獨(dú)立電源系統(tǒng)有源濾波器諧波和無(wú)功電流補(bǔ)償策略研究

摘要：文章首先介紹了獨(dú)立電源系統(tǒng)有源濾波器諧波和無(wú)功電流的補(bǔ)償原理。而后，當(dāng)有源濾波器的輸出功率不能夠滿(mǎn)足電源系統(tǒng)補(bǔ)償需求的時(shí)候，提出了諧波和無(wú)功電流的補(bǔ)償策略，使有源濾波器在固定補(bǔ)償能力下發(fā)揮最大的補(bǔ)償效益，提高了有源濾波器的補(bǔ)償性能。通過(guò)分析比較，說(shuō)明該補(bǔ)償策略具有較大的優(yōu)越性，并在實(shí)際的有源濾波器裝置中得到了較好的應(yīng)用，表明該策略是正確和有效的。

敘詞：獨(dú)立電源系統(tǒng) 有源濾波器 諧波 補(bǔ)償策略

Abstract：This article first introduces the independent power supply system active filter harmonic and reactive current compensation principle. And then, when active filter output power can not meet the needs of the compensation of power system, and put forward the harmonic and reactive current compensation strategy, make active filter in a fixed compensation ability under the maximum compensation benefits, improve the active filter compensation performance. Through the analysis and comparison, it is shown that the compensation strategy has great advantages, and in actual active filter device got better application, it is proved that the strategy is correct and effective.

Keyword：supply system, Active filter, Harmonic, Compensation strateg

1 引言

獨(dú)立電源系統(tǒng)是一個(gè)由負(fù)載和獨(dú)立供電電源組成的獨(dú)立可控系統(tǒng)，向當(dāng)?shù)靥峁╇娔?，彌補(bǔ)了大電網(wǎng)供電不足，得到了廣泛的使用[1-2]。獨(dú)立電源的發(fā)電系統(tǒng)通常由柴油機(jī)等發(fā)動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)發(fā)電機(jī)組成，并通過(guò)輸出電纜將電能輸送到各個(gè)用電設(shè)備。由于獨(dú)立電源的參數(shù)有限、容量有限，電源中使用的大量由電力電子器件構(gòu)成的非線性負(fù)載，很容易造成電源電壓波形的嚴(yán)重畸變，電源中含有大量的諧波和無(wú)功電流。電力有源濾波器是電源系統(tǒng)中濾除諧波和無(wú)功電流的一種重要手段，受到了廣泛的關(guān)注和研究。

獨(dú)立電源系統(tǒng)供電電流由于受非線性負(fù)載變化的影響非常敏感，含有大量的諧波和無(wú)功電流。有源濾波器在補(bǔ)償過(guò)程中由于受到裝置補(bǔ)償容量的限制，很可能無(wú)法滿(mǎn)足電源系統(tǒng)的補(bǔ)償需求，發(fā)生過(guò)流現(xiàn)象而無(wú)法投入使用。因此，對(duì)于有限容量的有源濾波器裝置，如何使其補(bǔ)償性能免受電源系統(tǒng)的影響，采用合理的補(bǔ)償策略發(fā)揮其最大補(bǔ)償能力，則是有源濾波器工程化過(guò)程中要研究解決的關(guān)鍵問(wèn)題。文獻(xiàn)[3]提出了利用截?cái)嘞蘖鞯姆椒?，使有源濾波器工作在最大補(bǔ)償電流狀態(tài)，但是沒(méi)有對(duì)諧波和無(wú)功電流的協(xié)調(diào)進(jìn)行研究;文獻(xiàn)[4]提出了針對(duì)特定次諧波檢測(cè)方法，并研究了補(bǔ)償方法，但沒(méi)有提出有關(guān)的補(bǔ)償策略。本文提出了針對(duì)不同工況的補(bǔ)償需求，選擇不同的補(bǔ)償策略，使有源濾波器能夠發(fā)揮最大的補(bǔ)償效益。通過(guò)實(shí)際工程化樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，說(shuō)明該方法是正確且有效的。

2 有源濾波器的補(bǔ)償原理

有源濾波器的補(bǔ)償原理，是補(bǔ)償裝置APF主動(dòng)向電源中注入與所需補(bǔ)償電流的幅值相等、相位相反的電流，使電源為非線性負(fù)載只提供基波有功電流，從而濾除電源中的諧波電流和無(wú)功電流[5-6]。其原理框圖如圖1所示。

