典型工业电网谐波及其混合有源滤波抑制

^{［4，7～10］}。其中，F．Z．PENG提出的串联混合型滤波器（sHAPF ）^［4］，以其卓越的滤波性能、较小的APF容量（典型值为负载的5％）及较低的造价而得到广泛关注。然而，由于电网谐波影响、负载变化、保护困难等因素，这种滤波器仅美国有用于实际电力系统的报道^［7］。
　　本文针对一台50kVA变频调速器的谐波，提出一种性能优、成本低、易实现、工作可靠的综合控制的综合有源电力滤波器（HAPF）。它改进了F．Z．PENG提出的结构和控制方法，其原理如图4所示。图中I_sh为电网侧谐波电流；I_Fh为PF支路谐波电流；V_sh为电网谐波电压；V_c为APF输出电压；Z_F为滤波支路阻抗；Z_S为电网支路阻抗。
　　一般的谐波抑制系统以抑制非线性负载产生的谐波电流对电网支路的污染和电网的谐波电压对负载的影响为目的，这可表达为

式中　I_Lh为非线性负载产生的谐波电流；V_Lh为负载侧的谐波电压。

L_sh为网侧谐波电流； I_Fh为PF为支路谐波电流；V_sh为电网谐波电压；

V_c为APF输出电压；Z_F为滤波支路阻抗；Z_s为电网支路阻抗；

　图4　一种混合有源滤波器及其谐波等效电路

　

　
　　当V_c＝K×I_sh（仅谐波电流控制），且K＞＞｜Z_S+Z_F｜时，式（1）可写为

　　从式（3）和（4）可见：在电网电压存在严重畸变时，较大的V_sh将使HAPF谐波抑制性能变坏，并增大PF容量。这是因为系统谐波是电压源，较小的谐波电压会在PF上产生较大谐波电流。
　　采用综合控制，即采用①无源滤波器（PF）降低滤波支路阻抗；②一个电压控制电压源（VCVS）有源单元，使电网支路对V_rh呈无限大阻抗（开路），以阻止其对负载侧的传递，受控源输出电压V_C1＝G×V_rh（G＝－1）；③一个电流控制电压源（CCVS）单元，使电网支路对I_sh的阻抗增大（有限阻抗），减小非线性负载谐波电流对电网的污染，受控源输出电压V_C2＝K×I_sh。VCVS与CCVS可叠加成一个受控电　压源，即V_c＝V_c1＋V_c2＝K（s）I_sh＋GV_rh。当K＞＞｜Z_S+Z_F｜和G＝－1时，有
　　比较式（5）（6）与式（3）（4），这种综合控制方案有良好的谐波抑制性能（I_sh≈0）和较小容量的无源滤波器（｜I_F｜较小）。
    需要指出的是，虽然当K＞＞1时，式（3）与式（4）、式（5）与（6）等价。但研究表明：大的K值将引起APF容量增加及系统的不稳定。
　　此外，针对变频器负载变化范围大、兼顾无功容量与谐波容量、抑制效果与稳定性，对无源滤波器组进行了特殊设计；同时，控制系数K根据负载轻重自适应调节，也是笔者对F．Z．Peng结构实用化的重要改进。
3　仿真和模型实验
　　对上述治理方案进行了PSIM及SABER仿真，主要仿真参数如下：
　　负载：50kVA／380V，三相不控整流，电容滤波。电网谐波电压严重畸变（见图5），相对于基波总畸变率THD_v为12％，其中V₅＝10．6％，V₇＝5．5％。
　　图5左一、左二分别为HAPF开启前后负载（及无源滤波器）输入电压，右二、右一为其相应频谱。可见HAPF开启前电网谐波电压全部传递到负载端（THD_v＝12％） ；而开启后相对基波总畸变率THD[FS:PAGE]_v下降为2．7％，其中5次、7次谐波含量分别为V₅＝1．7％和V₇＝1．15％。
　　图6反映了HAPF对非线性负载产生的谐波电流对电网污染的抑制作用，左一、左二分别为HAPF开启前后电网侧输入电流，右二、右一为其相应频谱。可见HAPF开启前电网谐波电流即为负载电流(Z