有源电力滤波器的一般原理及应用

第20卷第9期2000年9月

文章编号:0258-8013(2000)09-0017-05

中　国　电　机　工　程　学　报

ProceedingsoftheCSEEVol.20No.9Sep.2000

有源电力滤波器的一般原理及应用

陈国柱,吕征宇,钱照明

(浙江大学电气工程学院,浙江省杭州市310027)

THEGENERALPRINCIPLEOFACTIVEFILTERANDITSAPPLICATION

CHENGuo-zhu,LUZheng-yu,QIANZhao-ming(ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

ABSTRACT:Thispaperhighlightstheessenceprincipleofdi-verseAPF(ActivePowerFilters)basedonthemechanismthatcontrollablesourcescanchangebranchimpedance.FourbasicactiveunitsandthreegeneralmethodsofrealizationofAPFcanbegotbythisprinciple.It'ssuitablefornewAPFtopology,andeasyforconstructingnewhybridAPFtosuppressharmon-ics.Analysis,applicationexample,simulationandmodelex-perimentofthisprinciplearegiveninthepaper.TothestudyanditsapplicationofAPF,theprincipleisuniversalandhelp-ful.

KEYWORDS:APF(activepowerfilter);harmonicsuppres-sion;controllablesource.

摘要:基于受控源的支路阻抗变换原理,将形式多样的电力有源滤波器(APF),从结构上分为4类,并归纳出实现APF的3种技术途径。它对今后可能出现的APF具有含盖性。从该原理出发,还可容易地组合出新型混合有源电力滤波器(HAPF)。给出了原理分析和应用例子,并进行了仿真和模型实验。该原理对电力滤波器研究及应用,具有一般性和一定的指导意义。

关键词:有源滤波器;谐波抑制;受控源中图分类号:TM477　　　文献标识码:A

图1　受控电压源变换支路阻抗

Fig.1　Controllablevoltagesourcetochangeimpedance

通过对无源支路(如R、C、L)开关控制,可以改变支路的阻抗。当这些开关为功率开关器件(如SCR,GTO等)代替后,就有了诸如晶闸管控制串联补偿器(TCSC)、晶闸管控制无功补偿器(TCR)等在电力系统及设备中静止无功率补偿(SVC)等的许多应用。随着可控功率器件、现代控制技术、特别是开关模式的功率放大器技术的发展,对大功率系统(如供电系统及设备)变换支路阻抗的方法有了更多灵活方便的方法。下面2种方法通过受控源(有源网络)将支路阻抗变换成希望的性质和大小。

(1)受控电压源变换支路阻抗

图1中,各矢量定义和方向如图。有源单元,即电压源是受控的。原支路阻抗为Z0,加入有源单元后,等效阻抗为

　　　Ze=VCVZ0I+VC

==Z0+III

(1)

1　引言

迄今为止,已有众多拓扑结构的有源电力滤波器APF被提出。从基本原理上对它进行总结分类,并逐步建立该技术领域系统体系是较为迫切和必要的。本文试图利用受控源的支路阻抗变换原理,进行这方面的尝试。

基金项目:台达电力电子科技发展基金资助项目。由于电压源是可控的,因此,支路阻抗也是可变的。

当电压Vc受控于支路电源I时,即Vc=k·I,

组成电流控制电压源(CCVS),受控源等效为一个k值的电阻,支路阻抗为:Ze=Z0+k;当Vc受控于Z0两端电压Vz时,即Vc=k·Vz,组成电压控制电压源(VCVS)。此时受控源等效为一个与Z0成比18　　　　　　　　　　中　国　电　机　工　程　学　报　　　　　　　　　　　　　　　第20卷

例的阻抗,则Ze=(1+k)Z0。

可见,加入CCVS改变了支路的阻抗;加入VCVS,可使支路导纳为∞(当k=-1时)。

(2)受控电流源变换支路阻抗

另一种改变支路阻抗的方法如图2,在原支路Z0上并联一受控电流源。各矢量含义和方向如图。显然,由于有源单元的加入,其支路等效阻抗为:

VV1　　Ze=I==IZ+ICIC1+Z0V

(2)