圖1 有源濾波器的補(bǔ)償原理框圖

圖1中有源濾波器控制部分，通過(guò)算法從負(fù)載側(cè)電流中提取出諧波電流和無(wú)功電流，根據(jù)補(bǔ)償需求，確定系統(tǒng)的補(bǔ)償指令信號(hào)，調(diào)節(jié)監(jiān)控單元依據(jù)指令信號(hào)和輸出電流的反饋信號(hào)產(chǎn)生變化的驅(qū)動(dòng)脈沖，調(diào)節(jié)IGBT逆變單元主動(dòng)向電源中注入補(bǔ)償電流，濾除電源中諧波電流和無(wú)功電流。圖中：i1表示電源側(cè)電流;i2表示非線性負(fù)載側(cè)電流;i3表示有源濾波器的補(bǔ)償電流，具有以下關(guān)系

i2=i1+i3 (1)

i2=i2h+i2b= i2h+i2bp+i2bq (2)

式中：i2h表示電源中的諧波電流;i2b表示電源中的基波電流;i2bp表示電源中的基波有功電流;i2bq表示電源中基波無(wú)功電流。

由式(1)和式(2)得：

i1+i3=i2h+i2bp+i2bq (3)

由式(3)可知：當(dāng)有源濾波器的輸出電流i3=i2h時(shí)，補(bǔ)償諧波電流，電源為負(fù)載提供基波電流;當(dāng)有源濾波器的輸出電流i3= i2bq時(shí)，補(bǔ)償無(wú)功電流，電源為負(fù)載提供基波有功電流和諧波電流;當(dāng)有源濾波器的輸出電流i3=i2h+i2bq時(shí)，同時(shí)補(bǔ)償諧波電流和無(wú)功電流，電源為負(fù)載僅提供基波有功電流。有源濾波器可以實(shí)現(xiàn)諧波和無(wú)功電流的單獨(dú)補(bǔ)償，也可以對(duì)二者同時(shí)補(bǔ)償。在補(bǔ)償電源系統(tǒng)中的諧波電流時(shí)，既可以補(bǔ)償全部的諧波電流，也可以補(bǔ)償某次或某幾次的諧波電流，以達(dá)到電源系統(tǒng)中對(duì)特定諧波電流濾除的目的。

3 有源濾波器的補(bǔ)償策略

3.1 補(bǔ)償策略的提出

有源濾波器補(bǔ)償電源系統(tǒng)的諧波和無(wú)功電流，主要有以下3種工作方式。

3.1.1 單獨(dú)補(bǔ)償諧波電流

(1) 諧波電流單次補(bǔ)償

有源濾波器通過(guò)設(shè)置參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)某次諧波電流進(jìn)行單獨(dú)補(bǔ)償，如果裝置在未達(dá)到限流補(bǔ)償運(yùn)行時(shí)，所選擇的諧波能夠被完全補(bǔ)償。否則，有源濾波器工作在限流補(bǔ)償輸出狀態(tài)，此時(shí)該次諧波為原來(lái)的kj倍，即電源系統(tǒng)中該次諧波不能夠被完全補(bǔ)償。而kj=IAPF-ms/Ihj-ms，IAPF-ms為有源濾波器的輸出電流有效值，Ihj-ms為第j次諧波電流的有效值，kj隨著該次諧波含量的多少而不斷變化。因此，在有源濾波器工作過(guò)程中，系統(tǒng)將通過(guò)循環(huán)計(jì)算對(duì)其不斷更新。

(2) 諧波電流的部分補(bǔ)償

有源濾波器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)(2~25)次諧波內(nèi)的任意多次諧波同時(shí)補(bǔ)償，以方便對(duì)電源中的多次諧波電流進(jìn)行針對(duì)性補(bǔ)償，滿(mǎn)足不同工況的實(shí)際需求。在諧波次數(shù)選擇時(shí)，所選擇的諧波電流次數(shù)將按照優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序，先選擇的補(bǔ)償諧波次數(shù)優(yōu)先級(jí)高，后者次之，依此類(lèi)推。如果有源濾波器能夠滿(mǎn)足所選需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流，則將全部補(bǔ)償所選擇的諧波電流。否則，有源濾波器在補(bǔ)償時(shí)必須工作在限流補(bǔ)償輸出狀態(tài)，不能完全補(bǔ)償所選擇的諧波電流，對(duì)其補(bǔ)償次數(shù)及補(bǔ)償電流大小有兩種選擇策略。