多重化主電路實現(xiàn)的大功率有源電力濾波器

摘要：為解決大容量有源電力濾波器面臨的大容量和開關(guān)頻率之間的矛盾，本文介紹一種采用多重化主電路的大容量有源電力濾波器，給出系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的控制方法。實驗表明該系統(tǒng)有效地解決了有源電力濾波器容量與開關(guān)頻率的矛盾，取得了滿意的效果。

關(guān)鍵詞：有源電力濾波器多重化諧波

Large Volume Active Power Filter Consisted of Multiple Main Circuit Abstract: It's a trouble that how to solve the contradiction between the volume and switch frequency in active power filter.In this paper,a large volume active power filter which main circuit consisted of multiple is introduced.The main structure of circuit and control method were presented.The experiment results show that good effects have obtained.

Keywords:Active power filter Multiple Harmonics

1引言

　　有源電力濾波器(APF)可以對大小及頻率變化的諧波以及變化的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，并能有效地克服無源濾波器的缺點，所以引起了人們極大的興趣和重視，使得有源電力濾波器的研究與應(yīng)用得到了迅速發(fā)展[1,2,3]。

　　如何將有源電力濾波器用于補(bǔ)償大容量工業(yè)裝置中的諧波與無功功率是許多研究者所關(guān)心的問題之一。大容量的工業(yè)裝置所產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)危害很大，必須給予足夠的重視[2]；當(dāng)使用有源電力濾波器進(jìn)行諧波抑制時,相應(yīng)地要求有源電力濾波器容量足夠大。這樣對有源電力濾波器使用的電力電子器件在容量方面也就必須滿足很高的要求。電力電子器件隨著容量的增大其所容許的開關(guān)頻率卻越來越低，而較低的開關(guān)頻率又會影響有源電力濾波器的補(bǔ)償效果，所以在將有源電力濾波器用于大容量諧波補(bǔ)償時就面臨著器件開關(guān)頻率與容量之間的矛盾。

　　為解決這一矛盾，有3種方案可供選擇：一是器件串并聯(lián)以達(dá)到容量要求；二是多***立的有源電力濾波器并聯(lián)使用；三是采用多重化主電路。3種方案中，采用多重化主電路是最為合理有效的方案。與器件串并聯(lián)的方案相比，主電路多重化在滿足容量要求的同時，還可以提高等效開關(guān)頻率。與多臺裝置并聯(lián)使用的方法相比，除提高等效開關(guān)頻率外，只需一套控制電路，在經(jīng)濟(jì)上更為合理。

　　基于上述設(shè)想，我們設(shè)計制作了采用四重化主電路的有源電力濾波器實驗裝置，其主電路為四組PWM變流器并聯(lián)連接,每個PWM變流器的容量為30kVA,整個有源電力濾波器裝置的諧波補(bǔ)償容量達(dá)到120kVA;在控制電路中，諧波補(bǔ)償電流指令的計算采用了基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測方法[4]，將補(bǔ)償電流指令分配至4組PWM變流器，進(jìn)行適當(dāng)控制，即可使整個裝置的等效開關(guān)頻率為器件開關(guān)頻率的4倍，獲得了良好的補(bǔ)償效果。

2系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

　　有源電力濾波器的主電路及控制電路原理圖如圖1所示。其中主電路由四組PWM變流器并聯(lián)組成。四組PWM變流器的直流側(cè)并聯(lián)在一起，公用一組直流電容器。它們的交流側(cè)與負(fù)載諧波源并聯(lián)連接。工作時，各組PWM變流器根據(jù)控制電路計算的諧波指令電流，通過各自的電流跟蹤環(huán)節(jié)控制，產(chǎn)生各自的諧波補(bǔ)償電流，相加后以抵消諧波源負(fù)載電流中的諧波成分，使流入電源側(cè)的電源電流為不含諧波的正弦基波電流[4]。

