 4 根據(jù)主電路的形式分類 根據(jù)主電路的形式，有源電力濾波器可分為單個主電路有源電力濾波器和多重化主電路有源電力濾波器。后者可以增大有源電流濾波器的容量，提高等效開關(guān)頻率，減小單個器件開關(guān)損耗，改善補償電流的跟隨特性。 3 有源電力濾波器的諧波檢測及控制策略 有源電力濾波器的諧波檢測 瞬時無功功率理論 瞬時無功功率理論首先于 1983 年由日本學(xué)者赤木泰文提出，主要針對三相三線制電路總諧波的實 時檢測。瞬時無功功率理論的核心思想是采用變換矩陣將三相電路的各相電壓和電流瞬時值變換到 正交坐標系，并將電壓、電流矢量的點極定義為瞬時有功功率，電壓、電流矢量的叉積定義為瞬時無功功率，如圖31 所示。在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了 法。 圖 坐標系中的瞬時功率定義 在三相三線電路中，其各相電壓和電流的瞬時值為、和、分別把它們變換到兩相正交 坐標系上，兩相瞬時電壓為、兩相瞬時電流為、則： 31 32 其中 定義瞬時有功功率和瞬時無功功率： 33 34 式中，的正方向與、軸組成相互垂直的右手坐標系，如圖 32 示。 從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)可知，基于瞬時無功功率的 法使用需要滿足或，也就是說 法僅適用于三相對稱的情況。 在 法的基礎(chǔ)上，補充定義瞬時有功電流和瞬時無功電流，衍生出法。在圖32 所示 坐標系上，矢量、和、分別可以合成為旋轉(zhuǎn)電壓矢量和電流矢量。 圖 坐標系中電壓、電流矢量 三相電路瞬時有功電流和瞬時無功電流 分別為矢量和矢量在其法線上的投影。 35 36 式中 瞬時有功功率和瞬時無功功率可表示為： 37 38 在 平面內(nèi)，、可表示為： 39 式中 三相電路各相瞬時無功電流、是、兩相瞬時無 功電流、兩相到三相變化得到的，瞬時有功電流、是、兩相瞬時有功電流、通過兩相到三相變化得到的。 310 311 式中 法和法都是以三相電路瞬時無功功率理論為基礎(chǔ)的諧波檢測法，對于三相三線制電路，不論三相電壓、電流是否對稱， 檢測法檢測結(jié)果都有誤差，只是誤差的情況有所不同，而法檢測結(jié)果不受電壓波形畸變的影響，檢測結(jié)果較準確。 三相電路諧波和無功的檢測 1 檢測法 圖 檢測法原理框圖 檢測法原理框圖如圖 33 所示，圖中 LPF 為低通濾波器 Low Pass Filter 。檢測法以三相電路瞬時無功功率理論為基礎(chǔ)，根據(jù)定義計算出、經(jīng) LPF 得到、的直流分量、。電網(wǎng)電壓無畸變的時候，由基波有功電流與電壓作用所產(chǎn) 生，由基波無功電流與電壓作用所產(chǎn)生，于是根據(jù)、經(jīng)矩陣逆變換可以計算出被檢測電流、的基波分量、。將、與、相減，即可得到、的諧波分量、。由于該檢測法中三相電壓信號也參與到計算中，故三相電壓的變化會影響諧波電流的檢測，當三相電壓對稱且無畸變時， 檢測法能檢測出全部的諧波和無功電流，但當電網(wǎng)電壓波形發(fā)生畸變時，檢測結(jié)果將會發(fā)生誤差，影響電路的檢測精度。所以 檢測法僅適用于三相電壓對稱的諧波和無功電流檢測。 2 檢測法 在實際電網(wǎng)運行中，三相電壓通常不對稱且有畸變，所以應(yīng)用 檢測法檢測諧波會有誤差，為 此，通過對 檢測法進行改進提出了檢測法。如圖 34 為檢測法原理框圖。 圖 檢測法原理框圖 圖中 PLL 為鎖相環(huán)電路 Phase Lock Loop 。該檢測法以計算、為出發(fā)點，把式 37 和式 38 代入式 39 的左邊有： 312 將 e 移到等式的右端，得： 313 若電網(wǎng)電壓波形無畸變，設(shè)電網(wǎng)三相對稱電壓： 314 式中是電網(wǎng)電壓基波即電網(wǎng)電壓有效值；是電源角頻率。 將式 314 進 行三相到兩相變換： 315 被檢測電流為： 316 將式 316 進行三相到兩相變換： 317 式中時取，時取 +。 按運算方式，將式 315 和式 317 代入式 39 得： 318 、經(jīng) LPF 濾波得： 319 此時，和式 315 代入式 313 得： 320 與檢測法相比，檢測法用鎖相技術(shù)對 a 相基波電壓的相位進行提取，代替 系統(tǒng)相電壓，所以該算法的檢測結(jié)果不受電壓波形畸變的影響。而且將基波分量變換到零頻率處，用數(shù)字低通濾波器提取基波信號可以消除模擬低通濾波器的相位問題，且不會造成對有些頻率分量的增大或衰減。 上述兩種方法均可適用于三相三線制電路，當電網(wǎng)電壓無畸變時，兩者皆可檢測出諧波電流。但當電網(wǎng)電壓波形發(fā)生畸變時，檢測法的檢測結(jié)果會出現(xiàn)誤差，因為該檢測法中電壓信號參與了計算，所以電壓信號有任何變動都會影響運算的結(jié)果，直接影響到檢測的效果。而檢測法只提取了與電壓信號同相位的正弦信號和余弦信號參與運算，電壓信號的諧波成分在運算過 程中不出現(xiàn)，因而檢測結(jié)果不受電壓波形畸變的影響，能夠充分保證檢測結(jié)果的準確性。 有源電力濾波器的控制策略 有源電力濾波器補償電流的控制 目前有源電力濾波器補償電流的控制方法主要有以下幾種：三角載波比較法、滯環(huán)比較控制法、電壓矢量控制法、滑模變結(jié)構(gòu)控制法等。其中三角載波比較法和滯環(huán)比較控制法是應(yīng)用最多的兩種方法。 1 三角載波比較法。三角載波比較法是最簡單、常用的一種 PWM 控制方式，如圖 35 所示為其比較原理圖。 圖 三角載波比較法原理圖 該方法通過將調(diào)制后的實際補償電流與電流指令信號的偏 差經(jīng)放大器 A 放大后，與高頻三角調(diào)制波進行實時比較，從而得到不同時刻逆變器的開關(guān)狀態(tài)，使逆變器輸出端獲取需要的波形。采用三角載波比較法的優(yōu)點是電力電子器件的開關(guān)頻率是固定的，有利于簡化器件的選擇和器件保護的設(shè)計，而且動態(tài)響應(yīng)好，實現(xiàn)電路簡單，對高開關(guān)頻率的系統(tǒng)具有較好的控制特性。但由于逆變器始終處于高頻工作狀態(tài)，輸出波形中含有與三角載波同頻率的高頻畸變分量，開關(guān)損耗