[实用新型]大容量谐波及无功补偿的有源控制混合式开关主电路

说明书

技术领域

本实用新型涉及电力设备制造领域，尤其涉及一种改善电网品质的大容量谐波及无功补偿的有源控制混合式开关主电路。

背景技术

随着电力电子装置及其他非线性负载在电力系统及工业上的广泛应用，所带来的电网中的谐波污染和功率因数低下问题越来越严重。负面影响中一个突出的与企业利益直接相关的就是功率因数的降低，功率因数降低将面临供电部门的罚款。为此，许多工矿企业采用安装电容器组的方法补偿无功功率。但由于非线性设备工作时还会产生谐波问题，电容器投入时可能会引起较严重的谐波放大，因此，在很多企业这些电容器无功补偿装置往往无法正常投切，从而无法保证企业的正常用电，使企业蒙受巨大的经济损失。另外，有的企业为补偿无功功率和抑制谐波所装设的无源滤波器也由于电网情况或企业用电负载容量的扩减等变化，而发生问题或不能充分发挥作用。上述问题的解决办法之一是在电容器组无功补偿装置和无源滤波器设计时考虑到各种可能出现的实际问题，但此种方法在实际操作起来现实意义不大。

采用IGBT电子器件构成的并联有源电力滤波装置(APF)，具有动态响应快、滤波效率高、补偿特性不受系统阻抗影响以及不会发生串并联谐振等优点，能够基本克服较传统的电容器组及LC无源滤波装置的缺点，APF由于其技术的先进性代表了未来谐波治理与无功补偿领域的发展方向。随着IGBT等电力电子器件价格的逐渐走低以及电力电子技术的高速发展，APF得到了越来越多的研究和相对广泛的应用。但是在实际应用中也由于一些现实问题而限制其普及，最显著一点就是在解决工业企业大容量谐波及无功补偿性价比不高问题。

将有源电力滤波装置用于抑制电力系统或大容量工业装置中的谐波是一个重要的发展方向。显然，纯APF在解决小容量谐波的治理上具有效果好，性价比高等优势，要对大功率谐波源负载或同时对电网中的谐波电流和无功功率进行补偿时，相应的要求有源电力滤波器具有较大的容量。这样对有源电力滤波器使用的电力电子器件在容量方面也就必须满足很高的要求。电力电子器件随着容量的增大其所容许的开关频率却越来越低，而较低的开关频率又会影响有源电力滤波器的补偿效果，所以在将有源电力滤波器用于大容量谐波补偿时就面临着器件开关频率与容量之间的矛盾。如何将有源电力滤波装置用于补偿大容量工业装置中的谐波与无功功率是许多研究者所关心的问题之一。

目前将有源电力滤波装置用于补偿大容量工业装置中的谐波与无功功率，有几种方案可以选择：一是将容量小但开关速度快的器件串并联以达到容量和开关速度的要求，这种解决办法是在单个半导体器件的电压或电流允许值不能满足大容量电力电子装置设计要求时较常采用的一种方案，但电路元件的参数差异会造成电压电流不均匀，使某个开关器件过早损坏，设计中，电力电子器件的参数裕度一般取值都比较大，使各个器件都不能充分使用，造成资源浪费，成本提高；二是多台小容量的有源电力滤波器并联使用，这种工作方式中，并联的有源电力滤波装置的补偿工作都由其自身完成，每台设备都有自己的谐波电流检测电路和补偿电流控制电路，该方式虽然原理简单，但检测控制电路数量多过，造成资源浪费，又不经济，而且各有源电力滤波模块之间缺乏协调控制，输出功率差别比较大；三是采用多重化的逆变器主电路结构。由于单个逆变器容量有限，通过多个逆变器的级联来增大补偿容量。此种方法的缺点就是电路结构复杂，控制电路及模式设计起来难度较大。四是尝试将LC无源滤波装置与APF混合使用的方式，其基本思想是利用LC滤波装置来分担大部分的补偿任务，LC滤波装置与APF相比，优点在于结构简单，易于实现且成本低，而APF的优点是补偿性能好，两者结合使用，可以获得更高的容量，同时又降低了装置的整体成本。此种方案看起来是相对比较简单经济，但是有源滤波类装置与无源滤波类装置混合使用，由于并联无源滤波器的影响，负荷的等效谐波阻抗将减小，当其不满足远大于电网的等效谐波阻抗时，APF的补偿特性将受电网阻抗的影响，而且APF的补偿电流还可能注入进无源滤波装置中，造成无源滤波装置过载以及系统的不稳定。采用这种方案时需对APF和无源滤波装置的设计进行特殊考虑。