李刚
摘要：针对现在工程中实际应用的混合有源电力滤波器拓扑结构，分析了系统的滤波原理，并建立了系统的数学模型。在实际工程应用中，电网电压对有源滤波器直流侧电压会产生影响，因此检测滤波器输出电流对保证混合有源电力滤波器安全工作有很重要的意义。本文分析了输出电流检测误差对系统的影响，并根据分析结果选取了相应的LEM电流传感器。
关键词：有源电力滤波器 注入电路 数学模型 直流电压
ABSTRACT：Compared with hybrid power filter widely used at present, a novel high capacity hybrid power filter based on injection circuit is proposed here to meet the requirements of harmonic elimination. The principle of the system is discussed and the math model is built. The novel APF can compensate reactive power and also be applicable in high power system. The paper analyzes the voltage of the power network affect the DC voltage of the active power filter. The simulation experiments validate the efficiency of the system.
Key Words: active power filter injection circuit math model DC voltage
中图分类号：TM711 文献标识码：A
1 引言
随着电力系统中谐波问题越来越严重，有源电力滤波器逐渐成为研究热点。在实际工程应用中，为了提高有源滤波器的容量，并且要适应在高压系统中应用，有源电力滤波器的拓扑结构也在不断改进。
本文从适用于中高压系统中的混合有源电力滤波器出发，分析了电网电压对于有源电力滤波器的影响，并且在此基础上给出了解决方案——对输出电流的检测以控制有源滤波器的投切。
2 系统结构
混合有源电力滤波器[2]的结构图如图1所示。
Fig.1 Hybrid Active Power Filter Circuit
这种结构主要是让C2和L2构成基波谐振，C3承担电网电压，这样就减小的有源滤波器承担的基波电压和电流。系统注入支路中，由于C2和L2构成基波谐振，C3就相当于补偿无功的电容器，因此系统补偿无功的容量也是由C3确定的。
这种拓扑结构在主电路结构上采用了注入方式，APF仍起谐波补偿的目的，PF分担大部分谐波和无功补偿，最大限度地减少了有源滤波器的容量。而且注入支路中基波谐振电路使有源滤波器APF承担极小的基波电压，即使在6～10KV系统中，有源滤波器承担的基波电压也在100V以下[2]。
3 电网电压对系统的影响
从电网侧考虑整个系统，无源电路的单相电路简化如图2所示。因为C2和L2构成基波谐振电路，R为电感L2的内阻，因为有源部分的C1，L1以及逆变器对变压器电网侧分压基本没影响，基本不予考虑。
图2 无源支路单相电路图
Fig.2 Single-phase equivalent circuits of PF
电网电压为
当电压闪变时，相当于系统的零状态响应。系统电压方程为：
式（2）两边求导，并将式（3）（4）（5）代入其中可以得到：
系统是一个二阶系统。根据系统方程可以得微分方程的特征方程：
由于L2和C2构成基波谐振电路，所以：
式中
为基波的角频率。
根据一般工程应用可知：电感的内阻R很小，
可以得到：
即：
因此可以解得：
根据式（11）可知，基波谐振支路的分压是一个衰减振荡过程，对于电力开关元件IGBT来说，由于续流二极管的原因，相当于向直流侧电容充电。其电路图如图3所示
图3 系统反向整流电路
Fig.3 the reverse rectifier circuit of the system
根据基波谐振电路的分压就可以得到二极管整流桥的直流侧电压为：
由此可以看出，当电网电压发生突变时，可能造成有源滤波器的直流电容过压损坏，因此这时需要将有源滤波器与电网切断。这样就需要对逆变器的输出进行检测，以控制有源滤波器的投切。
4. 输出电流检测
在有源滤波器的闭环控制中也要检测输出电流，在这种混合有源电力滤波器的拓扑结构中，直流电容C的电压必须通过整流桥提供，而不能由系统电网的基波无功来转化，因为无源滤波器的基波谐振电路吸收了基波。因此往往对输出电流中的谐波成分进行计算，而不考虑基波成分。在考虑电网电压对有源滤波器的影响时，需要检测输出电流的基波成分，而且对电流的流向也需要判断，以确定功率的流向，从而用来确定是否切断有源滤波器。
根据有源电力滤波器的工作原理，在正常工作时，系统输出电流以谐波成分为主，而且在混合有源滤波器的拓扑中，由于基波谐振电路的影响，系统本身不能补偿无功功率，因此系统输出电流基本不包含基波成分。如果电网电压发生瞬变，从无源滤波器中将有大量基波电流流入有源滤波器，这时就可以通过检测输出电流以切断有源滤波器与电网，保证有源滤波器的安全。
由此可以看出，输出电流的检测不仅是系统闭环控制的需要，也对保证系统安全运行有很重要的作用。因此在选择电流传感器时需要考虑：一、电流传感器的带宽需要满足有源滤波器补偿谐波的最高频率。二、响应实践需要满足系统安全运行，也就是在直流电容过压前要将有源电力滤波器与电网切断。三、满足额定电流和精度的要求。根据以上几点，在实际应用中，系统选用了LEM公司的
5. 结论
本文从电网的角度分了混合有源电力滤波器在电网电压变化时的有源滤波器直流电容电压的变化，得出电网电压瞬变时可能造成电流电容过压，损坏有源滤波器。在此基础上给出解决方案——通过检测输出电流来判断是否需要将有源滤波器与电网切断。
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