有源電力濾波器的發(fā)展與應(yīng)用

摘要：介紹有源電力濾波器在國(guó)外近年來的一些發(fā)展情況，介紹有源電力濾波器目前的主要研究問題、分類及其應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：諧波有源電力濾波器

Development and Application of APF

Abstract： The information about active power filter is introduced in this paper. The main research

problems, classify and application of active power filter in overseas are introduced.

Keywords： Harmonics Active power filter

1引言

　　電力電子裝置和非線性負(fù)載的普遍使用，使諧波電流和無功電流大量注入電網(wǎng)，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)和電氣設(shè)備的安全運(yùn)行與正常使用，對(duì)諧波無功進(jìn)行濾波和補(bǔ)償已成為電力電子技術(shù)、電力系統(tǒng)、電氣自動(dòng)化、理論電工等領(lǐng)域中的重要研究課題。

　　使用無源濾波裝置來解決無功和諧波問題存在許多缺點(diǎn)。如無源濾波器的設(shè)計(jì)大多針對(duì)特定頻率的諧波，只能濾除特定次諧波，存在著與電網(wǎng)發(fā)生諧振的可能性；并且對(duì)電網(wǎng)阻抗和頻率變化十分敏感；體積大、損耗大等等。為解決這一問題，人們做了許多研究與探討，其中具有代表意義的是有源電力濾波器[1]。從目前國(guó)外的使用情況來看，利用有源電力濾波器進(jìn)行諧波和無功補(bǔ)償是今后的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。

　　有源電力濾波器是一種動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無功的電力電子裝置，它能對(duì)頻率和大小都變化的諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償，可以彌補(bǔ)無源濾波器的缺點(diǎn)，獲得比無源濾波器更好的補(bǔ)償特性，是一種理想的補(bǔ)償諧波裝置[2]。早在70年代，有源電力濾波器的基本原理和主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就已被確定[3]，但由于受當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件限制，未能使有源電力濾波器得以實(shí)施。進(jìn)入80年代后，新型電力電子器件的出現(xiàn)、PWM控制技術(shù)的發(fā)展以及瞬時(shí)無功功率理論的提出，極大地促進(jìn)了有源電力濾波器技術(shù)的發(fā)展。近年來，國(guó)外已開始在工業(yè)和民用設(shè)備上廣泛使用有源電力濾波器[4]，并且單機(jī)裝置的容量逐步提高，其應(yīng)用領(lǐng)域從補(bǔ)償用戶自身的諧波向改善整個(gè)電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的方向發(fā)展。

2有源電力濾波器近期的發(fā)展動(dòng)向

　　關(guān)于有源電力濾波器技術(shù)近期的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：

　?、胖C波理論的進(jìn)一步研究；

　?、七M(jìn)一步降低補(bǔ)償裝置的容量;

　?、强刂葡到y(tǒng)的簡(jiǎn)化與數(shù)字化;

　　⑷補(bǔ)償裝置的多功能化

　　其中⑴與系統(tǒng)的諧波理論有關(guān)；⑵、⑶的目的是進(jìn)一步減小補(bǔ)償裝置的制造成本和損耗，進(jìn)一步提高裝置的可靠性；⑷是指有源電力濾波器除能補(bǔ)償諧波外還具備其它的功能。2.1諧波理論的進(jìn)一步研究

　　采用傅里葉級(jí)數(shù)對(duì)非正弦連續(xù)的時(shí)間周期函數(shù)進(jìn)行變換是諧波分析最基本和常用的方法。這種方法根據(jù)采集到的一個(gè)電周期的電流值進(jìn)行計(jì)算，得到該電流所包含的諧波次數(shù)。其缺點(diǎn)是需要一定的時(shí)間采樣并且要進(jìn)行兩次變換，計(jì)算量大、實(shí)時(shí)性不好，因此該方法大多用于諧波的離線分析，難以用于有源電力濾波器所要求的實(shí)時(shí)檢測(cè)。該方法早期曾在有源電力濾波器中用過，80年代瞬時(shí)無功功率理論出現(xiàn)后已不再采用。

　　為了能在線實(shí)時(shí)檢測(cè)和補(bǔ)償諧波，日本學(xué)者赤木泰文等人提出了瞬時(shí)無功功率理論[1]。該理論突破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎(chǔ)的功率定義，系統(tǒng)地定義了瞬時(shí)無功功率、瞬時(shí)有功功率等瞬時(shí)功率量。以該理論為基礎(chǔ)，可以得出用于有源電力濾波器的諧波和無功電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，對(duì)于諧波和無功補(bǔ)償裝置的研究和開發(fā)起了極大的推動(dòng)作用。但這一理論也存在一些缺點(diǎn)，一些量的物理概念比較模糊，在解決一些傳統(tǒng)概念和問題時(shí)遇到困難。所以如何建立更為完善的功率定義和理論為大家所接受，還需做出更多努力[5]。