以抑制非线性负载产生的谐波电流ILh对电网支路的污染(用电网谐波电流Ish征表)和电网的谐波电压Vsh对负载的影响(用负载侧谐波电压VLh征表)为目的,即

ZF1Ish=ILh+ZF+ZsZs+ZFVshZFZFZsVLh=Vsh-I

ZF+ZsZF+ZsLh

ZL(s)为

Ish(s)HI(s)=ILh(s)ZL(s)=VLh(s)ILh(s)

Vsh(s)=0

(3)(4)

定义系统电流传递函数HI(s)、负载等效阻抗

(5)(6)

V(s)=0

sh

并定义电压传递函数HV(s),网侧等效导纳Ys(s)

图2　受控电流源变换支路阻抗

Fig.2　Controllablecurrentsourcetochangeimpedance

为

HV(s)=Ys(s)=则式(3)(4)可写成

Ish=HI(s)ILh+Ys(s)VshVLh=HV(s)Vsh-ZL(s)ILh

(3′)(4′)

VLh(s)Vsh(s)ILh(s)=0

(s)=0

同理,支路导纳是可控的。可组成电流控制电流源(CCCS,Ic=k·Iz),支路等效阻抗为:Ze=

Z0

,当k=-1时,Ze※∞,即支路阻抗为无穷大;

1+k

而组成电压控制电流源(VCCS,Ic=k·V)时,受控1源可视为一导纳为k的电导,此时,支路的等效阻抗

1为:Ze=Z0∥。

k

此外,k可被控制为更复杂的变量。

(7)(8)

Ish(s)

Vsh(s)I

Lh

式(3′)的第1项表示非线性负载产生的谐波电流对电网的传递,第2项表示由电网谐波电压产生的谐波电流。而式(4′)中第1项表示电网谐波电压对负载的影响,而第2项表示了负载谐波电流产生的谐

波电压。

按谐波抑制系统的目标。理想情况是式(3′)(4′)※0,亦即式(5)～(8)均趋于0。从支路阻抗的观点,可采用的技术途径有:①增大网侧等效谐波阻抗Zs;②减小滤波支路等效谐波阻抗ZF;③增大Zs

与减小ZF相结合的综合方案。

途径①、②理论上是欠完善的。比如,仅使网侧等效阻抗Zs增大为∞,如果滤波支路阻抗ZF过大,则在负载侧,仍将因负载谐波电流而引起极大的谐波电压。再如,仅滤波支路等效谐波导纳YF增大为∞,而电网支路阻抗一般极小,因此,系统对电网谐波电压十分敏感,容易谐振。

2　阻抗变换原理对电力滤波器的归纳

任何简单或复杂的谐波补偿系统可简化为3支路的谐波等效电路,分别称为:电网支路,负载支路和滤波支路(以下标S、L、F表示)。负载的非线性产生的谐波电流可视为谐波电流源,而负载的线性部分可表示成复阻抗ZL,按线性叠加原理,当基波无功已被校正或不用校正时,ZL为正实数。如图3,ZS、ZF即电网和滤波支路的等效谐波阻抗。

[1,3,7]

图3　滤波器简化三支路谐波等效电路

Fig.3　Thesimplifiedcircuitfortheharmonicsystem

途径③,称为混合方法,它同时增加电网支路阻

抗和减小滤波支路阻抗,是一种较为完善的方法,其4个传递函数HI(s)、ZL(s)、HV(s)和Ys(s)都将谐波抑制目标随不同应用场合而不同。但一般　第9期　　　　　　　　　　　　　陈国柱等:　有源电力滤波器的一般原理及应用19

趋于零(对谐波)。因而,理论上对阻止谐波电压和谐波电流在电网和负载之间的传递都有效。而且,网侧谐波电压在系统中不产生谐波电流,负载侧谐波电流在负载端产生的谐波电压也较小。

当采用无源的方法实现上述途径时,即目前实际应用中的主流,如串入电抗器,并联的LC滤波器等。无源滤波有诸多不足[3,7],电力电子及相关技术的发展,近年来出现了各种有源电力滤波器。当至少一个有源单元被采用时,其滤波系统称为有源电力滤波(APF)。

