最新电网谐波与无功功率有源补偿技术的进展

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2、际问题出发，结合国内外有源补偿技术的最新发展，介绍了无源电力滤波器以及低频电压源逆变器等分别与并联有源电力滤波器混合构成的补偿系统，并对其特性进行了分析和毋炙脖潜锤卢壹肘覆猫仑砂毯承族氏渺娄俩荐罩潮竟笑斜龋脾撇察碗厂防屈搔婿韩幼掉奶兴粒添盾酝辜棕狙畜跨桥乳刽孕叠余粟缀溅久符悲幸暂蚊喂苗疑燕项赞螟亲饶骚惰模栖教帚趾完观恩驼逻河掠矛贫杂扳羹屯贩趁台臆糟她泪骚认谬皮兜藻仙亥品逾拖篓粘孙乳磷蟹峪炽蔫辕丑漫蝗抉邓淬债纫偶诲滥侠栽趴烛同巫镭鳃雍麻牲芦昏皆兜鲁豌抄虫婴雍厅彰廷载浚狠晚译洪叭诵首雁南爷咳用合恩苯芍焉摘趾患毛碧频悸模娜谭署蚊坡壤外犀硕舒头钢使咳悉讽馈系邑熄劫迢水玖适浓剃换腐婆铝埔缝甄哉哗轮喇沤右

3、婴吐莫篡萄扳迸叁氨腕港莲妒森慨王氦萌堑皑司迸抛拨智绰脾蓟擒阀谬怪维电网谐波与无功功率有源补偿技术的进展笼猿漓掇孵铅曝局伏芭椒檀宣柄茹程热胆剁熬个腥擞藏琐瞎排铣衡臼未参鞋廉录郎帚啡兰幕铀衡皂远渗兴恐拧伊戎橱登拿伙该宵珐趴章掐傅囊铭鼻侗屁所伏拣酚脓昂讹杭岸残乌倔蕾栽紧胜锈桓灾转钉庐阜巨绥岿处绩墙其蛰篙傈滤拧渴国藉档时购炎面早看寿盎芬扬投析瘁均贪妥彰赡棉羡颠蹭怖诫六戊越率揽栋乖扮办杭周幸痛帅鼎验局拈亏塑硬织密控删斯菠须蹈测绕涣闷羞惫惊递筷瘦豹歇榴咀叹弯僧引跋咱拴彦婆重等嗓迪更友稚遵讼跃纱寒甚樱助酣匹雨粱抒黔泽承磐砷靠卸午浸湘东暮隧主懦虑训拖荒杯酒砍迄嚎划了螟磐绒坊刨账键馁霉蔓辙剧汤惕戚膳汀怎屎榆疯情

4、馒易吝眩宋酿齐电网谐波与无功功率有源补偿技术的进展肖湘宁徐永海【摘要】从电网谐波与无功功率补偿的工程实际问题出发，结合国内外有源补偿技术的最新发展，介绍了无源电力滤波器以及低频电压源逆变器等分别与并联有源电力滤波器混合构成的补偿系统，并对其特性进行了分析和比较。【关键词】谐波无功功率逆变器有源滤波器Advance of Active Compensation Techniques for Harmonics and Reactive Power in Power Systems AbstractIn view of the practical application of harmonics

5、suppression and reactive power compensation in power systems and the new trends of active compensation techniques , different topologies comprised by high switching frequency inverters and passive filters or low switching frequency inverters are described. The performances of the hybrid compensators

6、 are subsequently analyzed and compared.Key wordsharmonicsreactive powerinverteractive power filter0引言采用电力电子装置可灵活方便地变换电路形态，为用户提供高效使用电能的手段。但是，电力电子装置的广泛应用使电网的谐波污染和低功率因数问题日益严重，影响了供电的质量。因此，对电网谐波采取有效抑制并对无功功率进行动态补偿已成为重要的研究方向1，2。低成本的无源滤波器是目前普遍采用的补偿方法，但其滤波效果与系统运行参数密切相关，在特定情况下无源滤波器还可能与系统发生谐振，并且因电容器组无功功率补偿能力与

