丁士啟 帥智康 羅 安

（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 長(zhǎng)沙 410082）

1 引言

注入式混合型有源電力濾波器（Injection Type Hybrid Active Power Filter, IHAPF）兼顧諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償功能，由于基波諧振支路的存在有效降低了有源部分的基波分壓，是目前中高壓電網(wǎng)諧波治理和無(wú)功補(bǔ)償工程應(yīng)用中采用較為廣泛的形式。其核心在于采用注入支路實(shí)現(xiàn)基波電壓有效分壓，使有源濾波器基本不承受基波電壓和基波電流，從而達(dá)到降低有源濾波器容量的目的[1-4]。

然而，在某些變電站及大型的工礦企業(yè)的中高壓電網(wǎng)中，都配備相應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置，無(wú)功缺口不是很大，但是諧波治理裝置卻很少，諧波并沒(méi)有得到有效治理，導(dǎo)致電網(wǎng)的電能質(zhì)量降低，影響了企業(yè)的正常生產(chǎn)，甚至威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[5-8]。如果采用注入式結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)兩種情況:①注入電容滿足無(wú)功補(bǔ)償需要的情況下，電容取值會(huì)很小，諧波阻抗增大，諧波電流的注入能力受限；②注入電容滿足諧波注入能力的情況下，電容值會(huì)比較大，無(wú)功會(huì)出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)現(xiàn)象。同時(shí)，在實(shí)際的應(yīng)用中，受基波串聯(lián)諧振支路失諧及檢測(cè)環(huán)節(jié)誤差的影響，IHAPF的有源部分與基波諧振支路間會(huì)產(chǎn)生基波環(huán)流，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀逆變器。

因此，本文在研究IHAPF基波環(huán)流產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出了一種新型注入支路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保留了IHAPF的優(yōu)點(diǎn)，在保證注入能力的同時(shí)，可滿足任意容量的無(wú)功補(bǔ)償要求，并在結(jié)構(gòu)上抑制了基波環(huán)流的產(chǎn)生，避免了控制失效時(shí)事故的發(fā)生；建立了新型注入式混合有源電力濾波器（Novel Injection type Hybrid Active Power Filter, NIHAPF）的電氣模型，以此為基礎(chǔ)分析了NIHAPF的濾波原理及注入支路對(duì)濾波能力的影響，提供了注入支路參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)；并從基波諧振支路諧波分壓和串聯(lián)諧振支路諧波分流兩個(gè)方面探討了新型結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性；仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文理論分析的有效性。

2 IHAPF基波環(huán)流的產(chǎn)生機(jī)理

文獻(xiàn)[9]從控制的角度，分析了當(dāng) IHAPF控制系統(tǒng)檢測(cè)環(huán)節(jié)存在誤差時(shí)，控制器給定信號(hào)中將存在基波成分，導(dǎo)致逆變器與基波諧振支路間產(chǎn)生很大的基波電流，威脅逆變器的安全；并提出IHAPF雙閉環(huán)控制策略，提高了 IHAPF有源部分基波阻尼，有效地抑制了檢測(cè)環(huán)節(jié)誤差導(dǎo)致的基波環(huán)流，提高了系統(tǒng)的可靠性。但是，該文并未從主電路結(jié)構(gòu)的角度分析基波環(huán)流的問(wèn)題，尤其是當(dāng)基波諧振支路失諧時(shí)，即使采用雙閉環(huán)控制策略也難以抑制基波環(huán)流的產(chǎn)生。

本文將從結(jié)構(gòu)上分析 IHAPF基波環(huán)流的產(chǎn)生機(jī)理。

圖1 系統(tǒng)注入支路結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System topology of the injection sub-circuit

如圖1所示，在逆變器工作期間，任意時(shí)刻都有3個(gè)管子導(dǎo)通構(gòu)成回路，從直流側(cè)來(lái)看是電壓型逆變器，輸出的是與參考信號(hào)成比例的諧波值，沒(méi)有基波量；當(dāng)注入支路的參數(shù)確定時(shí)，注入支路的基波電流量基本恒定，相當(dāng)于一個(gè)基波電流源。從注入支路來(lái)看它相當(dāng)于一個(gè)電流型逆變器，對(duì)基波調(diào)制時(shí)相當(dāng)于三個(gè)升壓斬波電路，也就是常用的PWM整流電路，但是當(dāng)調(diào)制諧波時(shí)，雖然還是PWM整流，可輸出變得不確定，會(huì)產(chǎn)生很大的基波電流，流經(jīng)輸出電抗的基波量與系統(tǒng)取值有關(guān)。