并联APF被认为是APF的最基本结构[1～3];自1986年H.Akagi等人提出基本并联APF后,虽有许多变种,如T.A.Torry的闭环方案、M.Takeda的APF与无源滤波器(PF)相并联方案等。但它们都是产生一个与某支路(如L、S)的谐波电流幅度及相位相关的受控电流,达到减小或抵消电网谐波电流的目的。从受控源变换支路阻抗的基本原理来看,实现为CCCS的并联APF,如图4。

[1～9]

是1994年由H.Akagi提出,新加入的基本有源单元是在图5叠加一VCVS于滤波支路,如图6。

图6　串联APF(VCVS)及其等效电路

Fig.6　SeriesAPF(VCVS)anditsequivalentcircuit

其中图4、5改变电网支路阻抗,6则改变滤波支路阻抗。并联APF采用CCCS使电网支路阻抗为无穷大(对谐波),(当k=-1时),因而使该支路谐波电流为0,如图4;串联APF,如图5,利用CCVS,使电网阻抗增大,但为一有限值[7];串联APF,利用VCVS使无源滤波器支路导纳为无穷大(当k=-1时),因而使该支路谐波电压为0,如图6。

综上所述,已报道的众多APF,按本文的观点可归纳为下4类基本有源单元的前3类及其组合的运用,即:①CCCS实现的并联APF,使ZS※∞,图4;②CCVS实现的串联APF,使ZS增大,图5;③VCVS与PF串联的APF,使ZF※0,图6;④VCCS实现的并联APFs,使ZF减小,见下节。

3　阻抗变换原理的演绎应用

图4　并联APF(CCCS)及其等效电路Fig.4　ShuntAPF(CCCS)anditsequivalentcircuit

按对偶原理,易得第2节中的第4类可能的

APF单元,它利用VCCS使无源滤波器支路导纳增大(有限值),见图7。

串联有源电力滤波器,是1988年F.Z.Peng等人提出的、有较多优势的一种结构,在用并联PF的同时,采用一个串联的CCVS,增大电网支路谐波阻

抗(到有限值),而对基波阻抗为0,可表示为图5;1990年,H.Fujita等人提出将APF与PF相串联后的并联滤波方案。虽CCVS在PF支路,但等效为F.Z.Peng方案。

图7　并联APF(VCCS)及其等效电路

Fig.7　ShuntAPF(VCCS)anditsequivalentcircuit

事实上,只要按第2节中所述的减小谐波的3个途径,采用第1节中的受控源(含更复杂控制受控源)变换阻抗原理,可构造出许多新的APF。如果考虑基本有源单元与无源单元及有源单元之间的组合,实现不同目的和条件下的的谐波抑制系统的方案就更多了。比如:

·串联PF与并联APF(CCCS)的HAPF;图5　串联APF(CCVS)及其等效电路

Fig.5　SeriesAPF(CCVS)anditsequivalentcircuit

并联APF(CCVS)与串联APF(VCVS)的结构20　　　　　　　　　　中　国　电　机　工　程　学　报　　　　　　　　　　　　　　　第20卷

·串联APF(CCVS)与并联APF(VCCS);·并联APF(VCVS)与并联PF相串联;·串联APF(VCVS);　…

制负载谐波电流和电网谐波电压对电网谐波电流污染。而且,大大减少了负载侧的谐波电压。

5　对应用例子的仿真与实验

为了验证受控源变换阻抗原理,对图5所示等效的三相应用例子进行了原理级(必要部分还进行

了器件级)的仿真,并将它应用到一个旨在50kVA变频器谐波抑制装置上。

原理级仿真以PSIM4.0(CANADAPOWER-SIM)为主,并用SABER验证;器件级仿真在SABER及PSPICE8上进行。主要仿真与实验参数如下:

负载:50kVA/380V,三相不控整流,电容滤波;电网谐波电压严重畸变,相对于基波总畸变率THDv为12%,其中:V5=10.6%,V7=5.5%;耦合变压器10:1,带宽1kHz;一组特殊设计小无功电流、高谐波电流的多组PF(含5、7、11、13次及高通)。主要波形如图9、10所示。

