级联混合型有源电力滤波器的仿真研究.pdf

总第 5 0卷第 5 6 5期 2 0 1 3年第 1期 电测与仪表 El e c t r i c al M e a s ur e m e n t& I n s t r u m e n t afi o n V0 1 5 O No 5 6 5 J a n 2 0 1 3 级联混合型有源 电力滤波器 的仿 真研 究 于燕萍 ， 梁雪峰 ， 徐永海 ， 方京梅 ( 1 西门子( 中国) 有限公司上海分公司， 上海 2 0 0 0 8 2 ； 2 华北电力大学 ， 北京 1 0 2 2 0 6 ； 3 河北省电力公 司检修分公 司， 石家庄 0 5 0 0 7 0 ) 摘要 ： 高电压等级电力系统中， 大容量有源电力滤波器的谐波抑制性能主要受主电路开关器件耐压水平和工作 频率的限制 。提 出一种由有源级联多电平逆变器和无源单调谐滤波器构成 的混合型有源电力滤波器主电路拓 扑结构以及该混合型装置主要参数的设计方法。由于无源滤波器的存在， 稳态运行时， 可以大幅降低有源部分 的容量和耐压水平 ， 同时分析了该混合型装置绝大多数基波电压由无源部分承担的原 因。此外 ， 有源部分级联 结构的应用可以降低单个开关器件的耐压水平 ， 获得较高的等效输 出频率。对级联混合型有源 电力滤波器主 电路及其控制系统进行仿真， 仿真结果验证了所提方案的特点以及良好的补偿效果。 关键词 ： 级联多电平逆变器 ； 有源电力滤波器 ； 直流电容电压控制 ； P S C A D 中图分类号 ： T M9 3 3 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 11 3 9 0 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 0 7 1 0 7 S i mu l a t i o n Re s e a r c h o f Ca s c a d e Hy b r i d Ac t i v e P o we r F i l t e r YU Ya n p i n g ，L I ANG Xu e f e n g ，XU Yo n g h a i ，F AN G J i n g me i ( 1 S i e me n s L t d ， C h i n a S h a n g h a i B r a n c h ，S h a n g h a i 2 0 0 1 2 2 ， C h i n a 2 N o r t h C h i n a E l e c t r i c P o w e r U n i v e r s i t y ， B e i j i n g 1 0 2 2 0 6 ， C h i n a 3 H e b e i E l e c t ri c P o w e r Ma i n t e n a n c e C o mp a n y ， S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 7 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t： I n t h e h i g h v o l t a g e l e v e l p o we r s y s t e m ，t h e h a r mo n i c s u p p r e s s i o n pe r f o rm a n c e o f l a r g e c a p a c i t y a c t i v e p o we r fi l t e r( A P F )i s l i m i t e d ma i n l y b y t h e v o l t a g e w i t h s t a n d l e v e l a n d t h e o p e r a t i o n f r e q u e n c y o f s w i t c h i n g d e v i c e T h e m a i n c i r c u i t a n d i t s c a l c u l a t i o n m e t h o d f o r k e y p a r a m e t e r s o f h y b ri d A P F( H A P F ) ， w h i c h c o n s i s t s o f c a s c a d e mu l t i 1 e v e l c o n v e rte r a n d s i n g l e t un e d p a s s i v e fil t e r s ，a r e p r o p o s e d i n t hi s