多重化主電路實現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，給出系統的主電路結構和系統的控制方法。實驗表明該系統有效地解決了有源電力濾波器容量與開關頻率的矛盾，取得了滿意的效果。

關鍵詞：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行補償，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用得到了迅速發展[1,2,3]。

　　如何將有源電力濾波器用于補償大容量工業裝置中的諧波與無功功率是許多研究者所關心的問題之一。大容量的工業裝置所產生的諧波對電網危害很大，必須給予足夠的重視[2]；當使用有源電力濾波器進行諧波抑制時,相應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頻率卻越來越低，而較低的開關頻率又會影響有源電力濾波器的補償效果，所以在將有源電力濾波器用于大容量諧波補償時就面臨著器件開關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：一是器件串并聯以達到容量要求；二是多***立的有源電力濾波器并聯使用；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頻率。與多臺裝置并聯使用的方法相比，除提高等效開關頻率外，只需一套控制電路，在經濟上更為合理。

　　基于上述設想，我們設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償容量達到120kVA;在控制電路中，諧波補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]，將補償電流指令分配至4組PWM變流器，進行適當控制，即可使整個裝置的等效開關頻率為器件開關頻率的4倍，獲得了良好的補償效果。

2系統構成及工作原理

　　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變流器并聯組成。四組PWM變流器的直流側并聯在一起，公用一組直流電容器。它們的交流側與負載諧波源并聯連接。工作時，各組PWM變流器根據控制電路計算的諧波指令電流，通過各自的電流跟蹤環節控制，產生各自的諧波補償電流，相加后以抵消諧波源負載電流中的諧波成分，使流入電源側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，即通過檢測補償對象（即圖1中的負載）的電壓與電流，經過坐標變換、低通濾波和坐標反變換，得到負載電流中的基波電流成份，再將負載電流與之相減，得出諧波補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行均流分配處理，即各PWM變流器輸出的補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生所需的補償電流。

圖1有源電力濾波器的構成

　　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頻率的提高是采用對每個PWM變流器的基準時鐘相位錯開的方法實現，即對輸入到各PWM變流器的基準時鐘在相位上依次拖后90°,第二組PWM變流器的基準時鐘落后第一組基準時鐘折合電角度90°，第三組PWM變流器的基準時鐘落后第二組基準時鐘折合電角度90°，依次類推。各PWM變流器的基準時鐘分配原理圖見圖2。這樣就使整個系統的開關頻率提高到各PWM變流器電力電子器件開關頻率的4倍。

3實驗結果

　　利用所研制的有源電力濾波器裝置對圖1所示的諧波源負載進行了補償實驗。諧波源由一個帶電感性負載的三相整流橋組成。圖3～圖5給出了實驗結果。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變流器投入補償后的電源電流波形，可以看出三相電流波形中諧波被補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償效果。

4結論

　　本文介紹了采用多重化主電路實現的大容量有源電力濾波器，給出了系統結構和控制原理，實驗表明該系統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頻率之間的矛盾。可以得出以下結論：

　　（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頻率過低的問題，多重化可以使系統等效開關頻率成倍提高，使有源電力濾波器有一個良好的補償效果。

圖2控制電路原理示意圖及時鐘脈沖分配圖

圖3補償前三相整流橋阻感負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
電源電流補償后波形及頻譜分析圖

　　（2)采用多重化主電路可以成倍擴大裝置的補償容量。

參考文獻

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查專門委員會，アクティブフィルタ機能を有する電力變換回路とシステム，1997

3王兆安，楊君，劉進軍等.諧波抑制和無功功率補償.北京:機械工業出版社,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.電工技術學報,1995,(2):p43～48.