電力有源濾波技術

2017-04-11 10:58:28 大云網　點擊量：評論 (0)

核心提示：　　技術研究電力有源濾波技術吳正國海軍工程大學430030武漢源濾波器得到廣泛應用。本文介紹電力有源濾波技術的基本原理與分類、幾種已被提出的主要控制策略，以及APF技術的國內外發展狀況及應用中應考

核心提示：　　技術研究電力有源濾波技術吳正國海軍工程大學430030武漢源濾波器得到廣泛應用。本文介紹電力有源濾波技術的基本原理與分類、幾種已被提出的主要控制策略，以及APF技術的國內外發展狀況及應用中應考慮的

　　技術研究電力有源濾波技術吳正國海軍工程大學430030武漢源濾波器得到廣泛應用。本文介紹電力有源濾波技術的基本原理與分類、幾種已被提出的主要控制策略，以及APF技術的國內外發展狀況及應用中應考慮的一些問題。

　　收稿圖基本的電力有源濾波器系統圖電力有源濾波器系統主要由兩大部分組成，電力電子技術是未來科學技術發展的重要支柱。有人預言：電力電子技術連同運動控制將和計算機技術=起成為21世紀最重要的兩大技術。

　　然而，電力電子技術帶來方便、高效和巨大利益的同時，它的非線性、沖擊性和不平衡用電特性，也給公用電網的供電造成嚴重污染，對公用電網注人大量的諧波和無功功率。另一方面，隨著以計算機為代表的大量敏感設備的普遍應用，人們對公用電網的供電質量要求越來越高，對電網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。

　　本文首先簡要介紹電力有源濾波技術的基本原理和分類；然后著重介紹電力有源濾波器中的已提出的幾種主要控制策略；最后，對APF技術的國內外發展狀況及應用時應考慮的一些問題作簡單介紹，以期引起大家對電力有源濾波器推廣應用的興趣。

　　1電力有源濾波器的基本原理所示為最基本的電力有源濾波器系統構成的原理圖。圖中，/s表示交流電源，負載為非線性負載，它產生諧波并消耗無功功率。

　　即指令電流運算電路和補償電流發生電路（由電流跟蹤控制電路、驅動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中分離出諧波電流分量和基波無功電流分量iLv然后將其反極性作用后產生補償電流的指令信號=-（iU +h）。電流跟蹤控制電路的功能是根據主電路產生的補償電流~應跟蹤的原則，計算出主電路各開關器件的觸發脈沖。

　　此脈沖經驅動電路后作用于主電路，產生補償電2mlk.即電源電流中只含有基波的有功分量p，從而達到消除諧波與進行無功補償的目的。

　　根據同樣原理，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在工作時需對直流側電感電流進行控制，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的優點是損耗較少，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，該電流在電感內阻上將產生較大損耗，所以目前較少采用。但是電流型APF由于開關器件不會發生直通短路現象，隨著超導儲能磁體研究的進展，也將促進更多的電流型APF投人實用。

　　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，對包含諧波和無功分量的非正弦波形進行“矯正”。這與基于穩態頻譜的器有很快的響應速度，對變化的諧波和無功功率都能實施動態補償，并且其補償特性受電網阻抗參數影響較小。

　　2電力有源濾波器的分類按電路拓撲結構分類，電力有源濾波器可分為并聯型、串聯型、串-并聯型和混合型。

　　混合型APF所示即為并聯型APF.它主要適用于電流源型非線性負載的諧波電流抵消、無功補償以及平衡三相系統中的不平衡電流等。目前并聯型APF在技術上已較成熟，它也是當前應用最廣泛的一種APF拓撲結構。

　　并聯型APF除了以逆變器作為補償電路的結構外，近年又提出了分別以開關電容濾波器，*T*形濾波器或調壓器為補償電路的新結構。這些新電路結構的突出優點是產生的補償電流中高頻諧波較少，電磁兼容性能較好。但目前它們還只適用于單相電路補償。

　　所示為串聯型APF的基本結構。它通過一個匹配變壓器，將APF串聯于電源和負載之間，以消除電壓諧波，平衡或調整負載的端電壓。

　　與并聯型APF相比，串聯型APF損耗較大，且各種保護電路也較復雜。因此，很少研究單獨使用的串聯型APF，而大多數將它作為混合型APF的一部分予以研究。

　　所示為混合型APF的基本結構。它是在串聯型APF的基礎上使用一些大容量的無源L-C濾波網絡來承擔消除低次諧波，進行無功補償的任務，而串聯型APF只承擔消除高次諧振及阻尼無源LC網絡與線路阻抗產生的諧波諧振的任務。從而使串聯型APF的電流、電壓額定值大大減少（功率容量可減少到負載容量的5%以下），降低了APF的成本和體積。從經濟角度而言，這種結構形式在目前是一種值得推薦的方案。

　　但隨著電力電子器件性能的不斷提高，成本不斷串聯APF并聯APF下降，混合型APF可能被下面一種性能價格比更高的APF代替。

　　串-并聯APF所示為串-并型APF的基本結構。它組合了串聯APF和并聯APF的優點，能解決電氣系統發生的大多數電能質量問題，所以又稱之為萬能APF或統一電能質量調節器（UPQC）。該類APF尚處在試驗階段，當前它的主要問題是控制復雜、造價較高。