理想情況下基波諧振支路完全調(diào)諧，并忽略基波諧振支路電感的內(nèi)阻，基波諧振支路在基波頻率下阻抗為零，即 Z2等于零。對(duì)于 IHAPF來(lái)說(shuō)，基波諧振支路在基波頻率時(shí)可以看成是短路，由于輸出濾波器Lm的存在，系統(tǒng)電壓作用于IHAPF注入支路時(shí)產(chǎn)生的基波電流完全由基波諧振支路承擔(dān)，其有源逆變部分不承受基波電壓和基波電流。

然而在工程應(yīng)用中，受制造工藝的限制基波諧振支路參數(shù)會(huì)存在誤差。因此，Z2在基波頻率處的等效阻抗不為零。假設(shè)基波諧振支路偏感性，失諧率為α；基波諧振電感 L1的品質(zhì)因數(shù)為 Q，則在基波頻率處基波諧振支路的等效阻抗為

式中，ω為基波角頻率。

則電網(wǎng)電壓作用于IHAPF注入支路時(shí)，產(chǎn)生的流經(jīng)有源部分的基波電流為

從上式可以看出，當(dāng)基波諧振支路等效阻抗不為零時(shí)，將在IHAPF有源部分與基波諧振支路間形成基波環(huán)流。該基波電流的值與基波諧振支路的失諧度以及逆變器輸出濾波電抗器的值有關(guān)，一般情況下，為確保逆變器的諧波輸出性能，輸出濾波電抗器取值不會(huì)太大，因此，基波環(huán)流會(huì)比較大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒壞逆變器的開(kāi)關(guān)管。

3 新型注入式混合型有源電力濾波器結(jié)構(gòu)

為了提高 IHAPF基波串聯(lián)諧振支路失諧時(shí)系統(tǒng)的可靠性，本文提出了新型注入式混合有源電力濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，NIHAPF的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中，US為電網(wǎng)電壓，ZS為電網(wǎng)等效阻抗，L1、C1構(gòu)成基波并聯(lián)諧振，L2、C2構(gòu)成基波串聯(lián)諧振，C為直流側(cè)電容，L0和C0構(gòu)成輸出濾波器，用于濾除逆變器輸出的高頻毛刺。NIHAPF系統(tǒng)的有源部分采用IPM模塊構(gòu)成電壓型逆變器，其無(wú)源部分采用單調(diào)諧回路。

圖2 新型注入式混合型有源濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of novel injection type hybrid APF

由圖2可以看出，有源部分通過(guò)耦合變壓器與由 L2、C2構(gòu)成的串聯(lián)諧振支路并聯(lián)再與 L1、C1構(gòu)成的并聯(lián)諧振注入支路串連接入電網(wǎng)。在基波域L1和C1并聯(lián)基波諧振對(duì)于有源部分相當(dāng)于開(kāi)路，在諧波域有源部分只承受 L2和 C2上分到的很小的諧波電壓，從而有效降低有源部分IPM模塊的容量，在很大程度上克服有源電力濾波器的容量限制，更易實(shí)現(xiàn)有源電力濾波器的大功率應(yīng)用，并降低了系統(tǒng)成本。

此結(jié)構(gòu)中，并聯(lián)支路和串聯(lián)支路組成了雙重保護(hù)，當(dāng)并聯(lián)支路完全諧振時(shí)，并聯(lián)諧振支路承受全部基波電壓，串聯(lián)支路中沒(méi)有基波電流，有源部分也不會(huì)發(fā)生基波環(huán)流，當(dāng)并聯(lián)支路失諧時(shí)，仍可保證并聯(lián)諧振支路承受幾乎所有基波電壓；基波電流仍然能夠絕大多數(shù)流入串聯(lián)諧振支路，從而在更大范圍內(nèi)保證有源濾波器不承受基波電壓和電流。

綜上所述，NIHAPF利用基波并聯(lián)諧振構(gòu)成了很大的基波阻抗，使基波電壓完全施加在基波并聯(lián)諧振電路上，從而使NIHAPF的有源部分僅承受諧波電壓，不承受基波分量。NIHAPF的諧波電流注入部分由于構(gòu)成了基波并聯(lián)諧振，其注入支路不能進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，因此，NIHAPF更加適用于功率因數(shù)高、諧波污染嚴(yán)重的冶煉企業(yè)，通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整基波并聯(lián)諧振電路的取值，既可保證諧波電流的注入能力。在無(wú)功需求較大的場(chǎng)合，可以增加單調(diào)諧濾波器，實(shí)現(xiàn)大容量無(wú)功補(bǔ)償和諧波動(dòng)態(tài)治理。

