新型電能質量調節器的研究

邱 波

廊坊供電公司，河北廊坊 065000

0 引言

有源電力濾波器是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它可以對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償，是一種理想的諧波補償裝置[1]。但隨著電網結構和電力負荷成分的日益復雜，各種電能質量問題如電壓跌落、電壓上升的電壓偏移問題，瞬時斷電、暫時斷電的供電連續性問題以及諧波等問題在同一配電系統中同時出現的情況越來越多[2]。而傳統的有源電力濾波器功能單一，為了實現有源電力濾波器多功能化的要求。本文提出了將超級電容器作為有源電力濾波器直流側儲能元件，滿足了有源電力濾波器多功能化的要求。

1 有源電力濾波器的基本原理與存在問題

圖1為并聯型有源電力濾波器的原理圖[3]。如圖所示整個系統由指令電流運算電路、電流跟蹤控制電路、驅動電路和主電路組成。其中指令電流運算電路又稱為諧波和無功電流檢測電路。當指令電流運算電路檢測出電網電流中含有諧波和無功等分量時，將產生與之相對應的指令電流，采用適當的控制方式如滯環控制作用于功率電路產生實際的補償電流，此電流與檢測出的諧波和無功電流大小相等而方向相反，將補償電流注入到電網中，從而消除了電網電流中存在的諧波和無功分量[4]。

圖1 并聯型有源電力濾波器原理圖

根據以上對有源電力濾波器的工作原理的分析可知，若有源電力濾波器僅用于補償無功功率時，直流側Udc不需要儲能元件，當用于諧波補償時儲能元件的容量也不需要很大。由于其儲能元件的容量很小從而有源電力濾波器不具備提供有功功率這一功能。選擇合適的直流側儲能元件增加其存儲能量，使有源電力濾波器可以運行于四個象限，即同時發出無功功率和吸收有功功率，發出無功功率和發出有功功率，吸收無功功率和吸收有功功率，吸收無功功率和發出有功功率。這樣有源電力濾波器不僅可以補償諧波、無功和負序電流，還可以抑制電壓閃變、平衡三相電壓，解決了電網中存在的若干電能質量問題。

2 超級電容器儲能系統

超級電容器作為一種新型的儲能元件，具有功率密度大，能量密度高的特性，容量大目前單體超級電容器的最大電容量可達到10000F。充電速度快在幾十秒到數分鐘內完成充電過程，適合大電流和短時間充放電的場合。此外還具有工作溫度范圍廣，循環充放電次數多，排放零污染等特點[5]。

表1是超級電容器與幾種常見的儲能技術的性能比較。

表1 各種儲能技術的比較[6]

從表1可以看出超級電容器具有快速充放電和功率密度大的優點，可以用來解決電力系統中的一些暫態問題，例如電壓暫降和短時電壓中斷等。

超級電容器儲能系統其結構如圖2所示[7]。

圖2 超級電容器儲能系統基本結構

超級電容儲能系統主要由超級電容器組、整流器、逆變器、雙向變換器以及控制單元組成。將該儲能系統連接于微電網和負荷之間。未出現故障時，整流器提供的直流電能儲存在超級電容器中，若電網中出現電壓暫降等故障時，超級電容器通過逆變器向負載輸出能量，快速補償了系統所需，維持了負荷側的電壓等級。考慮到能量的雙向流動，超級電容通過雙向DC/DC變換器與逆變器相連。

3 基于超級電容儲能的有源電力濾波器的系統構成

從圖3中可以看到，本文所設計的裝置是在并聯型有源電力濾波器的基礎上增加了超級電容儲能系統，由整流器、Buck-Boost雙向DC/DC變換器，PWM逆變器和Γ型LC濾波器，串聯變壓器幾部分組成。

系統工作原理為，閉合輸入刀閘，由電網提供的電能一方面通過開關S2向負載供電，一方面通過開關S1向超級電容器充電，此時雙向DC/DC變換器工作于Buck方式，充電電阻R1限制了電容器充電瞬間所產生的巨大充電電流。當平波電容器充電到80%的時候，將繼電器J1、J2閉合，通過充電電阻R2給超級電容器供電。此時開關S3、S4斷開，S5閉合。

圖3 基于超級電容儲能的有源電力濾波器電路結構圖

當檢測電路檢測到補償對象電流中存在諧波和無功分量后，將其反極性作為補償電流的指令信號，采用三角波控制方式控制PWM逆變器產生實際的補償電流，通過開關S5向電網注入與諧波和無功電流大小相等方向相反的電流，起到了消除諧波和無功電流的目的。

當檢測電路檢測到系統出現電壓暫降時。開關S5、S2關斷，開關S1、S3、S4導通。由電網和本裝置共同對負載供電，此時雙向DC/DC變換器工作于Boost方式，繼電器J3導通，PWM變流器通過Boost電路汲取超級電容器中的能量，裝置提供的補償電壓通過串接變壓器疊加到供電回路中。這里串聯變壓器將逆變器與電網隔離，降低了直流母線的電壓，便于功率器件的選取。

一旦電網停電，僅通過本裝置不間斷的對負載供電，為了防止電流反向流向電網開關S1、S2應處于關斷狀態。開關S3、S4關斷S5導通。此時繼電器J3導通，雙向DC/DC變換器工作于Boost方式， PWM變流器通過Boost電路汲取超級電容器中的能量，由裝置為重要負荷供電。待電網恢復正常后，開關S1導通，由電網供電。若超級電容器兩端電壓降低到其額定電壓的50%，電網還未恢復正常供電，主控單元向逆變器發出閉鎖脈沖，停止給負荷供電，負荷停止運行。

4 結論

為了實現有源電力濾波器多功能化，獲得更高的性價比，其直流側儲能元件必須合理選擇。將超級電容器作為有源電力濾波器直流側儲能元件，實現了多功能化的要求，通過仿真驗證了該裝置在有效地解決諧波補償的同時，也改善了電網中出現的電壓跌落等若干電能質量問題。

[1]王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制和無功功率補償[M].機械工業出版社，2004.

[2]肖湘寧，徐永海，劉連光.供電系統電能質量[M].北京：華北電力大學出版社，2000.

[3]楊君.諧波和無功電流檢測方法及并聯型有源電力濾波器的研究[D].西安：西安交通大學，2006.

[4]宋琦.并聯型有源濾波及無功補償的研究 [D].武漢；華中科技大學，2005.

[5]張熙貴，王濤，夏保桂.一種優秀的儲能元件——超級電容器[J]，2003(8)：40-42.

[6]王宇.電力系統諧波及其抑制技術的研究[D].哈爾濱理工大學，2009.

[7]王鑫.超級電容器對微電網電能質量影響的研究[D].華北電力大學，2009，12.