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电网谐波与无功功率有源补偿技术的进展
xiao_xiao1 发表于 2009/3/7 12:58:32 534 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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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
Abstract In view of the practical application of harmonics 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 are subsequently analyzed and compared. Key words harmonics reactive power inverter active power filter
0 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，人们也致力于使有源装置容量降低的混合补偿方案研究［3～12］。 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［5～9］。电路注入方式的APF方案也可以有效地降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。
1 APF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1 APF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，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：
vf1＝0 (2)
为阻止负荷中的谐波电流注入系统，可使
ifh＝ilh (3)
因此：
vfh＝Zfhilh (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3 LC串联谐振
图4 L-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
1楼
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Advance of Active Compensation Techniques for Harmonics and Reactive Power in Power Systems
Abstract In view of the practical application of harmonics 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 are subsequently analyzed and compared. Key words harmonics reactive power inverter active power filter
0 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，人们也致力于使有源装置容量降低的混合补偿方案研究［3～12］。 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［5～9］。电路注入方式的APF方案也可以有效地降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。
1 APF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1 APF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，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：
vf1＝0 (2)
为阻止负荷中的谐波电流注入系统，可使
ifh＝ilh (3)
因此：
vfh＝Zfhilh (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3 LC串联谐振
图4 L-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