4 NIHAPF的運(yùn)行機(jī)理研究

4.1 NIHAPF的電氣模型

對(duì)上述NIHAPF進(jìn)行簡(jiǎn)化處理[10-14]:假設(shè)電網(wǎng)諧波電壓為USh；電網(wǎng)諧波域等效阻抗為ZSh；非線性負(fù)載等效為諧波電流源ILh；有源部分被控制為一個(gè)理想的諧波電壓源UI；則NIHAPF的諧波域單相電氣模型如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)單相等效電路圖Fig.3 Single phase equivalent circuit

從式（4）可以看出，當(dāng)控制放大倍數(shù) K足夠大時(shí)，流入電網(wǎng)的諧波電流將會(huì)很小，接近于 0，起到抑制諧波電流的作用；同時(shí)可以抑制無(wú)源部分與電網(wǎng)阻抗間的并聯(lián)諧振。

4.2 新型IHAPF注入支路諧波分壓分析

基波串聯(lián)諧振支路諧波分壓不僅對(duì)有源部分的器件選型有直接影響，還有可能在基波串聯(lián)諧振支路分壓大于直流側(cè)電壓的情況下，通過(guò) IGBT續(xù)流二極管向直流側(cè)反向充電，抬升直流側(cè)電壓，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定造成影響?；ù?lián)諧振支路的諧波分壓主要來(lái)源于兩個(gè)方面，一方面是電網(wǎng)諧波電壓在基波諧振支路的分壓，另外一個(gè)重要的方面是由于基波環(huán)流分壓和注入支路調(diào)諧頻率附近的諧波電壓被嚴(yán)重放大，造成基波串聯(lián)諧振支路諧波含量急劇增加?；ù?lián)諧振支路諧波分壓大時(shí)嚴(yán)重影響有源電力濾波系統(tǒng)的整體性能，甚至造成開(kāi)關(guān)管因過(guò)流而燒毀的現(xiàn)象。在傳統(tǒng)的IHAPF結(jié)構(gòu)中，通過(guò)提高注入支路的諧振頻率理論上可以降低基波諧振支路的諧波分壓，但是，這是以犧牲APF的諧波注入能力為代價(jià)的[15]。在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，由于電網(wǎng)中含有較高頻率的諧波電壓，即使提高了注入支路的諧振頻率仍然存在諧波放大的現(xiàn)象。

為研究NIHAPF注入支路的基波并聯(lián)和基波串聯(lián)支路的諧波分壓情況，本節(jié)建立了NIHAPF注入支路的諧波分析等效電路，如圖4所示。

圖4 并聯(lián)和串聯(lián)基波諧振支路諧波分壓等效電路Fig.4 fundamental resonant sub-circuit of the parallel and series

由圖4可知，當(dāng)諧波次數(shù)為n次時(shí)，可得到基波并聯(lián)支路和串聯(lián)支路的阻抗分別為

基波并聯(lián)和串聯(lián)諧振支路的電壓分壓比和電流分流比分別為

在基波域，當(dāng) n=1時(shí)，ku=∞，ki=0即 Z2并聯(lián)諧振承受所有基波電壓，串聯(lián)諧振不承受基波電壓。圖5為利用Matlab仿真軟件對(duì)本文提出的新型結(jié)構(gòu)NIHAPF支路的仿真結(jié)果，對(duì)注入并聯(lián)基波諧振支路的阻抗和串聯(lián)基波諧振支路的分壓和分流特性進(jìn)行了頻譜分析。仿真參數(shù)見(jiàn)表1。

圖5 NIHAPF結(jié)構(gòu)阻抗特性仿真圖Fig.5 Simulation results of impedance characteristic

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Parameters of simulation

從圖5中可以看出在諧波域，當(dāng)f ＞300Hz時(shí)，ku＜1即串聯(lián)諧振支路的諧波電壓就開(kāi)始大于并聯(lián)支路，隨著n的增大，ku會(huì)越來(lái)越小，諧波電壓大部分會(huì)加到串聯(lián)諧振支路；另外，當(dāng)f =50Hz時(shí)，即基波頻率處，基波并聯(lián)諧振支路的分壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基波串聯(lián)諧振的分壓，即使存在一定的失諧，基波并聯(lián)諧振支路仍將承受幾乎所有的基波電壓，從而從結(jié)構(gòu)上避免了基波環(huán)流的產(chǎn)生。

