電力有源濾波器技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及問題探討

隨著大功率開關(guān)器件的日益廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)諧波抑制及無功補(bǔ)償問題變得日益迫切，電力有源濾波技術(shù)是解決上述問題的有效手段。本文簡(jiǎn)要介紹電力有源濾波技術(shù)的原理、分類和控制策略，并對(duì)電子有源濾波技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r和應(yīng)用中應(yīng)考慮的一些問題作一些簡(jiǎn)要介紹。

1引言

電力電子技術(shù)是未來科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要支柱，有人預(yù)言：電力電子技術(shù)連同運(yùn)動(dòng)控制將和計(jì)算機(jī)技術(shù)一起成為21世紀(jì)最重要的兩大技術(shù)。然而，電力電子技術(shù)帶來方便、高效的巨大利益的同時(shí)，它的非線性、沖擊性和不平衡用電特性，也給公用電網(wǎng)的供電質(zhì)量造成嚴(yán)重污染，對(duì)公用電網(wǎng)注入大量的諧波和無功功率。另一方面，隨著以計(jì)算機(jī)為代表的大量敏感設(shè)備的普及應(yīng)用，人們對(duì)公用電網(wǎng)的供電質(zhì)量要求越來越高，對(duì)電網(wǎng)中的諧波含量及用電設(shè)備的功率因數(shù)提出了更嚴(yán)格的要求。

傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償方法是無源濾波技術(shù)，即使用由電力電容器等無源器件構(gòu)成無源濾波器，該無源濾波器與需補(bǔ)償?shù)姆蔷€性負(fù)載并聯(lián)，為諧波提供一個(gè)低阻通路的同時(shí)也提供負(fù)載所需要的無功功率。雖然無源濾波器具有簡(jiǎn)單、方便的優(yōu)點(diǎn)，但它也存在如下缺點(diǎn)：

①只能抑制固定的幾次諧波，并對(duì)某次諧波在一定條件下會(huì)產(chǎn)生諧振而使諧波放大；

針對(duì)無源濾波技術(shù)的上述缺點(diǎn)，1976年，L·Gyugi提出用PWM逆變器構(gòu)成“電力有源濾波器”(activepowerfilter,簡(jiǎn)稱APF)。80年代以后，由于電力電子器件及其控制技術(shù)的發(fā)展，APF技術(shù)的發(fā)展逐步走向成熟，在國(guó)外已得到廣泛應(yīng)用。與無源濾波器相比，APF具有高度可控制和快速響應(yīng)特性，并且能跟蹤補(bǔ)償各次諧波、自動(dòng)產(chǎn)生所需變化的無功功率，其特性不受系統(tǒng)影響，無諧波放大危險(xiǎn)，相對(duì)體積重量較小等突出優(yōu)點(diǎn)，因而已成為電力諧波抑制和無功補(bǔ)償?shù)闹匾侄?。APF的推廣應(yīng)用也必將給我國(guó)電力工業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

本文首先簡(jiǎn)要介紹電力有源濾波技術(shù)的基本原理和分類：然后著重介紹APF中已提出的幾種主要控制策略；最后，對(duì)APF技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r及應(yīng)用時(shí)應(yīng)考慮的一些問題作簡(jiǎn)單介紹，以便引起大家對(duì)APF推廣應(yīng)用的興趣。

2電力有源濾波器的基本原理

電力有源濾波器系統(tǒng)主要由兩大部分組成，即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路(由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路三部分構(gòu)成)。

指令電流運(yùn)算電路的功能主要是從負(fù)載電流iL中分離出諧波電流分量iLh和基波無功電流iLg，然后將其反極性作用后發(fā)生補(bǔ)償電流的指令信號(hào)ic=(iLh＋iLq)。電流跟蹤控制電路的功能是根據(jù)主電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流ico應(yīng)跟蹤ic的原則，計(jì)算出主電路各開關(guān)器件的觸發(fā)脈沖，此脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后作用于主電路，產(chǎn)生補(bǔ)償電流ico，由于ic≈ico,所以

iS=iL＋ic=iL＋ico

=iL－（iLh＋iLq）=iLp即電源電流iS中只含有基波的有功分量iLp，從而達(dá)到消除諧波與進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)哪康摹８鶕?jù)同樣的原理，電力有源濾波器還能對(duì)不對(duì)稱三相電路的負(fù)序電流分量進(jìn)行補(bǔ)償。