pa p e r Th e c a pa c i t y a nd v o l t a g e wi t hs t a n d l e v e l o f a c t i v e p a r t s i n t h i s c i r c u i t c a n b e l a r g e l y r e d u c e d d u e t o t h e p a s s i v e fi l t e r i n t h e s t e a d y s t a t e A n d t h e r e a s o n s w h y t h e f un d a me n t a l v o l t a g e o f h y b rid de v i c e i s u n d e r t a k e n b y t h e p a s s i v e pa rt a r e a na l y z e d i n de t a i l i n t h i s p a p e r I n a d d i t i o n，t h e c a s c a d e s t r uc t u r e o f a c t i v e p a rt c a n e f f e c t i v e l y r e d u c e t h e v o l t a g e wi t h s t a nd l e v e l o f s i n g l e s wi t c h i n g d e v i c e a n d o b t a i n h i g h e r e q ui v ale n t o u t p u t f r e q u e n c yT h e ma i n c i r c u i t a n d c o n t r o l s y s t e m o f t h e c a s c a d e h y b rid a c t i v e p o we r fi l t e r a r e r e s e arc h e d b y s i mu l a t i o n a n d t h e r e s u l t s o f w h i c h v a l i d a t e s t h e c h a r a c t e ri s t i c s a n d g o o d c o mp e n s a t i o n p e r - f o r ma n e e o f t h e s c h e me p r o p o s e d i n t h i s p a p e r Ke y wo r d s ： c a s c a d e mu l t i l e v e l c o n v e rte r ，a c t i v e p o w e r fi l t e r ，DC b u s v o l t a g e c o n t r o l ，P S C AD 0 引 言 随着电力系统中敏感负荷的增加， 谐波的危害 也受到人们越来越多的关注。传统无源滤波器 ( p a s s i v e fi l t e r ， P F ) 因其结构简单、 成本低廉以及运行维护 方便等特点在谐波抑制领域得到了大量的应用， 但 其也存在严重的缺点L 1 J ： 装置参数根据负载特性设 计， 使用不够灵活； 滤波特性受电网阻抗影响大且易 与系统发生 串、 并联谐振 。 并联型有源滤波器能够很好地克服无 源滤波器 的缺点， 然而纯有源 电力滤波器 的成本高、 功耗 大、 维护复杂 ， 而且受到 电力 电子开关器件容量的限制， 难以用在高电压 电力 系统 中 J 。如何在不损失滤波 性能的前提下有效降低滤波器有源部分的容量是有 源电力滤波器设计的难点。混合有源电力滤波器可 以结合二者的优点， 既弥补了无源滤波装置的固有 缺陷， 又能发挥有源滤波器的优势， 故而成为中高压 一 71 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 5 0卷第 5 6 5期 2 0 1 3年第 1期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me nt& I n s t r u m e n t a t i o n V0 1 5 0 No 5 6 5 J a n 2 01 3 系统谐波抑制的一个发展方向和研究热点 。 混合有源电力滤波器主要可分为串联型 和并 联型 两种， 其中由并联无源滤波器与有源电力滤 波器串联不经过耦合变压器直接并人 系统的并联型 混合滤波器因其结构和控制简单、 成本低、 耐高压、 容量大以及滤波效果好等优点 ， 具有较强的实用性 。 