混合型有源电力补偿技术分析

扈留强

（烟台东源投资有限公司）

0 引言

电力补偿是为了解决电力系统中的功率因数问题。功率因数是指电力系统中有用功与视在功之比，表示电能的有效利用程度。当电力系统中存在大量的感性负载（如电动机、变压器等）时，其功率因数较低，会导致电能的浪费和损耗，同时还会引起电力设备的过载和能源的浪费。总体来看，电力补偿是为了提高电能利用效率、降低能源消耗、改善电能质量和保护电力设备的重要措施之一。近年来，单一电力补偿技术在实践应用时越发显示出局限性，故探索混合型有源电力补偿技术迫在眉睫。

1 混合型有源电力补偿技术简析

混合型有源电力补偿技术是一种新型的电力补偿技术，该技术结合了有源电力滤波器（APF）和无源电力滤波器（PPF）的优点，实现了对电网中谐波和无功电力的有效补偿［1］。混合型有源电力补偿设备主要由有源电力滤波器和无源电力滤波器两部分构成，两者通过电力电子开关器件实现相互切换，优化电网的电力品质。特点如下：其一，灵活性。混合型有源电力补偿设备能够根据电网的实际需求，灵活地在有源补偿和无源补偿之间切换，实现最优补偿效果。其二，效率高。无源电力滤波器在补偿大电流谐波和无功电力时，效率较高，而有源电力滤波器在补偿小电流谐波和负载不平衡时，效率较高。混合型有源电力补偿设备能够充分利用两者的优点，提高补偿效率。其三，经济性。相比于单一的有源电力滤波器或者无源电力滤波器，混合型有源电力补偿设备在购置成本和运行维护成本上都有一定的优势。其四，可靠性。混合型有源电力补偿设备在设计上考虑了电力电子设备的故障容忍性，当某一部分设备出现故障时，其他部分设备仍能正常工作，保证电网的稳定运行。但需要注意，混合型有源电力补偿技术仍存在一些挑战，如控制策略的复杂性、设备切换时的协调问题等，需要进一步研究和改进。

2 混合型有源电力补偿方案——APF与LC电路串联补偿单相原理简析

混合型有源电力补偿方案之一是APF （Activе Powеr Filtеr，简称APF，是一种用于消除电力系统中谐波和电压波动的装置。在电力系统中，非线性负载（如电子设备、变频器等）会引入谐波，导致电压波形失真和电网能量损耗［2］。APF通过检测电网中的谐波成分，并通过逆变器产生与谐波相位和幅值相反的电流来抵消谐波，从而实现谐波的消除。APF通常由控制器、逆变器和滤波器组成，可以根据实际情况对不同的谐波进行补偿，提高电网的质量，并减少电能损耗）与LC电路（由一个电感器（L）和一个电容器（C）组成的电路。电感器和电容器之间通过电流相互作用，形成一个振荡电路。LC电路可以用来产生稳定的振荡信号，或者用来滤波和调节信号的频率。在LC电路中，电感器储存电能，而电容器则储存电荷。这种电荷和电流的交互作用导致电路中产生周期性的振荡）串联补偿单相电源方案。设置该方案的主要目的是减少电力系统中的谐波和无功功率，从而提高电力质量。在这种方案中，APF用于消除负荷产生的谐波电流，而LC滤波器则用于补偿电路的无功功率。具体原理分析如下：

（1）APF的工作原理如下：APF通过实时采样负荷电流，然后通过处理器计算出补偿电流，并将其注入电网中，从而消除负荷中的谐波电流。APF的补偿电流可以表示为：

式中，I_comp是补偿电流，I_load是负荷电流，I_fundamental是基波电流。

（2）LC滤波器的工作原理如下：在电力系统中，电源、负荷和线路都可能产生感性或容性无功功率。为了保持电网电压的稳定，需要对无功功率进行补偿。LC滤波器就是一种无功功率补偿装置，通过在电路中并联电感和电容，形成谐振电路，吸收或释放无功功率，从而实现无功补偿。LC滤波器的谐振频率可以通过以下公式表示：

式中，f_resonance是谐振频率，L是电感，C是电容。通过这种混合型有源电力补偿方案，可以有效减少电力系统中的谐波和无功功率，提高电网的稳定性和电力质量。但这种方案的效果会受到APF性能、LC滤波器参数、负荷特性等多种因素影响，因此，在实际应用中，需要进行详细的设计和调试。比如设定一个电路的负载情况如下：在50Hz频率下产生了100A的基波电流和30A的三次谐波电流，处理目标是基于APF与LC串联补偿方案来消除这个谐波。根据上文所述原理，处理可分“两步走”：其一，APF处理。APF会测量负载电流，然后计算出需要补偿的谐波电流。代入数值计算，负载电流Ⅰ_loаd是基波电流100A加上三次谐波电流30A，所以I_load=100A+30A=130A。由于想要消除的是三次谐波电流，所以补偿电流I_comp就是30A。总体来说，APF需要产生一个30A的电流，和负载的三次谐波电流相反，从而相互抵消。其二，LC滤波器处理。对于LC滤波器，一般需要围绕电感和电容值进行设计，目的是令谐振频率等于想要消除的谐波的频率。在上述案例中，想要消除的是三次谐波，所以需要让LC滤波器的谐振频率等于50Hz*3=150Hz。假设选择了一个10mH的电感器，那么需要计算出相应的电容值。使用上面提到的谐振频率公式，代入计算得到：C=1/（4π²f_rеsonаncе²L）=1/（4π²*（150Hz）²*10mH）=1.78μF，即需要一个1.78μF的电容器。至此阶段，便成功设计了一个能够消除30A三次谐波电流的APF，以及一个谐振频率为150Hz的LC滤波器。通过这个方案，可以有效地消除这个负载产生的谐波，从而提高电力系统的运行功率、运行质量。