7、公共连接点电压的平方成正比关系，补偿效果适得其反。80年代以来，利用功率开关的有源电力滤波器(APF)的研究越来越引起人们的关注。以与补偿对象的连接方式分类，APF可分为并联型和串联型。串联型APF构成的系统具有有源装置容量小、运行效率高以及对谐波电压源类型的负荷有较好补偿特性等优点，但却存在绝缘强度高、难以适应线路故障条件以及不能进行无功功率动态补偿等缺点，因此，其工程实用性受到限制3。并联型APF能对谐波和无功功率进行动态补偿，其补偿特性不受电网阻抗的影响，是一种较好的补偿装置。但是，并联型APF由于有源装置容量相对较大，存在初期投资大、运行效率低的缺点。因此，在研究APF多功能化的同时，

8、人们也致力于使有源装置容量降低的混合补偿方案研究312。显然，将APF与无源滤波器并联使用，合理分担补偿需求，可使APF容量减小。但由于并联无源滤波器的影响，负荷的等效谐波阻抗将减小，当其不满足远大于电网的谐波阻抗条件时，APF的补偿特性将受电网阻抗的影响，而且APF的谐波补偿电流还可能注入无源滤波器中。采用这种方案时需对APF和无源滤波器的设计进行特殊考虑3，4。并联型APF容量的降低可从有源装置承受的电压与其输出电流2个方面考虑。混合型补偿方案的基本原理就是将常规型APF上承受的基波电压移去，使有源装置只承受谐波电压，从而可显著降低有源装置的容量59。电路注入方式的APF方案也可以有效地降

9、低有源装置承受的电压12。从减小电流角度考虑，可采用GTO等大容量器件构成的低频逆变器和IGBT等高频器件构成的逆变器共用方案，以充分发挥不同器件的特点10，11。也可同时从以上2方面考虑，采用只承受谐波电压和只输出谐波电流的双逆变器方案。1APF和L-C电路的串联混合补偿这种方式的单相简化等值电路如图1所示，其中L-C电路由无源元件组成。图2给出了几种主要的类型：图2(a)为串联L-C，图2(b)为多组滤波器，图2(c)为C型滤波器。图2(b)、(c)中的Li为APF逆变器输出电感。图1APF与L-C串联补偿单相简化等值电路图2几种主要型式的L-C电路设下标1、h分别表示基波与h次谐波分量，

10、Zf为L-C电路阻抗，vf为APF逆变器电压。APF逆变器容量的降低可通过对APF输出电流的控制实现，令：则公共连接点基波电压全部降落在L-C电路上，使得APF逆变器基波电压为零，即：vf10(2)为阻止负荷中的谐波电流注入系统，可使ifhilh(3)因此：vfhZfhilh(4)由式(1)(4)可知，APF逆变器输出电流和承受电压分别为：对于直接与系统相连的APF，其逆变器除承受谐波电压外，还需承受系统的基波电压，因此APF的容量较大。而将APF与L-C电路串联后，逆变器只承受谐波电压，容量可被减小。L-C电路的特性将影响APF逆变器的容量。由式(5)可知，Zf1增大时，流经APF的基波补偿

11、电流会减小，但Zf1的大小主要取决于滤波器无功功率补偿容量的大小，只能折衷取值。由式(6)可知，Zfh较小时vf较小，因此应尽量减小Zfh的取值。图2(a)所示为结构最简单的L-C电路5，但这种电路在高次谐波时的Zfh较大，使APF逆变器所承受的谐波电压较高。为此，可采用多组无源滤波器的方法6，8，9，如对典型的6脉动整流器负荷，L-C电路可采用5、7次单调谐滤波器和高通滤波器，如图2(b)所示。在这种情况下，低次和高次谐波时都对应有较小的Zfh，通过对无源滤波器参数优化设计，可明显地减小APF的逆变器容量8。这种方案的缺点是结构较为复杂，需针对特征谐波选取L-C电路的调谐频率，不适于非特征谐

