混合型有源電力補償技術分析

扈留強

（煙臺東源投資有限公司）

0 引言

電力補償是為了解決電力系統中的功率因數問題。功率因數是指電力系統中有用功與視在功之比，表示電能的有效利用程度。當電力系統中存在大量的感性負載（如電動機、變壓器等）時，其功率因數較低，會導致電能的浪費和損耗，同時還會引起電力設備的過載和能源的浪費。總體來看，電力補償是為了提高電能利用效率、降低能源消耗、改善電能質量和保護電力設備的重要措施之一。近年來，單一電力補償技術在實踐應用時越發顯示出局限性，故探索混合型有源電力補償技術迫在眉睫。

1 混合型有源電力補償技術簡析

混合型有源電力補償技術是一種新型的電力補償技術，該技術結合了有源電力濾波器（APF）和無源電力濾波器（PPF）的優點，實現了對電網中諧波和無功電力的有效補償［1］。混合型有源電力補償設備主要由有源電力濾波器和無源電力濾波器兩部分構成，兩者通過電力電子開關器件實現相互切換，優化電網的電力品質。特點如下：其一，靈活性。混合型有源電力補償設備能夠根據電網的實際需求，靈活地在有源補償和無源補償之間切換，實現最優補償效果。其二，效率高。無源電力濾波器在補償大電流諧波和無功電力時，效率較高，而有源電力濾波器在補償小電流諧波和負載不平衡時，效率較高。混合型有源電力補償設備能夠充分利用兩者的優點，提高補償效率。其三，經濟性。相比于單一的有源電力濾波器或者無源電力濾波器，混合型有源電力補償設備在購置成本和運行維護成本上都有一定的優勢。其四，可靠性。混合型有源電力補償設備在設計上考慮了電力電子設備的故障容忍性，當某一部分設備出現故障時，其他部分設備仍能正常工作，保證電網的穩定運行。但需要注意，混合型有源電力補償技術仍存在一些挑戰，如控制策略的復雜性、設備切換時的協調問題等，需要進一步研究和改進。

2 混合型有源電力補償方案——APF與LC電路串聯補償單相原理簡析

混合型有源電力補償方案之一是APF （Activе Powеr Filtеr，簡稱APF，是一種用于消除電力系統中諧波和電壓波動的裝置。在電力系統中，非線性負載（如電子設備、變頻器等）會引入諧波，導致電壓波形失真和電網能量損耗［2］。APF通過檢測電網中的諧波成分，并通過逆變器產生與諧波相位和幅值相反的電流來抵消諧波，從而實現諧波的消除。APF通常由控制器、逆變器和濾波器組成，可以根據實際情況對不同的諧波進行補償，提高電網的質量，并減少電能損耗）與LC電路（由一個電感器（L）和一個電容器（C）組成的電路。電感器和電容器之間通過電流相互作用，形成一個振蕩電路。LC電路可以用來產生穩定的振蕩信號，或者用來濾波和調節信號的頻率。在LC電路中，電感器儲存電能，而電容器則儲存電荷。這種電荷和電流的交互作用導致電路中產生周期性的振蕩）串聯補償單相電源方案。設置該方案的主要目的是減少電力系統中的諧波和無功功率，從而提高電力質量。在這種方案中，APF用于消除負荷產生的諧波電流，而LC濾波器則用于補償電路的無功功率。具體原理分析如下：

（1）APF的工作原理如下：APF通過實時采樣負荷電流，然后通過處理器計算出補償電流，并將其注入電網中，從而消除負荷中的諧波電流。APF的補償電流可以表示為：

式中，I_comp是補償電流，I_load是負荷電流，I_fundamental是基波電流。

（2）LC濾波器的工作原理如下：在電力系統中，電源、負荷和線路都可能產生感性或容性無功功率。為了保持電網電壓的穩定，需要對無功功率進行補償。LC濾波器就是一種無功功率補償裝置，通過在電路中并聯電感和電容，形成諧振電路，吸收或釋放無功功率，從而實現無功補償。LC濾波器的諧振頻率可以通過以下公式表示：

式中，f_resonance是諧振頻率，L是電感，C是電容。通過這種混合型有源電力補償方案，可以有效減少電力系統中的諧波和無功功率，提高電網的穩定性和電力質量。但這種方案的效果會受到APF性能、LC濾波器參數、負荷特性等多種因素影響，因此，在實際應用中，需要進行詳細的設計和調試。比如設定一個電路的負載情況如下：在50Hz頻率下產生了100A的基波電流和30A的三次諧波電流，處理目標是基于APF與LC串聯補償方案來消除這個諧波。根據上文所述原理，處理可分“兩步走”：其一，APF處理。APF會測量負載電流，然后計算出需要補償的諧波電流。代入數值計算，負載電流Ⅰ_loаd是基波電流100A加上三次諧波電流30A，所以I_load=100A+30A=130A。由于想要消除的是三次諧波電流，所以補償電流I_comp就是30A。總體來說，APF需要產生一個30A的電流，和負載的三次諧波電流相反，從而相互抵消。其二，LC濾波器處理。對于LC濾波器，一般需要圍繞電感和電容值進行設計，目的是令諧振頻率等于想要消除的諧波的頻率。在上述案例中，想要消除的是三次諧波，所以需要讓LC濾波器的諧振頻率等于50Hz*3=150Hz。假設選擇了一個10mH的電感器，那么需要計算出相應的電容值。使用上面提到的諧振頻率公式，代入計算得到：C=1/（4π2f_rеsonаncе2L）=1/（4π2*（150Hz）2*10mH）=1.78μF，即需要一個1.78μF的電容器。至此階段，便成功設計了一個能夠消除30A三次諧波電流的APF，以及一個諧振頻率為150Hz的LC濾波器。通過這個方案，可以有效地消除這個負載產生的諧波，從而提高電力系統的運行功率、運行質量。