電力有源濾波器的主電路一般由PWM逆變器構(gòu)成。根據(jù)逆變器直流側(cè)儲(chǔ)能元件的不同，可分為電壓型APF(儲(chǔ)能元件為電容)和電流型APF(儲(chǔ)能元件為電感)。電壓型APF在工作時(shí)需對(duì)直流側(cè)電容電壓控制，使直流側(cè)電壓維持不變，因而逆變器交流側(cè)輸出為PWM電壓波。而電流型APF在工作時(shí)需對(duì)直流側(cè)電感電流進(jìn)行控制，使直流側(cè)電流維持不變，因而逆變器交流側(cè)輸出為PWM電流波。電壓型APF的優(yōu)點(diǎn)是損耗較少，效率高，是目前國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)APF采用的主電路結(jié)構(gòu)。電流型APF由于電流側(cè)電感上始終有電流流過，該電流在電感內(nèi)阻上將產(chǎn)生較大損耗，所以目前較少采用。但是電流型APF由于開關(guān)器件不會(huì)發(fā)生直通短路現(xiàn)象，隨著超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體研究的進(jìn)展，也將促進(jìn)多功能電流型APF投入實(shí)用。

從上述原理可以看出，電力有源濾波器是運(yùn)用瞬時(shí)濾波形成技術(shù)，對(duì)包含諧波和無功分量的非正弦波進(jìn)行“矯正”，這與基于穩(wěn)態(tài)頻譜的“濾波”概念已有很大的不同，而類似于自適應(yīng)濾波技術(shù)中的“干擾抵消器”。因此，電力有源濾波器有很快的響應(yīng)速度，對(duì)變化的諧波和無功功率都能實(shí)施動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，并且其補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗參數(shù)影響較小。

3電力有源濾波器的分類

(1)按電路拓樸結(jié)構(gòu)分類，電力有源濾波器可分為并聯(lián)型、串聯(lián)型、串－并聯(lián)型和混合型。

(2)按電源類型分類，APF可分為單相APF、三相三線制APF、三相四線制APF及有源線路調(diào)節(jié)器(APLC)等。

三相四線制APF主要是為了補(bǔ)償電源中線上的電流諧波、無功功率及三相之間的不平衡問題。當(dāng)功率額定值較小時(shí)，其主電路可直接采用三相逆變器，而將直流側(cè)電容中點(diǎn)聯(lián)接到電源中點(diǎn)上。當(dāng)負(fù)載功率較大時(shí)可用四橋臂的逆變器，將第四橋臂單獨(dú)用于補(bǔ)償中線；為了實(shí)現(xiàn)三相獨(dú)立調(diào)節(jié)，還可使用更復(fù)雜的三個(gè)單相橋式逆變器進(jìn)行分別補(bǔ)償。有源線路調(diào)節(jié)器是向電網(wǎng)中的某個(gè)(或幾個(gè))優(yōu)選節(jié)點(diǎn)注入消諧波補(bǔ)償電流，以達(dá)到在一定范圍內(nèi)電網(wǎng)的電能質(zhì)量綜合治理。目前更高層次的電力有源濾波技術(shù)在國(guó)外尚處于研究階段。

