有源濾波器在改善電能質(zhì)量方面的應用

1引言

電力負載向復雜和多樣性的方向發(fā)展，特別是非線(xiàn)性負載的日益廣泛的應用，電能質(zhì)量有明顯惡化的趨勢。它與工業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提高對電能質(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，目前電力系統的可控性普遍較差，實(shí)現靈活、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(cháng)足發(fā)展，利用大功率開(kāi)關(guān)器件、高速計算機技術(shù)實(shí)現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)在電力系統中的應用是電力系統可控化和電力電子裝置大功率化發(fā)展的必然趨勢。

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，還包括對潮流、保護、援助等的有效控制。常見(jiàn)的電能質(zhì)量問(wèn)題的現象如圖1所示(1-8)。

電能質(zhì)量的每個(gè)方面都應包含在FACTS(柔性交流輸電系統)這一概念中(1,8,12,13)。它最初由美國電力科學(xué)研究院(EPRI)于80年代末提出，即在輸電系統中，利用電力電子技術(shù)(包括功率開(kāi)關(guān)、高速計算、控制等)對電力系統的重要參數:如無(wú)功、諧波、電壓幅度、相間對稱(chēng)度、頻率、電抗和功率流等進(jìn)行調整和控制。FACTS系統將在功率潮流控制、負荷率、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中的應用主要有:SVC/SVG(靜態(tài)無(wú)功補償/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(xiàn)路調整)、UAPLC(多功能電力線(xiàn)路調整)、無(wú)觸點(diǎn)保護等。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)題的應用。

顧名思義，“濾波”是針對諧波而言的，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)功補償、相間對稱(chēng)校正等。其次，在時(shí)域和頻域分解的觀(guān)點(diǎn)上，電能質(zhì)量的諸多問(wèn)題與諧波是統一的，僅作用頻率不同，如:基波頻率整數倍的分量為通常意義上的諧波;分數倍、非整數倍分量分別稱(chēng)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)際系統中，僅考慮無(wú)功補償可能因諧波而導致系統不穩定(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(chēng)為AF(Active Filter)、APLC/PLC、APQC(有源電能質(zhì)量控制)、IRPC(瞬時(shí)無(wú)功補償)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，如調速系統、感應加熱、整流設備、電弧爐、開(kāi)關(guān)電源等的大量應用，給電網(wǎng)引入大量諧波。這對供電系統及其它設備產(chǎn)生不良影響,甚至可能造成電力系統癱瘓。

1989年3月，由于磁暴，加拿大魁北克系統中地磁感應電流導致系統主變飽和并產(chǎn)生大量諧波，造成SVC電容器組過(guò)載，SVC保護動(dòng)作，系統增加了無(wú)功需求，系統電壓失穩，繼而導致整個(gè)魁北克系統的崩潰的大事故。1991年，在意大利阿爾俾斯山地區，發(fā)生兩次類(lèi)似電力事故。一次是在一個(gè)2MW直流驅動(dòng)的雙纜滑雪纜道工程的驗收測試時(shí)，引起電網(wǎng)癱瘓，直到一個(gè)12脈整流配電系統啟用才恢復正常。原因是:當地20kV的電網(wǎng)容量相對較小，諧波電流引起18%的電網(wǎng)電壓畸變。在美國，中西部電網(wǎng)也曾有過(guò)負載為諧波含量較高的調速系統雖沒(méi)有超過(guò)額定容量，仍引起主變失敗的報道。

上面列舉的這些電力系統安全事故表明，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(xiàn)路損耗;

②是激勵源，在一定條件下，可能使系統產(chǎn)生諧振;

③降低設備絕緣等級、加速絕緣老化;

④使電機產(chǎn)生附加力矩及損耗、影響計量準確度;

⑤對通信系統(包括計算機網(wǎng)絡(luò ))產(chǎn)生電磁干擾(EMI)等;

⑥影響繼電保護等裝置的可靠運行;威脅用電設備及電網(wǎng)安全。

在我國，雖然目前電力電子裝置的應用不如發(fā)達國家普及，但因感應加熱裝置、電弧爐、變頻器的諧波引起電網(wǎng)嚴重污染，無(wú)法多臺設備同網(wǎng)應用，測試儀器及計算機網(wǎng)絡(luò )在現場(chǎng)無(wú)法正常運行的事例也屢見(jiàn)不鮮。這一存在于電力系統的污染，隨著(zhù)精細用電要求的迅速發(fā)展勢必會(huì )變得日益嚴重。據報道，我國發(fā)電量仍有10%左右尚未得到充分利用，線(xiàn)路的損耗高達20%，加之電網(wǎng)波動(dòng)而不得不采用裕量設計，系統效率較低，存在著(zhù)很大的節能潛力。

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

諧波對供電系統的危害已經(jīng)引起了人們廣泛的重視。許多國家及地區已經(jīng)制定了各自的諧波標準。我國也分別于1984年及1993年通過(guò)了“電力系統諧波管理暫行規定”及GB/T-14549-93標準，用以限制供電系統及用電設備的諧波污染(10,11)。

2.2諧波的治理

對諧波的治理，傳統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)，相對于成熟的信號濾波它的主要區別在于它要處理能量和濾波器阻抗的不匹配性。隨著(zhù)電力電子、自動(dòng)控制和高速計算機等技術(shù)的迅速發(fā)展，有源電力濾波(APF, Active Filter)成為電力系統治理諧波的主要方法。APF通常要對電網(wǎng)和/或負載的諧波進(jìn)行實(shí)時(shí)計算，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[1～8]:

①不會(huì )因制造誤差、設備老化、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?xún)H僅對諧波進(jìn)行抑制而不引入大的無(wú)功，或兼有諧波補償和無(wú)功補償功能;

④適應于多種性質(zhì)(阻、感、容性)的負載，并可利用現有無(wú)功補償設備容量;

⑤具有處理復雜頻譜諧波的能力。