有源濾波器在改善電能質(zhì)量方面的應(yīng)用

1引言

電力負(fù)載向復(fù)雜和多樣性的方向發(fā)展，特別是非線性負(fù)載的日益廣泛的應(yīng)用，電能質(zhì)量有明顯惡化的趨勢(shì)。它與工業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提高對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高的需求之間的矛盾日漸突出，另一方面，目前電力系統(tǒng)的可控性普遍較差，實(shí)現(xiàn)靈活、有效的電能控制還較為困難。近年來(lái)，電力電子技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，利用大功率開關(guān)器件、高速計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)為電能的控制和改善電能質(zhì)量提供了可能。電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用是電力系統(tǒng)可控化和電力電子裝置大功率化發(fā)展的必然趨勢(shì)。

電能質(zhì)量涉及的范圍很廣，主要包括:基波無(wú)功、高次諧波、低頻閃變、電壓跌落、頻率偏移、尖峰電壓、EMI等，還包括對(duì)潮流、保護(hù)、援助等的有效控制。常見(jiàn)的電能質(zhì)量問(wèn)題的現(xiàn)象如圖1所示(1-8)。

電能質(zhì)量的每個(gè)方面都應(yīng)包含在FACTS(柔性交流輸電系統(tǒng))這一概念中(1,8,12,13)。它最初由美國(guó)電力科學(xué)研究院(EPRI)于80年代末提出，即在輸電系統(tǒng)中，利用電力電子技術(shù)(包括功率開關(guān)、高速計(jì)算、控制等)對(duì)電力系統(tǒng)的重要參數(shù):如無(wú)功、諧波、電壓幅度、相間對(duì)稱度、頻率、電抗和功率流等進(jìn)行調(diào)整和控制。FACTS系統(tǒng)將在功率潮流控制、負(fù)荷率、緊急功率支援、安全與故障控制、新型電力市場(chǎng)等方面發(fā)揮重要作用。

目前，電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有:SVC/SVG(靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償/發(fā)生)、TCSC(晶閘管控制切換電容)、APF(有源電力濾波)、PFC(功率因素校正)、EMC(電磁兼容)、HVDC(高壓直流輸電)、潔凈/分布式能源、APLC/PLC(有源/電力線路調(diào)整)、UAPLC(多功能電力線路調(diào)整)、無(wú)觸點(diǎn)保護(hù)等。鑒于有源濾波功能的廣泛性，本文僅就有源濾波在電能質(zhì)量中的部分應(yīng)用作簡(jiǎn)單介紹。但所討論的方法，適用于其它電能質(zhì)量問(wèn)題的應(yīng)用。

顧名思義，“濾波”是針對(duì)諧波而言的，但有源濾波(APF)在FACTS家族中具有廣義性。首先，有源濾波具有多功能性，或者說(shuō)電能質(zhì)量的許多問(wèn)題均可通過(guò)不同的控制手段由有源濾波裝置來(lái)解決。如諧波抑制、無(wú)功補(bǔ)償、相間對(duì)稱校正等。其次，在時(shí)域和頻域分解的觀點(diǎn)上，電能質(zhì)量的諸多問(wèn)題與諧波是統(tǒng)一的，僅作用頻率不同，如:基波頻率整數(shù)倍的分量為通常意義上的諧波;分?jǐn)?shù)倍、非整數(shù)倍分量分別稱為閃變、間諧波;而基波無(wú)功、非周期量可以分別看成是頻率為系統(tǒng)頻率和零頻率的分量等。第三，諸多電能質(zhì)量問(wèn)題的治理與諧波治理是不可分割的，如SVC/SVG設(shè)備如果采用相控方式，本身就會(huì)產(chǎn)生大量諧波，在實(shí)際系統(tǒng)中，僅考慮無(wú)功補(bǔ)償可能因諧波而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定(諧振);此外，SVC/SVG、PFC和PLC等與APF均具有FACTS單元的本質(zhì)，因而，APF還廣泛地被稱為AF(Active Filter)、APLC/PLC、APQC(有源電能質(zhì)量控制)、IRPC(瞬時(shí)無(wú)功補(bǔ)償)等(1,8,15)。

2有源電力諧波抑制(APF)

2.1諧波問(wèn)題及其危害

中大功率電力電子裝置，如調(diào)速系統(tǒng)、感應(yīng)加熱、整流設(shè)備、電弧爐、開關(guān)電源等的大量應(yīng)用，給電網(wǎng)引入大量諧波。這對(duì)供電系統(tǒng)及其它設(shè)備產(chǎn)生不良影響,甚至可能造成電力系統(tǒng)癱瘓。