表2為利用實(shí)驗(yàn)室HAPF開(kāi)發(fā)平臺(tái)獲得的兩種結(jié)構(gòu)的基波諧振支路各次諧波電壓的幅值，采用傳統(tǒng)注入式結(jié)構(gòu)時(shí)通過(guò)改變注入電容的值分別諧振在3.8次和10次，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。濾波系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)室 380V三相交流電源供電，其中諧波電壓主要為3、5、7次，幅值分別為4V、2V和1V。

表2 基波諧振支路諧波分壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental results of harmonic voltage supported by fundamental circuits of different topologies

傳統(tǒng)的注入式結(jié)構(gòu)由于諧波電流注入部分為一個(gè)電容，隨著頻率的升高其等效阻抗逐漸降低，電網(wǎng)中的諧波電壓幾乎全部降在了基波諧振支路上。并且由于注入電容的取值不能無(wú)限制的增大，在低頻段整條注入支路的諧振點(diǎn)處存在諧波電壓放大的現(xiàn)象，大大增大了基波諧振支路承受的諧波電壓值。而本文提出的NIHAPF新型結(jié)構(gòu)，諧波注入部分為一并聯(lián)基波諧振支路，由于電感的存在，提高了注入電容值，降低了基波諧振支路的諧波分壓值，還可以避免電網(wǎng)低頻諧波電壓的放大現(xiàn)象。

由表2可以看出，通過(guò)減小注入電容的取值，提高注入支路的諧振頻率可以在一定程度上降低基波諧振支路的諧波分壓，但是仍然存在嚴(yán)重的諧波放大現(xiàn)象。而NIHAPF的注入支路基本不會(huì)發(fā)生諧振的情況，因此很好地避免了諧波放大現(xiàn)象，而且還不會(huì)產(chǎn)生基波環(huán)流，大大降低了基波諧振支路的諧波分壓。

4.3 并聯(lián)基波諧振注入支路諧波分流分析

由圖5的頻譜圖可以看出，由于NIHAPF新型結(jié)構(gòu)中的諧波電流注入部分諧振在基波，可以根據(jù)實(shí)際情況增大注入電容值也不會(huì)發(fā)生無(wú)功過(guò)補(bǔ)的情況，對(duì)于有源部分發(fā)出的諧波電流隨著發(fā)出諧波頻率的增大，串聯(lián)基波諧振支路的分流會(huì)越來(lái)越小。由于APF主要補(bǔ)償5次及以上的高次諧波，在APF輸出諧波電壓有限的情況下，能夠獲得很好的諧波電流注入效果。注入支路串聯(lián)諧振次數(shù)為m時(shí)，注入電容對(duì)于n次諧波的阻抗為[15]

新型注入結(jié)構(gòu)的注入支路的阻抗為

根據(jù)式（9）和式 10）可以看出，傳統(tǒng)注入支路阻抗與m2成正比，隨著諧振次數(shù)m的增加，|ZGh|的值急劇增大，嚴(yán)重限制了諧波電流的注入能力；新型結(jié)構(gòu)注入支路由于結(jié)構(gòu)特性不會(huì)出現(xiàn)低次諧振點(diǎn)，|ZGh|的值只與發(fā)出的諧波次數(shù)有關(guān)，通過(guò)增大注入電容值就可以提高諧波電流的注入能力。

5 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證NIHAPF結(jié)構(gòu)在基波環(huán)流抑制方面的有效性，分別對(duì)傳統(tǒng)IHAPF和新型NIHAPF進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。負(fù)載參數(shù)根據(jù)某銅冶煉企業(yè) 10kV母線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用理想電流源模擬。其中，三相電源電壓為10kV，頻率為50Hz；5次、7次、11次和13次諧波電流分別為35.8A、40.9A、45.3A和20.5A。

仿真采用開(kāi)環(huán)仿真和閉環(huán)仿真兩種形式，第一組仿真開(kāi)環(huán)控制信號(hào)中不包含基波分量，只考慮基波串聯(lián)諧振支路失諧的影響；第二組仿真采用閉環(huán)控制，同時(shí)考慮基波串聯(lián)諧振支路失諧和檢測(cè)誤差導(dǎo)致控制給定信號(hào)存在基波分量的形式，閉環(huán)控制采用文獻(xiàn)[9]所述的雙閉環(huán)控制策略。