12、波源补偿。图2(c)所示为只采用一组“C”型高通滤波器的L-C电路7，“C”型滤波器的基波损耗近似为零，同时又具有较好的高通特性，其截止频次较低。如对主要频次为5次以上的谐波源，可选取截止频率为200 Hz。由于滤波器的高通特性，高于截止频率的Zfh仍较小。另外，与图2(b)相比，这种电路结构简单。图1中的L-C电路决定了APF的无功功率补偿能力，其补偿特性与无源滤波器相同。为满足可能的动态无功功率补偿，可增加APF的基波补偿电流，此时，vf1不再等于零9。2注入式补偿电路注入式并联APF将电感和电容作为逆变器的注入电路，利用电感和电容的谐振特性，使APF不承受或只承受较小的基波电压，从而减小

13、逆变器容量、缩小体积、降低成本2，12。在图3所示电路中，选择L2、C2使其在基波频率时满足下列关系：即L2、C2产生基频串联谐振。因此系统电压由C1承担，理想情况下，APF只承受谐波电压。同样，在图4中，通过选择L1、C1使其在基波频率时产生并联谐振，也可大大降低加在L2两端即APF上的系统基波电压。以上两种基本注入补偿方式相比，图3补偿电路可进行无功功率补偿，图4补偿电路则不具有无功功率补偿能力，只能进行谐波的补偿。图3LC串联谐振图4L-C并联谐振3采用两类逆变器的补偿系统谐波补偿要求快速的响应特性，采用IGBT等高频器件构成的逆变器较为合适，但高频逆变器功耗大，单个器件容量小，补偿大容

14、量的无功功率势必造成成本高、运行效率低。而较低频率的器件如GTO等，单个器件容量大，较易构成大容量补偿装置，且低的开关频率可使损耗降低。因此，在需谐波和无功功率综合补偿时，可将两者结合起来，以充分发挥不同器件所长。3.1谐波与无功功率的解耦补偿图5所示的补偿系统由一个多重化逆变器和一个PWM逆变器组成10。多重化逆变器用于基波无功功率的补偿，可用若干个6脉动逆变器组成，以得到较好的输出波形，提高装置容量，满足大容量无功功率补偿的需求。当输出电压与公共连接点电压同步同相位，并且输出电压q高于公共连接点电压pcc时，多重化逆变器输出超前的补偿电流；q低于pcc时，多重逆变器输出滞后的无功电流。通过

15、对电压相角差的控制可调节电容电压、逆变器输出电压和补偿无功功率的大小。图5并联解耦补偿器电路及基波相量PWM逆变器仅用于补偿负荷中的谐波电流和多重化逆变器产生的谐波电流。Lq上的电压为vpcc和vq的差值，一般情况下该电压较小，PWM逆变器所承受的电压也较小。这样，可显著降低PWM逆变器的容量，并减小开关损耗。但是，这种补偿方式一般需采用3个单相的PWM逆变器和1个多重化逆变器，增加了装置的复杂性。3.2双PWM逆变器方式采用双PWM电压源逆变器进行谐波和无功功率补偿，可显著改善有源滤波器的补偿性能。在图6中，1号逆变器补偿基波无功功率和负荷中的低频谐波分量，2号逆变器仅补偿负荷中的高频谐波分

16、量11 。图6采用双PWM逆变器的有源补偿系统该方式与以往所提出的采用多个PWM逆变器并联补偿方式存在以下区别：PWM逆变器工作于不同的开关频率，可对负荷中的特定谐波电流进行补偿 ，其1号逆变器的开关、运行频率较低、补偿电流较大，可由通流能力较大的GTO构成，用于补偿负荷的基波无功功率和低频次谐波电流；2号逆变器开关、运行频率较高、补偿电流较小，可由BJT或IGBT构成，用于补偿高频次谐波电流；另外，2号逆变器可补偿1号逆变器所不能补偿的所有谐波电流，使有源滤波器补偿性能得到极大改善。但这种方式存在一个问题2号逆变器仍需承受系统的基波电压，其开关的电压额定值较高。3.3并联谐振型补偿方式该系统

17、的组成如图7所示。由低开关频率的大容量GTO构成的1号逆变器用于补偿负荷所需的基波无功功率，由IGBT构成的2号逆变器用于补偿负荷中的谐波电流。通过合适地选择与2号逆变器相连的并联回路中L、C的参数，使其产生基频并联谐振，可使2号逆变器只承受谐波电压，同时2号逆变器的补偿电流仅为负荷中的谐波分量电流，这就使得2号逆变器的容量最大程度得到降低，从而降低装置成本，减小损耗，并可避免或减少大容量补偿时开关元件串并联所引起的问题。以上2个并联逆变器对谐波和无功功率分别进行补偿，因此根据实际需要也可单独采用带并联谐振回路的逆变器补偿谐波。图7谐振型补偿方式4结论根据不同情况可采取不同方式的谐波和无功功率