1989年3月，由于磁暴，加拿大魁北克系統(tǒng)中地磁感應(yīng)電流導(dǎo)致系統(tǒng)主變飽和并產(chǎn)生大量諧波，造成SVC電容器組過(guò)載，SVC保護(hù)動(dòng)作，系統(tǒng)增加了無(wú)功需求，系統(tǒng)電壓失穩(wěn)，繼而導(dǎo)致整個(gè)魁北克系統(tǒng)的崩潰的大事故。1991年，在意大利阿爾俾斯山地區(qū)，發(fā)生兩次類似電力事故。一次是在一個(gè)2MW直流驅(qū)動(dòng)的雙纜滑雪纜道工程的驗(yàn)收測(cè)試時(shí)，引起電網(wǎng)癱瘓，直到一個(gè)12脈整流配電系統(tǒng)啟用才恢復(fù)正常。原因是:當(dāng)?shù)?/span>20kV的電網(wǎng)容量相對(duì)較小，諧波電流引起18%的電網(wǎng)電壓畸變。在美國(guó)，中西部電網(wǎng)也曾有過(guò)負(fù)載為諧波含量較高的調(diào)速系統(tǒng)雖沒(méi)有超過(guò)額定容量，仍引起主變失敗的報(bào)道。

上面列舉的這些電力系統(tǒng)安全事故表明，諧波的危害是不可忽視的。諧波的危害主要有:

①消耗無(wú)功、增加線路損耗;

②是激勵(lì)源，在一定條件下，可能使系統(tǒng)產(chǎn)生諧振;

③降低設(shè)備絕緣等級(jí)、加速絕緣老化;

④使電機(jī)產(chǎn)生附加力矩及損耗、影響計(jì)量準(zhǔn)確度;

⑤對(duì)通信系統(tǒng)(包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò))產(chǎn)生電磁干擾(EMI)等;

⑥影響繼電保護(hù)等裝置的可靠運(yùn)行;威脅用電設(shè)備及電網(wǎng)安全。

在我國(guó)，雖然目前電力電子裝置的應(yīng)用不如發(fā)達(dá)國(guó)家普及，但因感應(yīng)加熱裝置、電弧爐、變頻器的諧波引起電網(wǎng)嚴(yán)重污染，無(wú)法多臺(tái)設(shè)備同網(wǎng)應(yīng)用，測(cè)試儀器及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法正常運(yùn)行的事例也屢見(jiàn)不鮮。這一存在于電力系統(tǒng)的污染，隨著精細(xì)用電要求的迅速發(fā)展勢(shì)必會(huì)變得日益嚴(yán)重。據(jù)報(bào)道，我國(guó)發(fā)電量仍有10%左右尚未得到充分利用，線路的損耗高達(dá)20%，加之電網(wǎng)波動(dòng)而不得不采用裕量設(shè)計(jì)，系統(tǒng)效率較低，存在著很大的節(jié)能潛力。

圖2、圖3分別為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的工業(yè)變頻器和中頻感應(yīng)加熱電源網(wǎng)側(cè)電流及其頻譜圖，由圖可見(jiàn)，它們對(duì)電網(wǎng)具有嚴(yán)重的諧波污染作用(31)。其它非線性電氣設(shè)備同樣具有相似或其它特征的諧波污染能力(32)。

諧波對(duì)供電系統(tǒng)的危害已經(jīng)引起了人們廣泛的重視。許多國(guó)家及地區(qū)已經(jīng)制定了各自的諧波標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)也分別于1984年及1993年通過(guò)了“電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定”及GB/T-14549-93標(biāo)準(zhǔn)，用以限制供電系統(tǒng)及用電設(shè)備的諧波污染(10,11)。

2.2諧波的治理

對(duì)諧波的治理，傳統(tǒng)的方法主要采用被動(dòng)式的無(wú)源電力濾波(PPF, Passive Filter)技術(shù)，相對(duì)于成熟的信號(hào)濾波它的主要區(qū)別在于它要處理能量和濾波器阻抗的不匹配性。隨著電力電子、自動(dòng)控制和高速計(jì)算機(jī)等技術(shù)的迅速發(fā)展，有源電力濾波(APF, Active Filter)成為電力系統(tǒng)治理諧波的主要方法。APF通常要對(duì)電網(wǎng)和/或負(fù)載的諧波進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，通過(guò)不同的控制方案，利用高頻逆變器進(jìn)行諧波功率放大后，將不同補(bǔ)償目的點(diǎn)的諧波電壓、諧波電流抑制到足夠小的水平。與無(wú)源電力濾波器(PPF)相比，APF具有下列優(yōu)勢(shì)[1～8]:

①不會(huì)因制造誤差、設(shè)備老化、電網(wǎng)頻率變化造成濾波效果下降;

②不容易與電網(wǎng)產(chǎn)生諧振，而且具有諧振抑制作用，不會(huì)造成諧波放大;

③可以僅僅對(duì)諧波進(jìn)行抑制而不引入大的無(wú)功，或兼有諧波補(bǔ)償和無(wú)功補(bǔ)償功能;

④適應(yīng)于多種性質(zhì)(阻、感、容性)的負(fù)載，并可利用現(xiàn)有無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備容量;

⑤具有處理復(fù)雜頻譜諧波的能力。