電力有源濾波器技術(shù)發(fā)展狀況及問(wèn)題探討

隨著(zhù)大功率開(kāi)關(guān)器件的日益廣泛應用，電力系統諧波抑制及無(wú)功補償問(wèn)題變得日益迫切，電力有源濾波技術(shù)是解決上述問(wèn)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(lèi)和控制策略，并對電子有源濾波技術(shù)的國內外發(fā)展狀況和應用中應考慮的一些問(wèn)題作一些簡(jiǎn)要介紹。

1引言

電力電子技術(shù)是未來(lái)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要支柱，有人預言：電力電子技術(shù)連同運動(dòng)控制將和計算機技術(shù)一起成為21世紀最重要的兩大技術(shù)。然而，電力電子技術(shù)帶來(lái)方便、高效的巨大利益的同時(shí)，它的非線(xiàn)性、沖擊性和不平衡用電特性，也給公用電網(wǎng)的供電質(zhì)量造成嚴重污染，對公用電網(wǎng)注入大量的諧波和無(wú)功功率。另一方面，隨著(zhù)以計算機為代表的大量敏感設備的普及應用，人們對公用電網(wǎng)的供電質(zhì)量要求越來(lái)越高，對電網(wǎng)中的諧波含量及用電設備的功率因數提出了更嚴格的要求。

傳統的諧波抑制和無(wú)功補償方法是無(wú)源濾波技術(shù)，即使用由電力電容器等無(wú)源器件構成無(wú)源濾波器，該無(wú)源濾波器與需補償的非線(xiàn)性負載并聯(lián)，為諧波提供一個(gè)低阻通路的同時(shí)也提供負載所需要的無(wú)功功率。雖然無(wú)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；

針對無(wú)源濾波技術(shù)的上述缺點(diǎn)，1976年，L·Gyugi提出用PWM逆變器構成“電力有源濾波器”(activepowerfilter,簡(jiǎn)稱(chēng)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用。與無(wú)源濾波器相比，APF具有高度可控制和快速響應特性，并且能跟蹤補償各次諧波、自動(dòng)產(chǎn)生所需變化的無(wú)功功率，其特性不受系統影響，無(wú)諧波放大危險，相對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(wú)功補償的重要手段。APF的推廣應用也必將給我國電力工業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟效益和社會(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(lèi)：然后著(zhù)重介紹APF中已提出的幾種主要控制策略；最后，對APF技術(shù)的國內外發(fā)展狀況及應用時(shí)應考慮的一些問(wèn)題作簡(jiǎn)單介紹，以便引起大家對APF推廣應用的興趣。

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、驅動(dòng)電路和主電路三部分構成)。

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(wú)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主電路產(chǎn)生的補償電流ico應跟蹤ic的原則，計算出主電路各開(kāi)關(guān)器件的觸發(fā)脈沖，此脈沖經(jīng)驅動(dòng)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(jìn)行無(wú)功補償的目的。根據同樣的原理，電力有源濾波器還能對不對稱(chēng)三相電路的負序電流分量進(jìn)行補償。

電力有源濾波器的主電路一般由PWM逆變器構成。根據逆變器直流側儲能元件的不同，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(shí)需對直流側電容電壓控制，使直流側電壓維持不變，因而逆變器交流側輸出為PWM電壓波。而電流型APF在工作時(shí)需對直流側電感電流進(jìn)行控制，使直流側電流維持不變，因而逆變器交流側輸出為PWM電流波。電壓型APF的優(yōu)點(diǎn)是損耗較少，效率高，是目前國內外絕大多數APF采用的主電路結構。電流型APF由于電流側電感上始終有電流流過(guò)，該電流在電感內阻上將產(chǎn)生較大損耗，所以目前較少采用。但是電流型APF由于開(kāi)關(guān)器件不會(huì )發(fā)生直通短路現象，隨著(zhù)超導儲能磁體研究的進(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用瞬時(shí)濾波形成技術(shù)，對包含諧波和無(wú)功分量的非正弦波進(jìn)行“矯正”，這與基于穩態(tài)頻譜的“濾波”概念已有很大的不同，而類(lèi)似于自適應濾波技術(shù)中的“干擾抵消器”。因此，電力有源濾波器有很快的響應速度，對變化的諧波和無(wú)功功率都能實(shí)施動(dòng)態(tài)補償，并且其補償特性受電網(wǎng)阻抗參數影響較小。

