獨立電源系統有源濾波器諧波和無(wú)功電流補償策略研究

摘要：文章首先介紹了獨立電源系統有源濾波器諧波和無(wú)功電流的補償原理。而后，當有源濾波器的輸出功率不能夠滿(mǎn)足電源系統補償需求的時(shí)候，提出了諧波和無(wú)功電流的補償策略，使有源濾波器在固定補償能力下發(fā)揮最大的補償效益，提高了有源濾波器的補償性能。通過(guò)分析比較，說(shuō)明該補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用，表明該策略是正確和有效的。

敘詞：獨立電源系統 有源濾波器 諧波 補償策略

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

獨立電源系統是一個(gè)由負載和獨立供電電源組成的獨立可控系統，向當地提供電能，彌補了大電網(wǎng)供電不足，得到了廣泛的使用[1-2]。獨立電源的發(fā)電系統通常由柴油機等發(fā)動(dòng)機作為原動(dòng)機拖動(dòng)發(fā)電機組成，并通過(guò)輸出電纜將電能輸送到各個(gè)用電設備。由于獨立電源的參數有限、容量有限，電源中使用的大量由電力電子器件構成的非線(xiàn)性負載，很容易造成電源電壓波形的嚴重畸變，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。

獨立電源系統供電電流由于受非線(xiàn)性負載變化的影響非常敏感，含有大量的諧波和無(wú)功電流。有源濾波器在補償過(guò)程中由于受到裝置補償容量的限制，很可能無(wú)法滿(mǎn)足電源系統的補償需求，發(fā)生過(guò)流現象而無(wú)法投入使用。因此，對于有限容量的有源濾波器裝置，如何使其補償性能免受電源系統的影響，采用合理的補償策略發(fā)揮其最大補償能力，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[3]提出了利用截斷限流的方法，使有源濾波器工作在最大補償電流狀態(tài)，但是沒(méi)有對諧波和無(wú)功電流的協(xié)調進(jìn)行研究;文獻[4]提出了針對特定次諧波檢測方法，并研究了補償方法，但沒(méi)有提出有關(guān)的補償策略。本文提出了針對不同工況的補償需求，選擇不同的補償策略，使有源濾波器能夠發(fā)揮最大的補償效益。通過(guò)實(shí)際工程化樣機進(jìn)行驗證，說(shuō)明該方法是正確且有效的。

2 有源濾波器的補償原理

有源濾波器的補償原理，是補償裝置APF主動(dòng)向電源中注入與所需補償電流的幅值相等、相位相反的電流，使電源為非線(xiàn)性負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 有源濾波器的補償原理框圖

圖1中有源濾波器控制部分，通過(guò)算法從負載側電流中提取出諧波電流和無(wú)功電流，根據補償需求，確定系統的補償指令信號，調節監控單元依據指令信號和輸出電流的反饋信號產(chǎn)生變化的驅動(dòng)脈沖，調節IGBT逆變單元主動(dòng)向電源中注入補償電流，濾除電源中諧波電流和無(wú)功電流。圖中：i1表示電源側電流;i2表示非線(xiàn)性負載側電流;i3表示有源濾波器的補償電流，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：當有源濾波器的輸出電流i3=i2h時(shí)，補償諧波電流，電源為負載提供基波電流;當有源濾波器的輸出電流i3= i2bq時(shí)，補償無(wú)功電流，電源為負載提供基波有功電流和諧波電流;當有源濾波器的輸出電流i3=i2h+i2bq時(shí)，同時(shí)補償諧波電流和無(wú)功電流，電源為負載僅提供基波有功電流。有源濾波器可以實(shí)現諧波和無(wú)功電流的單獨補償，也可以對二者同時(shí)補償。在補償電源系統中的諧波電流時(shí)，既可以補償全部的諧波電流，也可以補償某次或某幾次的諧波電流，以達到電源系統中對特定諧波電流濾除的目的。

3 有源濾波器的補償策略

3.1 補償策略的提出

有源濾波器補償電源系統的諧波和無(wú)功電流，主要有以下3種工作方式。

3.1.1 單獨補償諧波電流

(1) 諧波電流單次補償

有源濾波器通過(guò)設置參數可以實(shí)現針對某次諧波電流進(jìn)行單獨補償，如果裝置在未達到限流補償運行時(shí)，所選擇的諧波能夠被完全補償。否則，有源濾波器工作在限流補償輸出狀態(tài)，此時(shí)該次諧波為原來(lái)的kj倍，即電源系統中該次諧波不能夠被完全補償。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(zhù)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，系統將通過(guò)循環(huán)計算對其不斷更新。

(2) 諧波電流的部分補償

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