文献 6 7 对于上述并联型混合滤波器的主拓 扑和控制策 略进行 了详尽 的分析 ， 但 由于有源部 分 采用了普通 的三相桥式逆变器 ， 需 要开关器件具 有 较高的工作频率 ， 而器件的耐压水平限制也使这种 结构很难在 中高压场合得到应用。为 了解决开关器 件的工作频率较高， 直流侧 电容 电压偏高等方面 的 限制， 文献 8 提出的混合有源电力滤波器由一组单 调谐滤波器和基于二极管箝位多 电平逆变器的有源 滤波器直接相联后并人系统 ， 在应用于 6 k V系统时 ， 直流电容电压可 降至接入点 电压的 2 0 左右， 但该 方式仍 存在 应用 于较 高 电压等 级 ( 如 我 国的 中压 l O k V系统) 时电力 电子器件承受 电压较 高的问题 ， 若增高电平数无疑会大 幅增加逆变器 的复杂度 ， 降 低工作可靠性 ， 而直流侧均压控制也 比较复杂 。 本文提出一种基于级联结构的混合型有源 电力 滤波器主电路拓扑结构 。级联结构的应用可以降低 单个开关器件 的耐压水平 ； 在不增加单个器件开关 频率的前提下， 获得较高的等效输出频率； 稳态运行 时， 可以大幅降低有源部分的容量。并对混合型滤 波装置控制策略等进行 了分析和仿真研究 ， 仿真结 果表明所提出的混合型有源滤波器设计方案在高电 压 、 大容量的谐波滤波场合， 具有广阔的应用前景。 1 主 电路 结构与 工作原 理 图 1 即为所提出的基于级联结构的混合型有源 电力滤波器主电路结构。 一 图 1 基于级联结构的混合型有源电力滤波器主电路 F i g 1 Ma i n c i r c u i t o f c a s c a d e HAP F 一 72 一 在该结构中， 基于级联结构的混合型有源电力滤波 器主电路由单调谐无源滤波器、 三相 H桥级联型多电平 逆变器和直流侧 电容器组成。三相 H桥级联型多电平 逆变器和单调谐无源滤波器串联后与电网并联， 控制系 统连接谐波负载和三相 H桥级联型多电平逆变器。单 调谐无源滤波器滤除其调谐频次附近的谐波， 对处于谐 振频率附近的谐波电流呈低阻抗， 对于基波相当于一个 大电容， 承担了大部分的基波电压。三相 H桥级联型多 电平逆变器滤除其它频次的谐波， 承受的基波电压非常 小， 主要作用是改善无源滤波器的滤波特性 ， 克服无源 滤波器易受电网特I生的影响、 易与电网阻抗发生谐振等 观 。直流侧储能元件为多个相互独立的电容器， 各电 容器的容值及所加载的电压均相等。混合型有源电力 滤波器的控制系统通过采集电网侧电流和电压信号， 经 过计算分离出谐波电流参考值， 控制三相 H桥级联型多 电平逆变器工作。单调谐无源滤波器 由并联电容器和 电抗器串联组成 ， 并联电容器的阻抗值远大于电抗器， 电抗器即作为无源滤波器的组件又充当有源电力滤波 器的连接电抗器， 为了充分保护电容器， 连接电抗器可 一 分为二安装在电容器的两侧。 2 控制策略 2 1 谐波电流反馈控制 图2给出了级联混合型有源电力滤波器的控制电 路。控制系统内环对有源滤波器所检测到的系统三相 电流进行反馈控制 ， 外环为电压控制环 ， 对直流侧电容 电压进行闭环控制 ， 维持直流电压稳定与平衡 。 图2 级联混合型有源电力滤波器控制结构 图 Fi g 2 Co n t r o l c h a r t o f c a s c a d e HAPF 在上述级联混合型有源电力滤波器的控制结构图 中， 将电网电流 明 、 i 转换为 由 坐标下的瞬时有功和 无功电流 和 i 。 ， 并通过低通滤波器得到电网电流基波 分量， 并将此基波分量通过 由反变换并分别与i 蛆 、 i i 做差得到电网电流的 谐波分量参考值 、 i bh -, i 。由于串 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 5 0卷第 5 6 5期 2 0 1 3年第 1期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e n t& I ns t r u me n t a t i o n VO I 5 0 No 5 6 5 J a n 2 01 3 联 P F选用了7次单调谐 工 J C滤波器， 对于电网中同样普 遍存在的5次谐波电流的衰减能力较弱， 因此需要增加额 外的5 次谐波反馈控制环节， 5次谐波参考值 i i i t 5 分 别乘以个补偿系数后， 作为谐波分量参考值 、 i M 、 i ch 的 一 部分， 通过比例积分调节器生成级联多电平逆变器的三 相调制波信号U U 扪U ，K的取值范围为0 1 ， 具体值取 决于5次谐波在总谐波电流中的比例。 2 2直 流 电容 电压 控制 级联多电平逆变器与传统 的逆变器结构相 比， 最 大特点是其直流侧电容是完全分开的， 每个逆变桥都 有一个相互独立的直流侧电容。