　　控制電路的原理圖如圖2所示。圖中，補(bǔ)償電流指令的計算是采用了基于三相電路的瞬時無功功率理論的諧波檢測方法，即通過檢測補(bǔ)償對象（即圖1中的負(fù)載）的電壓與電流，經(jīng)過坐標(biāo)變換、低通濾波和坐標(biāo)反變換，得到負(fù)載電流中的基波電流成份，再將負(fù)載電流與之相減，得出諧波補(bǔ)償電流的指令電流信號。為使各個模塊的電流輸出相互平衡，對計算出的指令電流還需進(jìn)行均流分配處理，即各PWM變流器輸出的補(bǔ)償電流為計算出的指令電流的1/4。將通過分配電路后的指令電流輸出到各個模塊，通過各個模塊中的電流跟蹤控制電路，控制各模塊的主電路產(chǎn)生所需的補(bǔ)償電流。

圖1有源電力濾波器的構(gòu)成

　　電流跟蹤控制電路采用跟蹤型PWM控制方式。使用的是定時比較方式。多重化主電路等效開關(guān)頻率的提高是采用對每個PWM變流器的基準(zhǔn)時鐘相位錯開的方法實現(xiàn)，即對輸入到各PWM變流器的基準(zhǔn)時鐘在相位上依次拖后90°,第二組PWM變流器的基準(zhǔn)時鐘落后第一組基準(zhǔn)時鐘折合電角度90°，第三組PWM變流器的基準(zhǔn)時鐘落后第二組基準(zhǔn)時鐘折合電角度90°，依次類推。各PWM變流器的基準(zhǔn)時鐘分配原理圖見圖2。這樣就使整個系統(tǒng)的開關(guān)頻率提高到各PWM變流器電力電子器件開關(guān)頻率的4倍。

3實驗結(jié)果

　　利用所研制的有源電力濾波器裝置對圖1所示的諧波源負(fù)載進(jìn)行了補(bǔ)償實驗。諧波源由一個帶電感性負(fù)載的三相整流橋組成。圖3～圖5給出了實驗結(jié)果。圖3給出了有源電力濾波器投入前的電源電流波形。可以看出三相電流的波形畸變嚴(yán)重。圖4給出了有源電力濾波器中只有兩組PWM變流器投入補(bǔ)償后的電源電流波形，可以看出三相電流波形中諧波被補(bǔ)償了整個諧波總量的1/2。圖5是有源電力濾波器四組PWM變流器全部投入補(bǔ)償后的電源電流波形，可以看出三相電流波形中的諧波基本消除。說明有源電力濾波器有著良好的補(bǔ)償效果。

4結(jié)論

　　本文介紹了采用多重化主電路實現(xiàn)的大容量有源電力濾波器，給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制原理，實驗表明該系統(tǒng)可以有效地解決有源電力濾波器在大容量時所遇見的容量和開關(guān)頻率之間的矛盾。可以得出以下結(jié)論：

　　（1)采用多重化主電路可以解決大容量單個電力電子器件開關(guān)頻率過低的問題，多重化可以使系統(tǒng)等效開關(guān)頻率成倍提高，使有源電力濾波器有一個良好的補(bǔ)償效果。

圖2控制電路原理示意圖及時鐘脈沖分配圖

圖3補(bǔ)償前三相整流橋阻感負(fù)載時電源電流波形及頻譜分析圖

圖4多重化主電路只有兩組工作時
電源電流補(bǔ)償后波形及頻譜分析圖

圖5多重化主電路四組工作時
電源電流補(bǔ)償后波形及頻譜分析圖

　　（2)采用多重化主電路可以成倍擴(kuò)大裝置的補(bǔ)償容量。

參考文獻(xiàn)

1AkagiH,Kanazawa Y,Nabae A.Generalized theory of the instantaneous reactive power in three－phase circuits.IEEE＆JIEE.Proceedings IPEC.TokyIEEE,1983.p1375～1386

2アクティブフィルタを有する電力變換回路とシステム調(diào)查專門委員會，アクティブフィルタ機(jī)能を有する電力變換回路とシステム，1997

3王兆安，楊君，劉進(jìn)軍等.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998

4楊君，王兆安.三相電路諧波電流兩種檢測方法的對比研究.電工技術(shù)學(xué)報,1995,(2):p43～48.