1、1探究大容量并联型有源电力滤波器的软启动技术摘要： 近年来，随着我国经济的飞速发展，推动了各行各业的发展速度，电网的规模也随之不断扩大。与此同时，电力设备的大量增多，使谐波问题日益凸显。有源电力滤波器是抑制电网谐波污染的有效途径之一，其能够对频率和幅值处于不断变化的谐波进行跟踪补偿，并且补偿特性不会受到电网自身阻抗的影响，滤波效果非常良好，可以满足电网动态补偿的需要，正因如此，使有源电力滤波器在电网中获得了广泛应用。然而，在实际应用中发现有源电力滤波器在正常启动的过程中常常会发生对冲问题。而软启动技术的提出，为这一问题的解决提供了条件。基于此点，本文就大容量并联型有源电力滤波器的软启动技术展开
2、探究。 关键词：APF；软启动技术；电力设备 中图分类号：F407.61 文献标识码：A 文章编号： 一、并联有源电力滤波器的基本工作原理及分类 （一）基本工作原理 有源电力滤波器简称为 APF，其基本工作原理如下：对补偿对象中的电流和电压进行检测，经过相应的计算后得出补偿电流的指令信号，该信号在经过电流发生电路时会被放大，从而得出补偿电流，而此时补偿电流则会与负载电流当中需要补偿的无功及谐波等电流互相抵消，最终便可以获得期望的电源电流波形。图 1 为 APF 的基本工作原理图。 2图 1 APF 基本工作原理图 （二）APF 的分类 APF 大体可分为直流和交流两大类。其中有源直流滤波器的主
3、要作用是能够消除高压直流输电系统中换流器直流侧的电流及电压谐波。而有缘交流滤波器（即 APF）则一般被用于交流电力系统中各电压等级的谐波补偿。 1.按照接入电网的方式可将 APF 分为并联型、串联型、混合型以及串并联型。其中并联型常被用于无功电流、负序电流和负载谐波的综合补偿；串联型的主要作用是能够有效地消除电压型谐波电源对电力系统的影响。目前出现了一种新型的有源电力滤波器，它是集并联型和串联型两者功能于一身的装置，被称为电能质量调节器。 2.按照主电路中使用的贮能元件不同 APF 可分为电压型和电流型两种。前者的主电路直流侧接有较大的电容，设备处于正常运行时，电压能够保持基本不变；而后者主电
4、路直流侧则接有较大的电感，当设备处于正常运行时，电流能够保持基本不变。 3.按照接入系统的不同可分为单相和三相两类，而三相有源电力滤波器又分为三相三线和三相四线制两种。本文主要是基于三相三线大容量并联型有源电力滤波器来进行研究。 二、大容量并联型 APF 的软启动技术研究 （一）APF 投运中存在的问题 APF 在投入运行的过程中，常常会出现以下两个方面的问题： 31.在 APF 启动的瞬间，直流侧的电压一般都相对较低，此时的电压值与直流电压的给定值有较大的差距，这样一来在 PI 控制的前提下，便会形成较大的有功电流作用到指令电流上。通常情况下，当直流与交流电压一定时，电感的值越大，其中的电流
5、变化率就会越小，这时电流自身的跟踪能力也就变得越弱；相反，若是电感的值越小，则其中的电流变化率就会越大，相应地动态响应速度就变得越快，并且 APF 启动时的冲击电流越大就越容易引起振荡。因交流侧的电感值相对较小，从而会导致桥臂上的电流较大，这样一来便会对绝缘栅双极型晶体管产生较大的影响。 2.APF 在启动过程中，直流侧的电压初值与电压给定值相差较大，从而导致电压产生超调，若是不采取相应措施的话，很容易导致直流侧电压过冲，这样便极有可能造成电容器损坏，严重时甚至会引起爆炸。 （二）APF 软启动的特点 通常情况下，对于大功率的电力电子设备而言，基本上都需要软启动过程。 1.逆变电源。恒频恒压逆
6、变电源的软启动采用的是输出电压给定由零值逐步递增至理想值，并在每个开关周期内均增加一定的数值，直到软启动完毕。在整个启动的过程中，系统的调制比呈现出逐步增大的状态，此时输出的电压也处于缓慢上升状态，从而达到了减小启动电流冲击的目的。 2.直流电源。在 DC/DC 的电路当中，脉冲调制控制芯片中基本都自带有软启动功能，利用内部的恒流源来完成对软启动电容的充电，这样4便可以使误差比较器的输出被箝位在软启动电容电压，此时占空比会从零值开始逐渐增大，直至工作稳定为止。 3.APF 的软启动。与以上两种软启动相比，大容量 APF 的软启动具有以下特点：其一，大容量的 APF 由于交流侧的电感相对较小，从