该种特点使级联多电 平有源电力滤波器可以应用在大功率场合 ， 但同时也 带来了比较严重的问题 ： 最主要的问题在于直流 侧电容电压容易产生不平衡和不稳定 ， 从而影响主电 路跟踪随指令 电流的变化的能力 ， 因此直流电压控制 在级联结构装置的控制系统中起着重要的作用。 文献 1 1 研究 了各种 因素对 电容 电压不平衡造 成的影响 ， 指出开关脉冲延时不同、 逆变器内部损耗差 异是造成级联多电平逆变器电容电压不平衡的两个主 要原因。级联多电平逆变器相与相之间的参数差异导 致装置相间直流电压不平衡， 每一相的级联模块之间 的参数差异导致各级联模块直流电压不平衡。图2的 直流控制环节虽然能够使所有级联模块的直流电压平 均值稳定 ， 但对于逆变器相间以及某一相 中各级联模 块 的直流 电压不平衡的调节作用则非常有 限， 因此需 要加入逆变器的相直流电压平衡控制以及级联模块直 流电压平衡控制环节逆变器的相直流电压平衡控制框 图如图3 ( a ) 所示 ， 以装置 A相为例 ， 其基本思想是 同 相 内各模块电容电压的平均值与参考电压的偏差经 P I 调节后与相应 的相位 函数相乘得 到该相的有功功 率调节量 ， 并叠加到该相的调制信号中。即通过在各 相参考电流中注入有功电流的方法来使得交直流侧发 生功率交换 ， 进而维持三相电压的平衡。 逆变器级联模块直流 电压平衡控 制框 图如 图 3 ( b ) 所示 ， 以装置 A相为例 ， 在理想状态下 ， 级联模块 输出 的电流与电压相角差 为 9 0 。 ， 在一个 工频周期 内， 直流电容 的总充放电能量为零 ， 电容电压没有变 化。然而 ， 若输出电压产生一个很小 的相角偏差 ， 一 个工频周期 内电容 电压 的总充放 电能量 就不再 是 零 ， 而电容电压会随之升高或者降低。逆变器级联 模块直流电压平衡控制的控制原理是级联模块直流 电压与参考 电压 的偏差经 P I 调节后 与有功 电流呈 9 0 。 的相位函数想乘得到该级联模块的有功功率调节 ( a 1 逆变器的相直流 电压平衡控制 f b ) 逆 变 器 级联 模 块 直 流 电压 平 衡 控制 图 3 直流 电容 电压控 制框 图 F i g 3 Co n t r o l c ha r t o f DC b u s v o l t a g e 量 ， 并叠加到相应级联模块的调制信号中。 2 3载波相移调制策略 载波相移 脉宽调制 ( C P SS P WM) 技术 是一种 适用 于大 功率 电力 开关 逆 变器 的调制 策 略， 文献 1 2 的研究成果表 明， 当采用倍频 C P SS P WM时 ， N模块 的级联多电平逆变器输出电压的脉动频率 与器件开关频率 之间的关系如下 ： f k=2 ( 1 ) 由式( 1 ) 可知 ， 即使开关 器件 的工作 频率较低 时， 整个级联逆变器也能获得较高的等效开关频率 。 3 混合型有源滤波器参数设计 ( 1 ) 电压检测 混合型有源电力滤波器 的无源部分 由并 联电容 器和连接电抗器构成 ， 分别用 C 和 表示 ， 由于并 联电容器 的阻抗值远远 大于连接电抗器 ， 因此在计 算无源部分参数时， 首先应该确定并联电容器参数。 与并联电容器电抗 值 相关 的三个参量分别为 电 容器的额定容量 s 、 额定电流 ， 和额定 电压 ， 三者满足关系 S = I c U ( 这里均为单相值) 。有 源滤波器的额定容量 s 通常用其所能补偿的谐波电 流有效值 表示 ， 式 ( 2 ) 给出了谐波 电流有效值 的计算方法， 为h次谐波电流的有效值。 ， 1 9 ( 2 ) 并联 电容器会输 出一定 的基波无功 电流 ， 而这 部分基波无功电流是导致绝大部分 系统基波相 电压 降落在并联电容器上 的主要原 因。由于滤波器输 出 电流存在部分基波电流， 并联电容器的额定电流 应大于谐波电流有效值 ， 设二者满足 比例关系 ， C = ， 相 比于谐 波 电流 ， 基 波电流所 占比例较 小 ， 可取 k 范围在 1 1 1 2之间。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 5 0卷第 5 6 5期 2 0 1 3年第 1期 电测与仪表 El e c t r i c a I M e a s u r e m e n t I n s t r u me n t a t i o n VOI 5 0 No 5 6 5 J a n 2 0 1 3 由于并联 电容器除承受基波 电压外 ， 还承受谐 波电压的作用。为了保证电容器的安全运行， 其过 电压应限制在一定的范围内， 满足下式关系： U c +U c 1 1 U c N ( 3 ) 当式( 3 ) 取等号时可 以确定 的下限值 ， 并将 代入式 ( 3 ) 即可得到并联电容器的容抗值。 