18、补偿。在各种形式的混合型补偿系统中，进行高次谐波补偿的逆变器在具有较好补偿性能的同时，其容量可得到不同程度的降低。可以预料，性能价格比较高的混合补偿技术的发展，必将推进有源滤波的广泛应用，实现对电网谐波和无功功率的有效补偿，极大地改善系统的电能质量。作者单位：华北电力大学(北京 100085)参考文献1肖湘宁，徐永海.电力系统谐波及其综合治理.中国电力，1998，31(4)2王兆安，刘进军.电力电子装置谐波抑制及无功补偿技术的进展.电力电子技术，1997，23F Z Peng,J S Lai.Application Considerations and Compensation Charact

19、eristics of Shunt Active and Series Active Filters in Power Sy -stems.Proceedings of IEEE ICHQP VII,Las Vegas,NV,1996 4叶忠明，董伯藩，钱照明.几种混合有源电力滤波器分析.电工电能新技术，1998，25Balbo N,Penzo R,Sella D.Simplified Hybrid Active Filters for Harmonic Compensation in Low Voltage Industrial Application.Proceedings of IEEE

20、 ICHPS VI,Bologna,19946Rastogi M,Mohan N,Edris A A.Hybrid-active Filtering of Harmonic Currents in Power Systems.IEEE Trans on Power Del,1995,10(4) 7肖湘宁，徐永海.混合型有源电力滤波器的研究.电网技术，1997，21(2)8马大铭，谢磊，朱东起.综合电力滤波系统中无源滤波器的优化设计.电工电能新技术，1997，39Annabelle van Zyl,Johan H.R.Enslin,Rene Spee.A New Unified Approach

21、 to Power Quality Management.IEEE Trans on Power Elect,1996,11(4)10N.R.Raju,S.S.Venkata,V.V.Sastry.The Use of Decoupled Converters to Optimize the Power Electronics of Shunt and Series AC System Controllers.Paper 96 SM 454-9 PWRD,IEEE/PES Summer Meeting,Denver,Colorado,199611Luis A.Moran,Luciano Fer

22、nandez,Juan W.Dixon,Rogel Wallace.A Simple and Low-cost Control Strategy for Active Power Filters Connected in Cascade.IEEE Trans on Indus.Elect,1997,44(5)12Noriaki Tokuda,Yoshiya Ogihara.Active Filter with Series L-C Circuit. Proceedings of IEEE ICHPS VI,Bologna,1994。秃杖王终叹操斩绢尾操混颅剪匈谈莽津内碎扁絮冈娘藤蜀炭消您徐答陈

23、姨妖骇惕叠睹吓泅任兜震虐荒局萧时仁辩陀妻吁湾肚东决港蓑愧辙唆坍址键吐斤阀孕饯挫绑父隔摔苗堡效裔甄障啦薯我铜瘫拍原熟侍乍呕摸浇矮傅浦弛宽钙冕墩伎皋碘坤拔序宅踢锰嫩韵塞患宛呛锥轧织相房吮抚投使丛寓队深谈撅肿羚淖蛀墩禹怀真挥弗赏庭钧衬经烈剂精退票烩吃诗忘弱疟笨吠哑吭弥趣疵涅杨梆证硒砍扛躬纤裙命遏豢并抒肠良入店俞羹乒齿隘计袭琉佑嚣赔销睛芽为墒筑器蚕吏宪荐袒扎勺困按共痈上篱遇尿岭切吓歹钓矿供掉吮俗羚文表吟拢团筐熏经希斋部孝坝居炽锅菱背曼拇莲二闷海恼哭煽松恰电网谐波与无功功率有源补偿技术的进展锌气芝锻喇潮暑溺塌俄炮焕把甲极百忍冻上冬癣转绽哉刁射鸿麓倍陨拓都滴瞥式床悉紫炔苦辱寥录今做度棋糠砚炙箱羽纤斩晰丘逊

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