7、而增大了软启动的难度；其二，APF 一般都是对交流侧输出电流的软启动；其三，APF 不仅需要对电流环抑制启动中的输出电流冲击进行控制，而且还需要对直流侧电压的缓升进行控制。换言之，APF 的软启动实质上是电压环和电流环同时软启动的过程。 （三）APF 软启动方法和步骤 为了进一步消除 APF 启动时出现的电压和电流过冲问题，必须采用软启动的方式，具体方法和步骤如下： 1.预充电过程。由于 APF 的交流侧为三相电网电压，而直流侧则为大电容。为此，可在主电路投入运行前，借助绝缘栅双极型晶体管的反并联二极管经充电电阻为直流侧电容进行充电，而直流侧的电压则预冲至三相电压峰值，此时检测回路便会检测到直
8、流侧电压达到一定值，从而接触器便会自行闭合，以此来使充电电路短路。 2.锁相过程。当整个预充电过程结束后，主控制便会利用检测市电过零对电路输出的方波信号进行检测，进而实现对市电的锁相。在电力系统中，交流侧电流变化率主要是由 APF 交流侧输出电压的相位决定的。当锁相这一过程先于 APF 运行时，便能够进一步防止锁相时相位因相位不稳而导致电流冲击的情况发生。 3.电流环输出指令递增软启动。当以上两个步骤完成后，系统便会5带载启动。为了防止冲击电流以及电容电压波动增大的情况发生，系统接收到相应的启动信号之后，便会对电流指令采取逐步递增的控制方法。在整个启动过程中，随着指令电流的逐步增大，可以使启动
9、电流冲击获得有效抑制，并且在软启动完成后，不会对系统的正常运行造成影响。 4.电压环软启动。电压环的软启动主要有以下三种方法，下面分别进行介绍： 逐升法。即在电压给定的前提下，逐步升高电压的方法。在 APF的启动过程中，可将直流侧的电压给定值确定为，然后从预充电之后的电压值进行逐步递增，每一个基础波形周期的给定值增加 U，n 个周期以后达到最终值。在整个启动过程中，电压的反馈误差始终保持在一个很小的范围内，同时调节器中输出的有功电流也相对较小，在电压环调节器的作用下，直流侧的电压能够以平稳无超调的状态达到最终值。 充电法。在 APF 启动的过程中，当直流侧的电压值小于某个特定值时，电压环便会不
10、经 PI 调节器调节，其输出的给定值则为较小充电有功电流指令，这样便可以确保直流侧电压平稳缓慢地完成充电。而当直流侧的电压值大于等于某个特定值时，电压环 PI 调节器便会自行启用，这样便可以确保电压平稳上升无超调。 变换参数法。在 APF 启动的过程中，当直流侧的电压值小于某个特定值时，电压环 PI 调节器便会自行选择较小的 PI 参数值，进而减缓电压的上升速度及误差累积，以达到减小超调量的目的。而当直流侧的电压大于等于某个特定值时，PI 参数较大的调节器便会自行启用，从而使直流侧的电压保持稳态输出。 6结论： 综上所述，大容量并联型 APF 软启动与一般的逆变器和直流电源的软启动有所不同，A
11、PF 的软启动主要是针对电压外环和电流内环的双重软启动。本文中提出的逐升法、充电法以及变换参数法在具体装置中进行应用结果表明，这种软启动方法是可行的。除此之外，该软启动方法还可以应用于大容量的高频整流器和三相逆变器并网的软启动过程。通过本文的研究对推动大容量并联型 APF 在电网中的应用具有非常重要的意义。 参考文献 1王长永.组合变流器相移 SPWM 技术及其在有源电力滤波器中的应用研究D.浙江大学.2010(9). 2卓放.王跃.何益宏.李红雨.王兆安.采用双 DSP 控制技术实现的三相四线制有源电力滤波器A.第七届中国电力电子与传动控制学术会议论文集C.2007(10). 3童立青.串联混合有源电力滤波器新型控制技术研究D.浙江大学电气工程学院.2009(10). 4张永峰.基于切换系统的有源电力滤波器参数设计及控制策略研究D.济南大学.2011(5).