4　应用实例

作为有应用价值的1个例子,可构造出这样1

个混合有源电力滤波器(HAPF)。采用的技术途径有①无源滤波器(PF)降低滤波支路阻抗;②一个VCVS基本有源单元串联,使电网支路对电网谐波电压呈无限阻抗(开路),以减小其对负载侧的传递,即VC1=G·Vrh(G=-1);③一个CCVS单元串联,使电网支路对负载谐波电流阻抗增大(有限阻抗),即VC2=k·Ish,如图8。

图8　一种混合有源滤波器及其等效电路

Fig.8　Ahybridactivepowerfilter&it'equivalentcircuitforharmonics

显然,采用第3种技术途径,即增大Zs同时减小ZF的综合方案;既应用了串联的CCVS(图5),也应用了按第3节方法构造出来的串联VCVS。它除有串联HAPF的优点外,还较适应于电网畸变严重或负载对电网谐波敏感的应用中。根据叠加原理,VCVS与CCVS可叠加成一个受控电压源,它受Ish和Vrh的共同控制。其原理图和谐波等效电路图如图8。其中:Vc＊=k(s)Ish-GvVrh

设　Ze=Zs+G(k-Zs),根据图8可得ZF

HI(s)=ZF+Ze1-GYs(s)=ZF+Ze

ZF(1-G)

HV(s)=ZF+ZeZFZe

ZL(s)=ZF+Ze

图9　负载电压VL在HAPF开启前后波形及频谱Fig.9　Theloadharmonicvoltage(VL)cancelled

bytheHAPF(waveforms&spectra)

从图9、10可见,该HAPF可抵消严重畸变的电网谐波电压,使负载谐波电压相对基波总畸变率THDv下降为2.7%,(其中V5:1.7%;V7:1.15%);电

网谐波电流也大为降低,相对基波总畸变率THDi由启动前85%下降为小于1.7%。

同时,模型实验与仿真波形吻合较好,波形如图11。

电网电流Is和负载电压VL接近于正弦波,谐波指标符合国家标准(GB/T14549-93)和IEEE-519。表明这种HAPF对电网谐波电压对负载端的影响和非线性负载谐波电流对电网的污染均具有良好的抑制作用。从而说明了APF的受控源支路变ZF

s)s≠jω=0,HI(当G※1时,则HV(s)=sZF+Ze

当k ‖Zs+ZF‖时,VLh,Ish只有很小的谐波残余

ZF

Ish=I(9)

k+ZFLh

ZFk

VLh=-ZF+kILh

(10)

从式(9)(10)可见,这种方案的HAPF,能有效地抑　第9期　　　　　　　　　　　　　陈国柱等:　有源电力滤波器的一般原理及应用21

换原理的有效性。组合出HAPF的例子,对该例进行了仿真和模型实验验证。结果表明,该原理理论性和实践性均较好,具有通用性。

参考文献:

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图10　电网电流Is在HAPF启动前后波形及频谱图Fig.10　Thesourceharmoniccurrent(IL)suppressed

bytheHAPF(waveforms&spectra)

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图11　HAPF的谐波抑制实验波形Fig.11　Modelexperimentwaveforms

收稿日期:1999-10-25;　改回日期:2000-04-25。作者简介:

陈国柱,在职博士研究生,研究方向为有源电力滤波及电力电子技术装置;

吕征宇,博士,副教授,研究方向为电力电子装置、有源滤器智能控制及DSP技术应用等;

钱照明,博士,教授,博士生导师,研究方向为电力电子技术装置、EMC设计、谐波抑制等。

6　结论

本文应用受控源支路阻抗变换原理,对众多的电力有源滤波器从基本原理上分成4类,并归纳其实现技术途径为3种。它适合于现有的和将来的

APF结构。从该原理出发,还可容易地组合出新型混合有源电力滤波器。本文给出了一个应用该原理

(上接第16页continuedfrompage16)

[3]　JaffardS,LaurencotPh.Orthonormalwavelets,analysisofopera-torsandapplicationstonumericalanalysis[C].Wavelets-ATutorialinTheoryandApplicationsAcademicPress,Inc,1992:543-601.[4]　VasilyevOV,PaolucciS,SenM.Amultilevelwaveletcollocation

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(责任编辑　丁玉瑜)

收稿日期:1999-05-17;改回日期:2000-03-10。作者简介:

石陆魁,男,硕士,教师,从事小波分析及小波数值计算研究。

(责任编辑　丁玉瑜)