3 APF与LC电路串联补偿与常规并联有源滤波器方案之间的对比分析

3.1 直流侧电容电压相关对比分析

在多种电力补偿方案中，除了上文提到的APF与LC电路串联补偿方案之外，还有常规并联有源滤波器方案。这两种补偿方案各自具有优缺点，故需要进行综合比对，从而确定不同方案的应用场景。为实现上述目的，首先需要明确的要素集中在两个方面：其一，两种方案在直流侧电容电压的控制策略上存在差异性；其二，直流侧电容电压是一个重要的参数，决定滤波器的性能和稳定性。具体来说：

（1）并联有源滤波器（APF）与LC电路串联补偿。在这种混合型方案中，如上文所述，APF主要负责消除谐波电流，而LC电路则负责提供无功补偿。这种方案的一个优点是，由于LC电路在补偿无功功率时不需要消耗直流侧电容的能量，因此可以有效地减小直流侧电容电压的涨落，提高系统的稳定性。假设所设计的LC滤波器的电感L是10mH，电容C是1.78μF，那么在150Hz的谐振频率下，这个LC滤波器可以吸收的无功功率Q可以通过以下公式计算：

式中，V是电网电压，ω是角频率，f是频率。假设负载电流的基波分量是100A，谐波分量是30A，如果所选择的电感L为10mH，电容C为1.78uF，电网电压V为220V。那么，在150Hz的谐振频率下，LC滤波器可以吸收的无功功率Q的计算过程如下：Q=(220V)²/(2π 150Hz 10mH)=1.65kV AR。这部分无功功率可以由LC电路提供，因此直流侧电容电压的变化可以被减小。

（2）常规的并联APF方案。在常规的并联APF方案中，APF不仅要消除谐波电流，还要负责提供无功补偿。在补偿无功功率的过程中，APF需要从直流侧电容中提取或注入能量，这可能会引起直流侧电容电压的大幅度涨落，从而影响系统的稳定性［3］。在APF中，直流侧电容电压的控制通常通过比例积分（PⅠ）控制器实现。给定一个参考电压V_dc_ref，控制器会计算出电压误差e=V_dc_ref-V_dc，然后通过PⅠ控制器调整APF的输出电流，使得直流侧电容电压接近参考电压。该控制策略可以表示为：

式中，I_compensate表示APF的补偿电流，K_p和K_i分别是PⅠ控制器的比例和积分参数。沿用上述设定，由于APF需要消除所有的谐波电流，并且提供1.65kVAR的无功补偿，因此直流侧电容电压的变化会更大。具体如表1所示。

表1 两种补偿方案下直流侧电容电压的变化对比

对比之下可以发现，APF与LC电路串联补偿方案在直流侧电容电压的控制上更具优势，这种方案可以减小电压的涨落，提高系统的稳定性。

3.2 与常规并联有源滤波逆变器容量之间的对比分析

逆变器的容量决定了有源滤波器（APF）能够补偿的最大谐波电流。因此，这同样是评估APF性能的一个重要参数。

（1）并联有源滤波器（APF）与LC电路串联补偿。根据这种补偿方案的原理可知，APF的逆变器容量可以相对较小［4］。

（2）常规的并联APF方案。根据这种补偿方案的原理可知，APF的逆变器容量需要更大。

假设负载电流的基波分量是100A，谐波分量是30A。在这种情况下，采用并联有源滤波器（APF）与LC电路串联补偿方案时，APF只需要消除30A的谐波电流，因此其逆变器的容量可以设计为30A。而LC电路则可以吸收或释放无功功率，从而实现无功补偿。如果采用常规的并联APF方案，则APF需要消除所有的谐波电流，并且提供无功补偿，因此其逆变器的容量可能需要设计为130A。具体对比情况如表2所示。从中可以看到，并联APF与LC电路串联补偿方案可以显著降低逆变器的容量需求，从而达到降低设备成本的目的。

表2 两种补偿方案对应的逆变器容量参数对比

如果将“与被补偿负荷容量”设置为观察指标，则上述两种方案对应的参数如表3所示。从中可以看到，并联APF与LC电路串联补偿方案在适应更大负荷容量方面有优势。造成这种现象的原因恰恰是这种补偿方案需要更小的逆变器容量，与上文分析结果相呼应。由此可见，并联APF与LC电路串联补偿方案更具应用价值。

表3 两种补偿方案对应的“与被补偿负荷容量之间关系”参数对比

4 结束语

设置优质电力补偿机制的目的在于：其一，提高电能质量。电力补偿可以消除感性负载对电网的无功功率需求，减少电网的无功功率流动，提高电能质量，减少电力系统的电压波动和谐波。其二，降低线路损耗。电力补偿可以减少线路中的无功功率流动，降低线路损耗，提高输电效率。其三，提高设备利用率。电力补偿可以减少感性负载对电力设备的过载现象，延长设备的使用寿命，提高设备的利用率和可靠性。其四，节约能源。电力补偿可以减少电力系统中的无功功率流动，减少电能的浪费和损耗，实现节能减排的目标。相较于传统电力补偿技术，混合型电力补偿技术的应用优势更加明显，应当推广应用。