U c N= C N X c ( 4 ) 由上式得到的 ， 可以代入 U =， X 计算 得到， 并代入下面的并联电容器电流效验公式中， 检验其是否满足电容器的过电流要求 。 + 1 3 1 ( 5 ) 如果满足校验公式的要求 ， 则 即为满足要求的 并联电容器电抗值 ， 如果不满足， 需返回式( 3 ) 中提高 的限值继续计算， 直到满足效验公式的要求为止。 假设混合型有源电力滤波器接人 1 0 k V系统 ， 相 电压有效值为 U = 5 7 7 4 k V 。负载额定工作状态下 所产生的主要谐波次数及其有效值如表 1 所示 。 表 1 主要谐波次数及幅值 Ta b 1 Ma i n h a r mo n i c f r e q u e n c y a n d a mp l i t u d e 谐波次数 有效值 A 5 0 O 2 5 0 1 5 0 8 O 4 O 2 O 由表 1中的数据 ， 根据式 ( 2 ) 可得 ， = 5 8 6 A， 取 比例系数 k 为 1 1 ， 得到并联 电容器额定 电压 ， 的估算 ， c N= k ： l： I h = 6 4 5 A， 得到以下关系式 ： U c N=6 4 5 X c ( 6 ) 再将表 1中的数据代人式( 3 ) ， 当取等号成立 时， 得到以下关系式 ： + c( + 了2 5 + 1 5 + 西8 + 4 + 2 ) = 1 1 ( 7 ) 由式( 6 ) 与( 7 ) 可计算得 =1 0 5 f ， C = 3 0 4 ， 将 计算结果代入式( 4 ) 与( 5 ) 进行效验， 结果满足要求。 ( 2 ) 连接 电抗器 综合考虑装置的复杂度与补偿性能， 在选取连接 电抗器参数时， 考虑到调谐次数接近于7次的单调谐 无源滤波器具有更高的基频阻抗和相对较低的高频阻 抗 ， 对于开关纹波具有更高的衰减能力 ， 对于 5次谐 波 ， 也具有一定的补偿能力， 且体积与成本相对于 5次 谐振的无源滤波器较小。据此计算连接 电抗值 ， J 为 6 8 m H或者略大， 对于其取值的精确性没有过高的要 求。由于在实际工程中， 电抗器阻抗值并非十分精确， 因此可以减弱由于参数偏差带来的不便。 ( 3 ) 级联逆变器模块数 如果采用普通的级联结构的有源 电力滤波器直 接接人电网， 设直流电容器利用率 k =8 5 ， 计算所 需的级联模块数 ， 直流侧电容电压为 U d =1 k V， 以便 于选用 目前常用的电压等级为 1 7 0 0 V的 I G B T 。根据 下式算得级联模块数为 ： = 9 6 但是当采用了图1 中给出的 昆 合型拓扑时， 由于并 联电容器与连接电抗器所组成的无源部分承担了绝大 部分的基波相电压， 在额定运行时， 级联有源部分的耐 压可以大幅降低， 因此可以大量减少级联模块的数量。 由于连接电抗器阻抗值较小 ， 忽略其影响， 在计算混合 型 A P F的逆变器所需级联模块数时， 首先假设并联电容 器承受了所有的基波电压 ， 而级联多电平逆变器仅承受 谐波电压。由于装置投入系统 ， 其接入点谐波电流得到 补偿 ， 谐波电压也为零 ， 因此级联逆变器承受的谐波电 压有效值与并联电容器上的谐波电压相等， 并等效为 ，根据表 1 中的算例， 计算 h 为 1 6 6 5 6 7 V， 代人下式 得到采用混合型级联主拓扑时所需的联模块数为： ， v= 8 3 ( 9 ) ( 4 ) 等效输出频率 如果开关器件 的工作频率 =l O 0 0 H z ， 根据式 ( 1 ) 可计算级联多电平逆变器的等效输出频率。 为 ： = 2 = 8 0 0 0 H z ( 1 0 ) 4仿真研究 使用 P S C A D E M T D C仿真软件对图 1中的级联混 合型有源电力滤波器进行仿真， 仿真参数如表 2 所示。 表 2 仿真模型基本参数 Ta b 2 Ba s i c p a r a me t e r s o f t he s i mu l a t i o n mo d e l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 5 0卷第 5 6 5期 2 0 1 3年第 1期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t& I n s t r ume nt a t i o n VOl _ 5 O No 5 6 5 J a n 2 0 1 3 ( 1 ) 电压检测 图 4 ( a ) 为所检测到的系统 电流谐波分量 ， 图 4 ( b ) 为混合型有源电力滤波器实际输出的电流波形， 输 出电流可以以较快的响应速度跟踪 系统 电流谐波 分量， 两条曲线的变化是一致的， 但是幅值有一定差 异， 这是由于混合型有源电力滤波器输出电流包含 一 定 的基波无功 电流。