新型電力有源電力濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

摘 要：混合型有源電力濾波器具有抑制大容量諧波及補(bǔ)償無功功率等特點(diǎn)，濾波效果良好，經(jīng)濟(jì)成本低。文章對于混合型電力濾波器設(shè)計(jì)了有源和無源部分，提出一種適應(yīng)于大容量裝置參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：電力濾波器；混合型；耦合變壓器；電力電子

目前，從電網(wǎng)側(cè)消除諧波污染的主要方法是通過電力濾波器，如有源濾波器、無源濾波器和混合型濾波器。有源濾波器由于開關(guān)器件容量有限，成本高難以單獨(dú)應(yīng)用到高壓電網(wǎng)中運(yùn)行。無源濾波器參數(shù)受電網(wǎng)阻抗和濾波支路阻抗大小的限制難以滿足濾波要求?；旌闲碗娏V波器彌補(bǔ)了有源和無源各自的缺點(diǎn)，初期投資小，性價(jià)比高，是目前高壓大容量系統(tǒng)工程主要采用的形式。文章討論了混合型電力濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)方法，經(jīng)實(shí)踐工程應(yīng)用濾波效果滿足設(shè)計(jì)要求。

1 設(shè)計(jì)內(nèi)容

文章設(shè)計(jì)的混合型有源濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由基波串聯(lián)諧振電路、耦合變壓器、無源濾波器、并聯(lián)電容器和直流電容部分構(gòu)成。有源部分為采用電壓源型逆變器，直流母線起到穩(wěn)壓作用，濾波器起到濾除開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)產(chǎn)生的高頻諧波作用。經(jīng)基波串聯(lián)諧振電路與耦合變壓器將有源部分接入到電網(wǎng)中，再與多組單協(xié)調(diào)濾波器構(gòu)成的無源濾波器器并聯(lián)。L1C1構(gòu)成基波諧振電路，和Cc一起組成無源濾波部分，L1C1諧振電路可以克服有源濾波器容量限制，但是不能有效濾除有源部分產(chǎn)生的高頻諧波。

2 參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 有源濾波器中無源參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1.1 單調(diào)諧波濾波器

文章設(shè)計(jì)的單調(diào)諧濾波器的組成部分主要是電阻、電感和電容元件，其工作方式是利用諧波使LC發(fā)生串聯(lián)諧振從而使濾波器的阻抗變得非常小，進(jìn)而將非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流引入濾波器。其n次諧波的阻抗為

式中，Z為n次諧波阻抗；R為n次諧波電阻；諧波ws為基波角頻率。

由式（1）明顯可以看出，濾波器對基波的阻抗呈容性，可以向電網(wǎng)提供一定的無功功率。由于濾波器與系統(tǒng)在電網(wǎng)頻率偏差的作用下會在特征頻率上出現(xiàn)并聯(lián)諧振，為防止此并聯(lián)諧振對濾波器造成損害。相比于特征頻率，在設(shè)置單調(diào)濾波器的調(diào)諧頻率時(shí)應(yīng)考慮將調(diào)頻頻率值設(shè)置為低于其相對應(yīng)的特征頻率值。即濾波器諧振設(shè)計(jì)頻率f<1/2π√LC。

在確定具體需要濾除的諧波次數(shù)后，濾波器中的元件電容C 和電感 L的參數(shù)值設(shè)計(jì)需考慮以下幾點(diǎn)：

（1）LC的容量電網(wǎng)中基波電壓和調(diào)諧頻率電流會給單調(diào)諧波濾波器中的電容和電感帶來沖擊和激勵。電容和電感容量應(yīng)滿足：

式中，U為基波相電壓；In為n次諧波電流，在實(shí)際工程中應(yīng)適當(dāng)增大電容電感的容量來計(jì)及背景諧波的影響，一般LC容量需增大10%左右。

（2）LC的經(jīng)濟(jì)最小值設(shè)電容和電感的單位容量的投資為x和y，則所需投資為

為了使M最小，聯(lián)立2式、3式并對電容電感求極值得

2.2 濾波器注入支路的參數(shù)設(shè)計(jì)

利用L1和C1僅承受低基波諧振電壓的特性，可以極大地改善有源部分，降低容量。同時(shí)L1、C1和Cc還可根據(jù)實(shí)際情況組成一條可濾除特定次數(shù)的諧波的濾波支路，它們的參數(shù)的選擇應(yīng)考慮到成本因素和無功補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

優(yōu)化目標(biāo)1 總成本最小。即

優(yōu)化目標(biāo)2 通過L1、C1支路的分流使支路的電抗比值最小。

將多個優(yōu)化目標(biāo)轉(zhuǎn)換為單優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)是算法簡單，計(jì)算速度快。

2.3 有源部分的參數(shù)設(shè)計(jì)

2.3.1 輸出濾波器

逆變器輸出的頻率波中含有一定量的低頻諧波頻率和高頻毛刺頻率，由于信號放大器的存在，這些頻率會被過度放大而導(dǎo)致電路元件燒毀，為了避有源濾波器燒毀，通常將濾波器中LC諧振頻率f0設(shè)置為10f

2.3.2 耦合變壓器

耦合變壓器主要作用是匹配有源部分電壓電流和電氣隔離作用。耦合變壓器需要通過滿足有源濾波器容量為，使功率開關(guān)器件的容量得到充分的利用，需要滿足以下關(guān)系：

3 結(jié)束語

文章設(shè)計(jì)的混合型有源濾波器提高諧波抑制能力兼顧無功補(bǔ)償要求，并聯(lián)型無源濾波器器兼顧補(bǔ)償大容量無功功率和濾除特定諧波的作用，有源濾波器補(bǔ)償無源濾波器難以濾除的高頻諧波部分。該結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點(diǎn)在于避免了使逆變器主電路采用多重化結(jié)構(gòu)，減少成本提高設(shè)備的性價(jià)比。

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作者簡介：戚坤基（1981-），男，遼寧大連人，碩士研究生，主要從事混合性有源電力濾波器技術(shù)方面的研究。