有源電力濾波器(APF)的抗干擾技術(shù)介紹

1 引言
隨著電力電子(PE)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對電力系統(tǒng)供電的可靠性、安全性以及電能的質(zhì)量，提出了越來越高的要求。然而，電網(wǎng)中存在包括化工、冶金、煤礦及家用電器等大量非線性負荷與沖擊負荷，尤其是大功率變流設(shè)備、晶閘管整流裝置、電弧爐等負荷，導(dǎo)致電網(wǎng)中暫態(tài)沖擊、無功功率、高次諧波及三相不平衡等問題日趨嚴重，對電網(wǎng)造成污染，增大能量損耗，劣化供電質(zhì)量，不利于電力系統(tǒng)發(fā)、供、用電設(shè)備的安全、經(jīng)濟運行。特別是高次諧波的干擾，已構(gòu)成當(dāng)前電網(wǎng)中影響電能質(zhì)量的一大“公害”。因此，解決電力系統(tǒng)諧波抑制及無功補償、確保供電的質(zhì)量，已成為大家關(guān)注的熱門課題。

2 高次諧波的危害及現(xiàn)代控制系統(tǒng)的要求
電力系統(tǒng)中三相交流發(fā)電機輸出的電壓，其波形基本為正弦波，即波形中近似無直流及高次諧波分量。就基波而言是對稱分量，三相向量之和為零，對外不形成電磁場。但諧波電流分量則因三相向量之和不為零，能形成較強的磁場，對電網(wǎng)產(chǎn)生各種有害的影響。

2.1 對電能質(zhì)量的影響
非線性負荷是諧波源，向電網(wǎng)注入整倍數(shù)于基波頻率的諧波電流分量。這些諧波電流在電網(wǎng)上產(chǎn)生諧波壓降，從而引起電網(wǎng)電壓和電流的波形畸變，導(dǎo)致電能質(zhì)量的劣化。

2.2 對配電網(wǎng)的影響
在有色金屬導(dǎo)體中，基波電流的分布可近似認為在整個截面內(nèi)是均勻的。通過諧波電流時，由于集膚效應(yīng)電流集中在導(dǎo)體表面薄層，增大了諧波電流回路的電阻，使導(dǎo)體的有效電阻增加，導(dǎo)致電網(wǎng)的功率損耗和能量損耗加大。高次諧波還可能使電力系統(tǒng)發(fā)生電壓諧振，從而在線路上引起高電壓，有可能擊穿線路設(shè)備的絕緣。

2.3 對電力系統(tǒng)功率因數(shù)的影響
由于設(shè)備實際的功率因數(shù)小于設(shè)備在理想條件下的功率因數(shù)，故高次諧波增加了用電設(shè)備消耗的功率，降低了系統(tǒng)的功率因數(shù)。

2.4 變頻調(diào)速系統(tǒng)的要求
變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)的變頻器，因具有高效節(jié)能的特點而成為交流傳動中的重要組成部分，但變頻器的整流橋?qū)﹄娋W(wǎng)來說是非線性負荷，其逆變器又大多采用PWM技術(shù)，當(dāng)工作于開關(guān)模式并作高速切換時會產(chǎn)生大量的耦合性噪聲，EMI嚴重，致使變頻器運行于惡劣的電磁環(huán)境，其輸入和輸出側(cè)的電壓、電流含較多的高次諧波。故變頻器運行時既要防止外界干擾它，又要防止它干擾外界，即實現(xiàn)所謂的電磁兼容性(EMC)。

2.5 現(xiàn)代交流電機控制系統(tǒng)的要求
隨著新的PE變換器拓撲結(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)，要求的計算量和控制功能大幅度增加。隨著PE裝置高壓大容量化的發(fā)展，DSP(數(shù)字信號處理器)控制技術(shù)的應(yīng)用將愈益廣泛。然而，PE系統(tǒng)和電機控制系統(tǒng)的電磁環(huán)境往往較為復(fù)雜，且因運行頻率很高，DSP的抗干擾能力通常比微處理器更弱。因此，提高DSP及周邊電路的抗干擾能力，對于保證系統(tǒng)的可靠運行密切相關(guān)，電網(wǎng)的“凈化”是現(xiàn)代PE系統(tǒng)及交流電機控制系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)用的重要前提。