图 4 ( C ) 和图 4( d ) 分别 为上 述电流波形的频谱图， 由两图的对比可知除基波电 流外 ， 滤波器实际输 出的电流波形包 含的各次谐波 含量与所检测到系统电流谐波含量基本一致。 O 1 O 0 0 5 0 - 005 0 1 O 2 O 1 0 O0 5 0 - 0 O 5 0 1 0 2 i 八AI 、 、 1 A j I 1 I 、 7 1 J I V V l V V 1 l l 1 5 O 2 5 l 2 5 2 2 5 3 2 5 4 2 5 5 25 6 t s f a 1 系统谐波电流 ，、 、 h 、4 l 八 f ? V V f V 1 V f V V V 00 5 0 fe )系统谐波电流频谱图 1 3 5 7 9 l l l 3 1 5 l 7 l 9 2l 2 3 2 5 2 7 2 9 3 l Ha r mo n i c n u mb e r f d ) 装置实际输出电流频谱图 图 4 系统谐 波 电流 与装 置 实际 输 出电流 波形及 其频谱 图 Fi g 4 Ha r mo n i c c u r r e n t wa v e f o r m o f s y s t e m a n d t h e o u t p ut c u r r e n t wa v e f o r m o f HAP F 图 5为混合型有源 电力滤波器投入系统前系统 侧的电流波形及其频谱图， 图6为混合型有源电力滤 波器投入系统后系统侧的电流波形及其频谱图。对 比图5 与图6 的仿真结果可知， 装置投入系统后， 系 统电流的谐波特性得到显著的改善， 主要包含的5 、 0 2 0 占 - 0 1 r l f 十 7 l l 1 寸 一 弋 r 一 i 、 l f I 0 5 0 0 5 1 05 2 0 5 3 0 5 4 05 5 05 6 0 5 7 O 5 8 0 5 9 06 0 t s ( a ) 装 置投入前系统电流 f b )装置投入前 系统 电流频谱 图 5 装置投入前 系统电流波形与频谱图 F i g 5 Cu r r e n t wa v e f o r m o f s y s t e m wi t h o u t HAPF O O 一 0 -0 2 0 0 2O1 2 O 2 2 0 3 2 0 4 20 5 2 0 6 2 0 7 2 0 8 20 9 2 1 0 t l s ( a ) 装置投入后系统电流 f b ) 装置 投 人 后 系 统 电 流 频 谱 图 6 装置投入后 系统电流波形与频谱图 Fi g 6 Cu r r e n t wa v e for m o f s y s t e m wi t h HAPF 7 、 1 1 、 1 3次谐波分量基本被滤除。 表 3为混合型有源 电力滤波器投入系统前后 ， 系 统主要谐波次数电流 的有效值 以及总谐波电流 T H D 的比较。由表可知 ， 在装置投人系统后， 系统电流的谐 波特性得到显著的改善， 各次谐波分量均大幅降低 ， 总 谐波电流 T H D由2 2 2 9 最低可降至 2 2 3 ， 补偿率 约为 9 0 。当加入 5次谐波反馈控制环节后 ， 5次谐 波分量和总谐波电流 T H D均有一定幅度的降低。 ( 2 ) 直流电压仿真 为 了验证级联逆变器直流 电压控制效果 ， 在 A、 B 、 c三相的交流侧分别串联不同阻值的小电阻来模 一 75 一 2 2 蝴 出 2 实 置 装 2 b 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 5 0卷第 5 6 5期 2 0 1 3年第 1期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t I ns t r ume nt a t i o n VO 1 5 0 No 5 6 5 J a n 2 0 1 3 拟逆变器三相参数的差异， 给三相各 H桥级联模块 分别并联不同阻值的大电阻来模拟级联模块损耗差 异 。图 7 ( a ) 为加入逆变器 的相直流电压平衡控制前 后逆变器三相直流电压平均值 的仿真波形 ， 图 7( b ) 为加入级联模块直流电压平衡控制环节前后各 H桥 级联模块直流电压仿真波形。由图 7 ( a ) 可知 ， 在 3 0 s 解锁 了相直流 电压平衡控制环节后 ， 级联逆变器 三相直流电压平均值趋于平衡 ， 由图 7 ( b ) 可知 ， 在 5 5 s 解锁了级联模块直流电压平衡控制环节后 ， 逆 变器各 H桥级联模块直流电压值趋于平衡。 