電力有源濾波器技術(shù)發(fā)展狀況及問題探討

5電力有源濾波器的應(yīng)用

電力有源濾波器作為改善供電質(zhì)量的一項關(guān)鍵技術(shù)，在國外已日趨成熟。僅在日本就有500多臺APF投入運行，其容量已達到60MVA。在APF的應(yīng)用中，一般應(yīng)考慮以下幾個方面的問題：

(1)元件參數(shù)的選擇

首先是開關(guān)器件的選擇，對于容量小于2MVA的APF一般采用IGBT，而容量大于5MVA時可采用GTO及多重化技術(shù)；其次，為減小逆變器向電網(wǎng)注入的開關(guān)紋波又不降低APF的補償特性，電壓型逆變器的輸出電感及無源紋波濾波器應(yīng)仔細設(shè)計；最后，為保證逆變器直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，應(yīng)適當選擇直流側(cè)電容值。

(2)經(jīng)濟的考慮

APF的技術(shù)構(gòu)想早在70年代就已提出，但直到90年代APF技術(shù)才進入實際應(yīng)用，其中一個重要原因就在于APF的實際成本價格太高。因此在選擇應(yīng)用APF時必須考慮其成本價格。就當前技術(shù)水平而言，采用小額定值A(chǔ)PF結(jié)合無源濾波器的混合型電力有源濾波器是一種切實可行的方案。當然隨著開關(guān)器件和DSP芯片價格的下降，串_并聯(lián)電力有源濾波器也是很有發(fā)展前途的。

電力有源濾波器的研究與應(yīng)用，國內(nèi)遠落后于國外，除少數(shù)幾臺APF已投入工業(yè)試運行外，其它大部分尚處于研制階段。但隨著我國對電網(wǎng)諧波污染治理日益重視，“綠色電力電子”的呼聲愈來愈高，電力有源濾波器必然會得到廣泛地推廣應(yīng)用。

②只能補償固定的無功功率，對變化的無功負載不能進行精確補償；

③其濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)影響較大，并且其濾波特性有時很難與調(diào)壓要求相協(xié)調(diào)；

④重量與體積較大等等。

②只能補償固定的無功功率，對變化的無功負載不能進行精確補償；

③其濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)影響較大，并且其濾波特性有時很難與調(diào)壓要求相協(xié)調(diào)；

④重量與體積較大等等。

針對無源濾波技術(shù)的上述缺點，1976年，L·Gyugi提出用PWM逆變器構(gòu)成“電力有源濾波器”(activepowerfilter,簡稱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，并且能跟蹤補償各次諧波、自動產(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，相對體積重量較小等突出優(yōu)點，因而已成為電力諧波抑制和無功補償?shù)闹匾侄?。APF的推廣應(yīng)用也必將給我國電力工業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

本文首先簡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APF技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展狀況及應(yīng)用時應(yīng)考慮的一些問題作簡單介紹，以便引起大家對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，即指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路(由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和主電路三部分構(gòu)成)。

指令電流運算電路的功能主要是從負載電流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)生補償電流的指令信號ic=(iLh＋iLq)。電流跟蹤控制電路的功能是根據(jù)主電路產(chǎn)生的補償電流ico應(yīng)跟蹤ic的原則，計算出主電路各開關(guān)器件的觸發(fā)脈沖，此脈沖經(jīng)驅(qū)動電路后作用于主電路，產(chǎn)生補償電流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，從而達到消除諧波與進行無功補償?shù)哪康?。根?jù)同樣的原理，電力有源濾波器還能對不對稱三相電路的負序電流分量進行補償。

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)儲能元件的不同，可分為電壓型APF(儲能元件為電容)和電流型APF(儲能元件為電感)。電壓型APF在工作時需對直流側(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在工作時需對直流側(cè)電感電流進行控制，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)點是損耗較少，效率高，是目前國內(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)器件不會發(fā)生直通短路現(xiàn)象，隨著超導儲能磁體研究的進展，也將促進多功能電流型APF投入實用。

從上述原理可以看出，電力有源濾波器是運用瞬時濾波形成技術(shù)，對包含諧波和無功分量的非正弦波進行“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，對變化的諧波和無功功率都能實施動態(tài)補償，并且其補償特性受電網(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。當功率額定值較小時，其主電路可直接采用三相逆變器，而將直流側(cè)電容中點聯(lián)接到電源中點上。當負載功率較大時可用四橋臂的逆變器，將第四橋臂單獨用于補償中線；為了實現(xiàn)三相獨立調(diào)節(jié)，還可使用更復雜的三個單相橋式逆變器進行分別補償。有源線路調(diào)節(jié)器是向電網(wǎng)中的某個(或幾個)優(yōu)選節(jié)點注入消諧波補償電流，以達到在一定范圍內(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算和補償電流的產(chǎn)生。

(1)指令電流的運算

指令電流iC的運算方法主要有以下幾種：

①基于頻域運算的方法：這是最早應(yīng)用于指令電流運算的一類方法。其基本思想是用頻域濾波的方法(使用帶通濾波器)，首先分離負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，其濾波器特性對電網(wǎng)頻率波動和電路元件參數(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)字頻域濾波方法，并且能自動跟蹤電網(wǎng)頻率的波動而自適應(yīng)提取基波分量。但該方法仍存在較大時延、實時性較差、補償效果不好等問題。

②瞬時空間矢量法：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算方法。最早是由日本學者H·Akagi于1984年提出，僅適用于對稱三相電路，后經(jīng)不斷改進，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，僅適用于對稱三相且無畸變的電網(wǎng)；ip－iq法不僅對電源電壓畸變有效，而且也適用于不對稱三相電網(wǎng)；基于同步旋轉(zhuǎn)park變換的d－q法不僅簡化了對稱無畸變下的指令電流運算，而且也適用于不對稱、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，從負載電流中消去基波有功分量，從而得到所需的補償電流指令值。該方法的突出優(yōu)點是對電網(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)實現(xiàn)的自適應(yīng)檢測法。

(2)補償電流的產(chǎn)生

對于采用PWM電壓源逆變器的電力有源