4電力有源濾波器的控制

如上所述，電力有源濾波器的控制主要是指令電流的運(yùn)算和補(bǔ)償電流的產(chǎn)生。

(1)指令電流的運(yùn)算

指令電流iC的運(yùn)算方法主要有以下幾種：

①基于頻域運(yùn)算的方法：這是最早應(yīng)用于指令電流運(yùn)算的一類方法。其基本思想是用頻域?yàn)V波的方法(使用帶通濾波器)，首先分離負(fù)載電流中的基波分量和諧波分量，然后再使用電路理論中的計(jì)算方法將基波電流分解為基波有功分量和基波無功分量。由于需要采用銳截止的高階帶通濾波器，所以附加相移較大。另外，其濾波器特性對(duì)電網(wǎng)頻率波動(dòng)和電路元件參數(shù)也較敏感。所以該方法已較少采用，而轉(zhuǎn)向以快速付里葉變換為基礎(chǔ)的全數(shù)字頻域?yàn)V波方法，并且能自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)頻率的波動(dòng)而自適應(yīng)提取基波分量。但該方法仍存在較大時(shí)延、實(shí)時(shí)性較差、補(bǔ)償效果不好等問題。

②瞬時(shí)空間矢量法：基于無功功率理論的瞬間矢量法是目前三相電力有源濾波器中應(yīng)用最廣的一種指令電流運(yùn)算方法。最早是由日本學(xué)者H·Akagi于1984年提出，僅適用于對(duì)稱三相電路，后經(jīng)不斷改進(jìn)，現(xiàn)已包括p－q法、ip－iq法以及d－q法等。p－q法最早應(yīng)用，僅適用于對(duì)稱三相且無畸變的電網(wǎng)；ip－iq法不僅對(duì)電源電壓畸變有效，而且也適用于不對(duì)稱三相電網(wǎng)；基于同步旋轉(zhuǎn)park變換的d－q法不僅簡(jiǎn)化了對(duì)稱無畸變下的指令電流運(yùn)算，而且也適用于不對(duì)稱、有畸變的電網(wǎng)。

③基于現(xiàn)代控制理論的方法：最早應(yīng)用的有基于P－I控制器的方法，因P－I控制器的特性不能適應(yīng)負(fù)載及電網(wǎng)的變化，后來又提出了基于滑?？刂萍澳：刂频痊F(xiàn)代控制方法。它們都是直接根據(jù)逆變器直流側(cè)的電壓(電壓型APF)或電流(電流型APF)，求出所需的電網(wǎng)電流的基波有功分量幅值，從而求出所需補(bǔ)償電流的指令值ic。這種方法適用于單相和三相APF，也適用于電網(wǎng)電壓畸變的情況。

④自適應(yīng)檢測(cè)法：該方法基于自適應(yīng)濾波中的自適應(yīng)干擾抵消原理，從負(fù)載電流中消去基波有功分量，從而得到所需的補(bǔ)償電流指令值。該方法的突出優(yōu)點(diǎn)是對(duì)電網(wǎng)電壓畸變、頻率偏移及電網(wǎng)參數(shù)變化有較好的自適應(yīng)調(diào)整能力，但目前其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度還較慢。后來又提出了用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的自適應(yīng)檢測(cè)法。

(2)補(bǔ)償電流的產(chǎn)生

對(duì)于采用PWM電壓源逆變器的電力有源濾波器，其補(bǔ)償電流的產(chǎn)生方法目前主要有以下三種：

①三角載波線性控制。這是一種最簡(jiǎn)單的線性控制方法。它以指令電流ic與實(shí)際補(bǔ)償電流ico之間的差值作為調(diào)整信號(hào)，與高頻三角載波相比較，從而得到逆變器開關(guān)器件所需的控制信號(hào)。其優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，開關(guān)頻率固定，電路簡(jiǎn)單。其缺點(diǎn)是開關(guān)損耗較大，且輸出波形中含有載波頻率及其諧波頻率的高頻畸變分量。

②滯環(huán)比較控制。該方法將指令電流與實(shí)際補(bǔ)償電流的差值輸入到具有滯環(huán)特性的比較器中，然后用比較器的輸出來控制逆變器的開關(guān)器件。與三角載波控制方式相比，該方法開關(guān)損耗小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。但是，該方法使開關(guān)頻率變化較大，容易引起脈沖電流和開關(guān)噪聲。后來，為限定開關(guān)頻率的最大值而提出了變滯環(huán)帶寬改進(jìn)算法，這必將影響響應(yīng)速度和補(bǔ)償電流跟蹤精度。③無差拍控制。該方法是一種全數(shù)字化的控制