　　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及有源線路調節器（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廒。當功率額定值較小時，其主電路可直接采用三相逆變器，而將直流側電容中點聯接到電源中點上。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。為了實現三相獨立調節，還可使用更復雜的三個單相橋式逆變器進行分別補償。

　　有源線路調節器是向電網中的某個（或幾個）優選節點注入消諧波補償電流，以達到在一定范圍內的電網的電能質量綜合治理。目前更高層次的電力有源濾波技術在國外尚處于研究階段。

　　3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生。

　　（1）指令電流的運算。指令電流L的運算方法主要有以下幾種：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i侖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。由于需采用銳截止的篼階帶通濾波器，所以附加相移較大。另外，其濾波器特性對電網頻率波動和電路元件參數也較敏感。所以該方法已較少采用，而轉向以快速傅里葉變換為基礎的全數字頻域濾波方法，并且能自動跟蹤電網頻率的波動而自適應地提取基波分量。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。

　　瞬時空間矢量法：基于瞬時無功功率理論的瞬時空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。最早是由日本學者H*Akagi于1984年提出，僅適用于對稱三相電路，后經過不斷地改進，現已包括P-q法、ip-iq法以及d-p法等。p-q法最早應用，僅適用于對稱三相且無畸變的電網；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；基于同步旋轉park變換的d-p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。

　　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的變化，后來又提出了基于滑模控制及模糊控制等現代控制方法。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），求出所需的電網電流的基波有功分量幅值，從而求得所需補償電流的指令值i……這種方法適用于單相和三相APF，也適用于電網電壓畸變的情況。

　　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。該方法的突出優點是對電網電壓畸變、頻率偏移及電網參數變化有較好的自適應調整能力，但目前其動態響應速度還較慢。后來又提出了用神經網絡實現的自適應檢測法。

　　源逆變器的電力有源濾波器，其補償電流的產生方法目前主要有以下四種：三角載波線性控制。這是一種最簡單的線性控制方法。它以指令電流與實際補償電流L之間的差值作為調制信號，與高頻三角載波相比較，從而得到逆變器開關器件所需的控制信號。其優點是動態響應好，開關頻率固定，電路簡單。

　　其缺點是開關損耗較大，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。

　　滯環比較控制。該方法將指令電流值與實際補償電流的差值輸入到具有滯環特性的比較器中，然后用比較器的輸出來控制逆變器的開關器件。與三角載波控制方式相比，該方法開關損耗'小，動態響應快。但是，該方法使開關頻率變化較大，容易引起脈沖電流和開關噪聲。后來，為限定開關頻率的最大值而提出了變滯環帶寬的改進算法，這必將影響響應速度和補償電流跟蹤精度。

　　無差拍控制。該方法是一種全數字化的控制技術。它利用前一時刻的指令電流值和實際補償電流值，根據空間矢量理論計算出逆變器下一時刻應滿足的開關模式。其優點是動態響應很快，易于計算機執行。但其缺點是計算量大，且對系統參數依賴性較大。后來，又有一些簡化其計算的改進方法出現。隨著數字信號處理單片機（DSP）應用的不斷普及，這是一種很有前途的控制方法。

　　非線性控制。為了適應帶非線性負載的交流電網的非線性特性，以達到諧波抵消和無功補償的最佳效果，近年來，又提出了內模控制、滑模1控制及神經網絡控制等非線性控制方法應用于補償電流產生的方案。這些非線性控制方案具有良好的應用前景，但在各種負載條件下的補償特性尚需進一步研究。

　　上述控制策略，只是迄今為止筆者所見到的幾種主要方法。有關APF的控制策略正隨著DSP技術和智能控制理論的發展不斷涌現。隨著控制策略的改進，APF的特性也將不斷提高，而相應的價格也必將下降。

　　4電力有源濾波器的應用電力有源濾波器作為改善供電質量的一項關鍵技術，在國外已日趨成熟。僅在日本就有500多臺APF投人運行，其容量已達160MVA.在APF的應用中，一般應考慮以下幾個方面的問題：元件參數的選擇。首先是開關器件的選擇，對于容量小于2MVA的APF―般采用IG-BT，而容量大于5MVA時可采用GTO及多重化技術；其次，為減小逆變器向電網注人的開關紋波又不降低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仔細設計；最后，為保證逆變器直流側電壓的穩定，應適當選擇直流側電容值。

　　世紀70年代就已提出，但直到90年代APF技術才進入實際應用，其中一個重要原因就在于APF的實際成本價格太高。因此，在選擇應用APF時，必須考慮其成本價格。起碼就當前技術水平而言，采用小額定值的APF結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。當然隨著開關器件價格的下降和DSP芯片成本的下降，串：并聯電力有源濾波器也是很有發展前途的。

　　APF類型的選擇。APF的應用應根據不同的應用目標選擇不同的電力有源濾波器。國外2000年根據目前技術水平推薦的一種選擇方案如表1所示，可供應用時。（表中“I”表示首表1電力有源濾波器類型的選擇\\型應用\\串聯型并聯型混合型串-并聯型APF電流i皆波無功功率負載平衡中線電流電壓諧波電壓平衡電壓閃變電壓跌落電壓調節對于電力有源濾波器的研究與應用，國內遠落后于國外。除少數幾臺APF已投入工業試運行外，其它大部分尚處于研制階段。但隨著我國對電網諧波污染治理的日益重視，“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推廣。