3電力有源濾波器的分類(lèi)

(1)按電路拓樸結構分類(lèi)，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(lèi)型分類(lèi)，APF可分為單相APF、三相三線(xiàn)制APF、三相四線(xiàn)制APF及有源線(xiàn)路調節器(APLC)等。

三相四線(xiàn)制APF主要是為了補償電源中線(xiàn)上的電流諧波、無(wú)功功率及三相之間的不平衡問(wèn)題。當功率額定值較小時(shí)，其主電路可直接采用三相逆變器，而將直流側電容中點(diǎn)聯(lián)接到電源中點(diǎn)上。當負載功率較大時(shí)可用四橋臂的逆變器，將第四橋臂單獨用于補償中線(xiàn)；為了實(shí)現三相獨立調節，還可使用更復雜的三個(gè)單相橋式逆變器進(jìn)行分別補償。有源線(xiàn)路調節器是向電網(wǎng)中的某個(gè)(或幾個(gè))優(yōu)選節點(diǎn)注入消諧波補償電流，以達到在一定范圍內電網(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：這是最早應用于指令電流運算的一類(lèi)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(wú)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(dòng)和電路元件參數也較敏感。所以該方法已較少采用，而轉向以快速付里葉變換為基礎的全數字頻域濾波方法，并且能自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)頻率的波動(dòng)而自適應提取基波分量。但該方法仍存在較大時(shí)延、實(shí)時(shí)性較差、補償效果不好等問(wèn)題。

②瞬時(shí)空間矢量法：基于無(wú)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用最廣的一種指令電流運算方法。最早是由日本學(xué)者H·Akagi于1984年提出，僅適用于對稱(chēng)三相電路，后經(jīng)不斷改進(jìn)，現已包括p－q法、ip－iq法以及d－q法等。p－q法最早應用，僅適用于對稱(chēng)三相且無(wú)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(chēng)三相電網(wǎng)；基于同步旋轉park變換的d－q法不僅簡(jiǎn)化了對稱(chēng)無(wú)畸變下的指令電流運算，而且也適用于不對稱(chēng)、有畸變的電網(wǎng)。

③基于現代控制理論的方法：最早應用的有基于P－I控制器的方法，因P－I控制器的特性不能適應負載及電網(wǎng)的變化，后來(lái)又提出了基于滑?？刂萍澳：刂频痊F代控制方法。它們都是直接根據逆變器直流側的電壓(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自適應檢測法：該方法基于自適應濾波中的自適應干擾抵消原理，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(diǎn)是對電網(wǎng)電壓畸變、頻率偏移及電網(wǎng)參數變化有較好的自適應調整能力，但目前其動(dòng)態(tài)響應速度還較慢。后來(lái)又提出了用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現的自適應檢測法。

(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濾波器，其補償電流的產(chǎn)生方法目前主要有以下三種：

①三角載波線(xiàn)性控制。這是一種最簡(jiǎn)單的線(xiàn)性控制方法。它以指令電流ic與實(shí)際補償電流ico之間的差值作為調整信號，與高頻三角載波相比較，從而得到逆變器開(kāi)關(guān)器件所需的控制信號。其優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應好，開(kāi)關(guān)頻率固定，電路簡(jiǎn)單。其缺點(diǎn)是開(kāi)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(lái)控制逆變器的開(kāi)關(guān)器件。與三角載波控制方式相比，該方法開(kāi)關(guān)損耗小，動(dòng)態(tài)響應快。但是，該方法使開(kāi)關(guān)頻率變化較大，容易引起脈沖電流和開(kāi)關(guān)噪聲。后來(lái)，為限定開(kāi)關(guān)頻率的最大值而提出了變滯環(huán)帶寬改進(jìn)算法，這必將影響響應速度和補償電流跟蹤精度。③無(wú)差拍控制。該方法是一種全數字化的控制