系統(tǒng)主電路參數(shù)如表3所示。傳統(tǒng)IHAPF的注入電容的取值根據(jù)電網(wǎng)所需補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率計(jì)算獲得；同時(shí)，兼顧諧波電流注入比和基波串聯(lián)諧振支路的諧波分壓，基波串聯(lián)諧振支路電容和電感參數(shù)分別為 690μF和 14.7mH，具體設(shè)計(jì)方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[15]。為確保 IHAPF和 NIHAPF的可比性，NIHAPF的主電路參數(shù)與 IHAPF一致，因此，NIHAPF基波并聯(lián)諧振支路的電感值為

表3 系統(tǒng)參數(shù)Tab.3 Parameters of system

開(kāi)環(huán)控制仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 開(kāi)環(huán)傳統(tǒng)注入式結(jié)構(gòu)逆變器輸出電流Fig.6 Inverter output current and spectrum of the traditional IHAPF with open-loop

圖7 開(kāi)環(huán)新型注入式結(jié)構(gòu)逆變器輸出電流和頻譜Fig.7 Inverter output current and spectrum of the NIHAPF with open-loop

從圖 6a、圖 6b兩個(gè)圖對(duì)比可以得出，開(kāi)環(huán)控制時(shí)，當(dāng)基波串聯(lián)諧振支路參數(shù)變化時(shí)，對(duì)于相同的諧波參考量，逆變器輸出的基波電流不同，從而直觀的說(shuō)明了基波環(huán)流產(chǎn)生的原因。由圖7可以看出，開(kāi)環(huán)控制時(shí)，對(duì)于相同的諧波參考量和系統(tǒng)參數(shù)，NIHAPF系統(tǒng)中的逆變器的輸出只有控制所導(dǎo)致的很少的一部分基波量，改變注入支路的參數(shù)對(duì)基波量輸出沒(méi)有影響；而治理效果取決于注入電流的大小，相同注入電容值時(shí)，新型結(jié)構(gòu)的注入效果要好。

閉環(huán)控制仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 雙閉環(huán)注入式結(jié)構(gòu)逆變器輸出電流和頻譜Fig.8 Inverter output current and spectrum of the traditional IHAPE structure with dual close loop control

圖9 閉環(huán)新型注入式結(jié)構(gòu)逆變器輸出電流和頻譜Fig.9 Inverter output current and spectrum of the NIHAPF with close loop control

對(duì)比圖8和圖9也可以看出，閉環(huán)控制的時(shí)候，新型的注入式結(jié)構(gòu)也不會(huì)產(chǎn)生基波分量，而傳統(tǒng)的注入式結(jié)構(gòu)除了由于檢測(cè)，控制等導(dǎo)致的誤差原因，還有逆變側(cè)的基波分流，控制器輸出一個(gè)基波頻率的信號(hào)，而這個(gè)信號(hào)由于傳遞函數(shù)在基波頻率處很高的增益，將會(huì)產(chǎn)生很大的輸出電流，而這個(gè)電流信號(hào)又無(wú)法被輸出電流檢測(cè)到，無(wú)法進(jìn)行控制，這等于處于一種失控狀態(tài)。這樣的系統(tǒng)是很不穩(wěn)定的，難以可靠運(yùn)行。而且，由于無(wú)法對(duì)逆變器的輸出電流控制，通常會(huì)因逆變器過(guò)流而燒毀功率器件。新型結(jié)構(gòu)則完全避免了這種情況的發(fā)生。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的NIHAPF結(jié)構(gòu)的有效性，搭建了傳統(tǒng) IHAPF和本文提出的新型NIHAPF實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用380V系統(tǒng)模擬不同結(jié)構(gòu)對(duì)基波環(huán)流的抑制情況。

由圖10和圖11可以看出，傳統(tǒng)的IHAPF在基波串聯(lián)諧振支路失諧時(shí)，會(huì)在逆變器輸出中引起基波分量；而NIHAPF結(jié)構(gòu)中幾乎不含有基波分量，從而驗(yàn)證本文理論分析的有效性。

圖10 傳統(tǒng)注入式結(jié)構(gòu)逆變器輸出電流和頻譜圖Fig.10 Inverter output current and spectrum of the traditional structure

圖11 新型注入式結(jié)構(gòu)逆變器輸出電流和頻譜圖Fig.11 Inverter output current and spectrum of the novel structure

6 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)注入式混合有源電力濾波設(shè)備在實(shí)際工程應(yīng)用中存在的問(wèn)題和缺陷進(jìn)行分析，從理論上分析了注入支路基波環(huán)流產(chǎn)生的機(jī)理，并提出了一種新型注入式混合型有源電力濾波器來(lái)解決注入支路基波環(huán)流問(wèn)題，最后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)和物理模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該新型結(jié)構(gòu)的有效性和實(shí)用性。

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