表 3 补偿前后 系统电流谐波含量的比较 Ta b 3 Th e h a r mo n i c c o n t e n t o f s y s t e m c u r r e n t b e f o r e a n d a fte r c o mp e n s a t i o n l r， l 垆 一 l ， f 1 0 0 1 0 20 3 0 4 0 50 6 0 t s f a 1 相直流 电压平衡控制 j l r l i ， 一 一 一 一 4 一 一 一 一 ， 哆 二 一一一 一 一 一 I 一 一 _ 一 一 一 j ； ； U U 2 0 4 0 5 5 6 0 8 U l U0 s f b 1模块 直流电压平衡控制 图7 直流电容电压仿真波形 Fi g 7 W a v e f o rm o f DC b u s v o l t a g e 5 结束语 本文提出一种适用于中高压电力系统的级联混 合型有源电力滤波器的主拓扑结构及其主要参数的 设计方法 ， 得到以下主要结论 ： ( 1 ) 单调谐滤波器与级联型有源电力滤波器直接 串联构成 的混合型有源 电力滤波器是一种可行 的方 案。相比于单纯的级联型有源滤波器， 这种混合型的 一 7 6 一 设计方案可以大幅降低有源部分的容量并减少级联模 块的数量， 从而降低成本。当混合型滤波器接人 电网 时， 并联电容器会输出一定的基波无功电流， 而这部分 基波无功电流是导致绝大部分系统基波相电压降落在 混合型滤波器无源部分上的主要原因。 ( 2 ) 虽然电容器的阻抗值较大 ， 但在采用 了谐波 电流直接反馈控制及 5次谐波单独反馈控制的方法 后 ， 整个混合型有源 电力滤波器响应速度较快 ， 补偿 效果 良好 。并且 ， 在采用 了逆变器相直流 电压平衡 控制与级联模块直流 电压平衡控制环节后 ， 级联结 构的直流电压电容 电压趋于平衡。 ( 3 ) 给出了级联混合型有源电力滤波器各参数 的设计原则 ， 提 出了无源部分并联 电容器 的选取方 法 ， 并针对实 际算例进行 了计算 。对级联混合型有 源电力滤波器主 电路及其控制系统进行 仿真 ， 仿真 结果验证了所提方案的特点以及 良好的补偿效果 。 参 考 文 献 1 周方圆， 唐朝晖 有源电力滤波器的研究现状与发展 J 电测与 仪表 ， 2 0 0 5， 4 2 ( 8 ) ：1 4 Z HOU F a n g y u a n，TANG Z h a o h u i Ac t i v e P o w e r F i l t e r s a n d T h e i r D e v e l o p m e n t J E l e c t ri c a l Me a s u r e me n t I n s t r u m e n t a t i o n ，2 0 0 5， 4 2 ( 8 ) ：1 4 2 A k a g i HN e w t r e n d s i n a c t i v e f i l t e rs f o r p o w e r c o n d i t i o n i n g J I E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t r y A p p l i c a t i o n s ，1 9 9 6 ， 3 2 ( 6 ) ： 1 3 1 21 3 2 2 3 P e n g F Z，A k a g i H，N a b a e A A N e w A p p r o a c h t o Ha r m o n i c C o rn p e n s a fio n i n P o we r S y s t e ms A Co mb i n e d S y s t e m o f S h u n t P a s s i v e a n d S e ri e s A c t i v e F i l t e r s J I E E E T r a n s o n I n d u s t ry A p p l i c a t i o n s ， 1 9 9 0， 2 6 ( 6 ) ： 9 8 39 9 0 4 江智军 ， 林 娜，黄太阳 ， 等 单相并 联混合有 源电力滤 波器控制 策 略的研究 J 电测与仪表，2 0 0 7， 4 4 ( 7 ) ：l 51 9 J I A N G Z h i - j u n ，L I N N a ，H U A NG T a i y a n g ， e t a 1 R e s e a r c h o n s i n g l e p h a s e s h u n t h y b r i d a c t i v e p o w e r f i l t e r o f c o n t r o l s t r a t e g y J E l e c