提高电网功能质量的抗干扰技术

提高电网功能质量的抗干扰技术

图5中各电流满足关系式:is=iF+iL，如果由APF提供的补偿电流iF=-iLh-iLq，则is=iL1，即电网电流只含基波分量，起到滤波作用。并联型APF主要适用于电流型非线性负荷谐波电流的抵消以及补偿无功和三相不平衡等。

图6 为补偿负荷谐波的电流波形和PWM电压

　　4.2 串联APF

　　串联型APF是从1980年未引用于电网的，它主要作为电压调节器及电网与非线性负荷之间的谐波隔离器而工作的。图7为串联APF的接线图，通过匹配变压器将APF串联于电源和负荷之间，以消除电压谐波、平衡或调正负荷的端电压，可确保用户供电的电压质量，尤其适合于补偿交流电源及小功率应用中的电压不平衡与电压的下陷。因不需能量贮备(蓄电池)，元器件的总定额较小，对UPS更为经济有效。串联APF注入与电源电压串联的电压分量，故可视为一可控的电压源，补偿负荷侧的电压下陷和上凸。但串联型APF损耗较大，且各种保护电路也较复杂，故很少单独使用。经常用它与无源LC滤波网络组成混合型APF。如图 7所示，无源LC滤波器与负荷并联，串联型APF的工作如同一台谐波隔离器，迫使负荷电流谐波主要通过无源滤波器循环，而不经过配电系统。此方案的优点是:串联APF的额定功率仅为负荷定额(KVA)的一小部分，通常为5％。但在电压补偿时，串联APF的视在功率定额可能增加。图8是串联滤波器为补偿负荷侧电压谐波的工作原理图。串联APF还可用于抗基波电压的干扰。图9所示为电源电压偶然跌落时串联APF所起的作用。如图8所示，负荷电压几乎保持恒定，仅在电源电压跌落的起始和最后瞬间，出现了很小的不稳定和振荡。

图7 带并联无源滤波器的串联型APF拓扑

图8 用于补偿电压干扰的滤波器电压

图9 电源电压干扰时，串联APF的补偿功能

　　4.3 串－并型APF

　　串－并型APF为串联APF与并联APF之组合，图10为其组合拓扑。并联APF配置在负荷侧，能用于补偿负荷谐波，而串联APF置于电源侧，可起到谐波的阻隔过滤作用。该拓扑又称为万能APF或统一电能质量调节器(UPQC)。串联部分补偿电源电压谐波及电压不平衡，作为谐波的闭锁过滤器，并抑制电力系统的振荡。并联部分补偿负荷电流谐波、无功功率以及负荷电流的不平衡。此外，它能调节直流线路的电容电压。由并联部分提供或吸收的功率是串联补偿器所要求的功率及为补偿损耗需要的功率。该类APF的主要问题是控制复杂、造价高。

图10 统一电能质量调节器(UPQC)

　　4.4 利用多级逆变器的新拓扑

　　一直处于研究阶段的多级逆变器，最近被用于APF拓扑中，图11为配有三级逆变器的并联APF，今天在大多数的逆变器应用领域，三级逆变器已愈益普及，例如功率因数补偿器。多级变换器的优点是能降低APF产生的谐波含量。因与普通变频器比较，能输出更多(>2级)的电压，这一特点有利于减少滤波器本身产生的谐波。另一优点是能减少半导体电压或电流的定额，以及减少所需的开关频率。

图11 采用3级逆变器的并联型APF

　　多级逆变器应能建立多级的电压，故输出电压的质量更佳。基于多段连接的“H”型变换器，并增配有3级不同的直流电压源，这是产生很多级电压的最新方法。利用该技术，仅需很少几个串联变换器即能获得很好的电压波形。在脉宽调制的同时，又能调幅。图12所示，仅以每相4个“H”变换器(4段逆变器)就可产生 81级电压的调幅，故可实现“无谐波”的APF特性。图13为在实验室完成的“4段81级”并联型有源电力滤波器。

图12 能调幅的“4段81级”逆变器(单相)

图13 并联型有源电力滤波器

　　5  结束语

　　采用有源电力滤波器(APF)的抗干扰技术对抑制电力系统高次谐波，改善供电质量极其重要。文中介绍了采用有源电力滤波器(APF)的抗干扰技术，列举了各种新颖实用的拓扑结构。随着电力电子(PE)技术的飞速发展，这项技术仍在发展之中。