3 APF與LC電路串聯補償與常規并聯有源濾波器方案之間的對比分析

3.1 直流側電容電壓相關對比分析

在多種電力補償方案中，除了上文提到的APF與LC電路串聯補償方案之外，還有常規并聯有源濾波器方案。這兩種補償方案各自具有優缺點，故需要進行綜合比對，從而確定不同方案的應用場景。為實現上述目的，首先需要明確的要素集中在兩個方面：其一，兩種方案在直流側電容電壓的控制策略上存在差異性；其二，直流側電容電壓是一個重要的參數，決定濾波器的性能和穩定性。具體來說：

（1）并聯有源濾波器（APF）與LC電路串聯補償。在這種混合型方案中，如上文所述，APF主要負責消除諧波電流，而LC電路則負責提供無功補償。這種方案的一個優點是，由于LC電路在補償無功功率時不需要消耗直流側電容的能量，因此可以有效地減小直流側電容電壓的漲落，提高系統的穩定性。假設所設計的LC濾波器的電感L是10mH，電容C是1.78μF，那么在150Hz的諧振頻率下，這個LC濾波器可以吸收的無功功率Q可以通過以下公式計算：

式中，V是電網電壓，ω是角頻率，f是頻率。假設負載電流的基波分量是100A，諧波分量是30A，如果所選擇的電感L為10mH，電容C為1.78uF，電網電壓V為220V。那么，在150Hz的諧振頻率下，LC濾波器可以吸收的無功功率Q的計算過程如下：Q=(220V)2/(2π 150Hz 10mH)=1.65kV AR。這部分無功功率可以由LC電路提供，因此直流側電容電壓的變化可以被減小。

（2）常規的并聯APF方案。在常規的并聯APF方案中，APF不僅要消除諧波電流，還要負責提供無功補償。在補償無功功率的過程中，APF需要從直流側電容中提取或注入能量，這可能會引起直流側電容電壓的大幅度漲落，從而影響系統的穩定性［3］。在APF中，直流側電容電壓的控制通常通過比例積分（PⅠ）控制器實現。給定一個參考電壓V_dc_ref，控制器會計算出電壓誤差e=V_dc_ref-V_dc，然后通過PⅠ控制器調整APF的輸出電流，使得直流側電容電壓接近參考電壓。該控制策略可以表示為：

式中，I_compensate表示APF的補償電流，K_p和K_i分別是PⅠ控制器的比例和積分參數。沿用上述設定，由于APF需要消除所有的諧波電流，并且提供1.65kVAR的無功補償，因此直流側電容電壓的變化會更大。具體如表1所示。

表1 兩種補償方案下直流側電容電壓的變化對比

對比之下可以發現，APF與LC電路串聯補償方案在直流側電容電壓的控制上更具優勢，這種方案可以減小電壓的漲落，提高系統的穩定性。

3.2 與常規并聯有源濾波逆變器容量之間的對比分析

逆變器的容量決定了有源濾波器（APF）能夠補償的最大諧波電流。因此，這同樣是評估APF性能的一個重要參數。

（1）并聯有源濾波器（APF）與LC電路串聯補償。根據這種補償方案的原理可知，APF的逆變器容量可以相對較小［4］。

（2）常規的并聯APF方案。根據這種補償方案的原理可知，APF的逆變器容量需要更大。

假設負載電流的基波分量是100A，諧波分量是30A。在這種情況下，采用并聯有源濾波器（APF）與LC電路串聯補償方案時，APF只需要消除30A的諧波電流，因此其逆變器的容量可以設計為30A。而LC電路則可以吸收或釋放無功功率，從而實現無功補償。如果采用常規的并聯APF方案，則APF需要消除所有的諧波電流，并且提供無功補償，因此其逆變器的容量可能需要設計為130A。具體對比情況如表2所示。從中可以看到，并聯APF與LC電路串聯補償方案可以顯著降低逆變器的容量需求，從而達到降低設備成本的目的。

表2 兩種補償方案對應的逆變器容量參數對比

如果將“與被補償負荷容量”設置為觀察指標，則上述兩種方案對應的參數如表3所示。從中可以看到，并聯APF與LC電路串聯補償方案在適應更大負荷容量方面有優勢。造成這種現象的原因恰恰是這種補償方案需要更小的逆變器容量，與上文分析結果相呼應。由此可見，并聯APF與LC電路串聯補償方案更具應用價值。

表3 兩種補償方案對應的“與被補償負荷容量之間關系”參數對比

4 結束語

設置優質電力補償機制的目的在于：其一，提高電能質量。電力補償可以消除感性負載對電網的無功功率需求，減少電網的無功功率流動，提高電能質量，減少電力系統的電壓波動和諧波。其二，降低線路損耗。電力補償可以減少線路中的無功功率流動，降低線路損耗，提高輸電效率。其三，提高設備利用率。電力補償可以減少感性負載對電力設備的過載現象，延長設備的使用壽命，提高設備的利用率和可靠性。其四，節約能源。電力補償可以減少電力系統中的無功功率流動，減少電能的浪費和損耗，實現節能減排的目標。相較于傳統電力補償技術，混合型電力補償技術的應用優勢更加明顯，應當推廣應用。