3 抑制高次諧波的主要指標

3.1 加裝交流濾波裝置(無源濾波器)
在配電系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法是將無源電力濾波器與需補償?shù)姆蔷€性負荷并聯(lián)，為諧波提供一個低阻通路的同時，也提供負載所需的無功功率，這是最常見和實用的方法。該裝置利用電感和電容器貯能元件。根據(jù)諧振原理，通過濾波電路對需要消除的高次諧波進行調(diào)諧，使之發(fā)生諧振。以便其在諧振時得到阻抗最小的特性，有效消除指定次數(shù)的諧波，并在諧波源附件就地吸收諧波電流，從而不使其注入電網(wǎng)中去。該裝置的優(yōu)點是投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單。運行可靠及維護方便，運行費用也低，不但起到濾波作用，還能進行無功補償。因此，無源濾波器是目前廣泛采用的抑制諧波及無功補償?shù)闹匾侄?。但該方法的補償特性受電網(wǎng)阻抗、頻率和運行工況的影響，只能起到對某幾次固定頻率諧波的抑制效果，而很可能對其它次諧波有放大作用，使濾波器過載甚至燒毀。另外，LC濾波電路會因系統(tǒng)阻抗參數(shù)變化而產(chǎn)生與系統(tǒng)并聯(lián)諧振問題，影響和后果嚴重。

3.2 有源電力濾波器的應(yīng)用
APF是一種新型可動態(tài)抑制諧波的PE裝置。其濾波方式為:先從補償對象中檢測出諧波電流，再利用可控的功率半導(dǎo)體器件(補償裝置)向電網(wǎng)注入與諧波源諧波分量(I或U)幅值相等、相位相反的諧波分量(I或U)，使電源的總諧波為零，達到實時補償諧波的目的。經(jīng)經(jīng)驗證明，APF是抑制諧波和補償無功的理想和靈活的可行方案，下面予以重點介紹。

4 有源電力濾波器(APF)
APF是抑制電網(wǎng)諧波和補償無功功率、改善電網(wǎng)供電質(zhì)量的最有效PE裝置。大多數(shù)APF拓撲均利用電壓源逆變器，并通常以電容器作為貯能器件如圖1所示。以適當(dāng)選通可控的功率半導(dǎo)體開關(guān)，把直流電壓變換成交流電壓。雖然，為合成交流電壓能施加每半周的單脈沖，但對大部分應(yīng)用中要求的動態(tài)性能，今天普遍采用的是脈寬調(diào)制(PWM)。

圖1 電壓源逆變器的APF拓撲

為產(chǎn)生任意波形的交流電壓，將PWM技術(shù)應(yīng)用到直流母線電壓斬波的電壓源逆變器上?，F(xiàn)有很多能組成正弦波或任意波形的PWM技術(shù)，利用PWM技術(shù)，不僅允許控制逆變器作為電壓源，也可作為電流源以控制濾波器的交流輸出。圖2為所利用的最普通的三角載波(TC)技術(shù)，這是最簡單的線性控制方法，是將有固定幅值的和固定三角波的輸出電流誤差進行比較。迫使開關(guān)周期內(nèi)的輸出電壓Va限定于Vcar的載波周期內(nèi)，并等于調(diào)制波Varef的平均幅值。正弦調(diào)制波的合成電壓含正弦基波分量Va(f)和不希望的諧波分量，利用盡可能高的頻率載波，可使這些不想要的諧波成分減到最小，但這取決于半導(dǎo)體功率器件(IGBT、 GTO或IGCT)的最大開關(guān)頻率。

圖2 PWM載波技術(shù)(三角載波)