　　三相電路瞬時(shí)無功功率理論已經(jīng)成功地應(yīng)用到三相三線制系統(tǒng)并取得了良好的補(bǔ)償效果，在國(guó)外有源電力濾波器已被廣泛使用[4]。有源電力濾波器的應(yīng)用領(lǐng)域已從原先的三相三線制系統(tǒng)逐步擴(kuò)展到其它類型的電路如單相電路、三相四線制電路以及直流輸電等更為廣泛的領(lǐng)域。

2.2進(jìn)一步降低裝置容量

　　有源電力濾波器容量與其它三相交流電力設(shè)備的容量定義相同。有源電力濾波器中最基本的是并聯(lián)型，其容量取決于與裝置連接的交流回路電壓有效值與補(bǔ)償電流有效值的乘積。并聯(lián)型有源電力濾波器與諧波源負(fù)載所接的交流電壓相同，因此裝置的容量主要由補(bǔ)償電流決定，而補(bǔ)償電流的大小和裝置的補(bǔ)償目的有關(guān)，即有源電力濾波器僅僅是只補(bǔ)償諧波還是要同時(shí)補(bǔ)償諧波和無功。只補(bǔ)償諧波時(shí)，有源電力濾波器的補(bǔ)償電流與負(fù)載電流的諧波分量大小相等而方向相反，兩者的有效值是一樣的，這種情況下，裝置的容量取決于負(fù)載電流中諧波的大小。如果要求有源電力濾波器同時(shí)補(bǔ)償諧波和無功，則裝置容量由補(bǔ)償對(duì)象中諧波組成及要求補(bǔ)償無功的程度共同決定。

　　由于有源電力濾波器的價(jià)格要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無源濾波器，為降低補(bǔ)償裝置的投資，主要辦法就是降低有源電力濾波器的容量。目前的主要思路是將有源電力濾波器和無源濾波器混合使用，用無源濾波器濾除諧波源中主要的諧波電流，用有源電力濾波器來提高總體的補(bǔ)償效果，這就是混合型有源電力濾波器。還有學(xué)者提出其他方法，如注入回路方式等等，其主要目的也是降低有源濾波器的容量，但尚未進(jìn)入實(shí)用階段[4]。

2.3控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)化

　　有源電力濾波器為了能及時(shí)產(chǎn)生補(bǔ)償電流以抵消諧波源負(fù)載的諧波電流，要求其控制電路必須實(shí)時(shí)檢測(cè)、計(jì)算補(bǔ)償對(duì)象的諧波電流。目前完成這部分工作的主要是基于瞬時(shí)無功功率理論的各種檢測(cè)計(jì)算電路。實(shí)現(xiàn)時(shí)多為模擬電路，其線路較為繁瑣、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。許多學(xué)者一直在尋找比較簡(jiǎn)單的方法來完成這部分工作。另外，隨著高速數(shù)據(jù)處理芯片DSP接口功能的日趨完善，采用數(shù)字化方法來實(shí)現(xiàn)這部分工作的研究也在積極地進(jìn)行。

2.4補(bǔ)償裝置的多功能化

有源電力濾波器本身除能補(bǔ)償諧波外，通過在控制電路上加以改造還可以補(bǔ)償基波無功、電壓閃變以及電壓的不平衡等功能。有關(guān)這部分的研究也引起許多學(xué)者的關(guān)心并取得了許多研究成果[4]。

3有源電力濾波器的分類及應(yīng)用情況

3．1分類

圖1給出了有源電力濾波器的分類，圖中APF為有源電力濾波器的英文縮寫。用戶使用的電源類型包括直流電源和交流電源兩類，故有源電力濾波器按供電的類型可分為交流有源電力濾波器和直流有源電力濾波器[6]。從與負(fù)載聯(lián)接形式的角度可分為并聯(lián)型有源電力濾波器和串聯(lián)型有源電力濾波器兩大類。目前，有源電力濾波器的研究主要集中在交流有源電力濾波器，直流有源電力濾波器的研究也在逐步開展，典型的研究之一是在直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用。

圖1有源電力濾波器的分類

（a）串聯(lián)型有源電力濾波器（b）并聯(lián)型有源電力濾波器

（c）串聯(lián)混合型有源電力濾波器（d）并聯(lián)混合型有源電力濾波器

（e）統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(f)直流輸電用有源電力濾波器

圖2不同形式有源電力濾波器與負(fù)載之間的連接原理圖

　　圖2給出了有源電力濾波器與供電系統(tǒng)和負(fù)載之間連接的原理示意圖。

3.2應(yīng)用情況

　　有源電力濾波器技術(shù)在日本已經(jīng)成熟，其產(chǎn)品開始進(jìn)入實(shí)用化階段[4]，從1983年到1995年，共有455套有源電力濾波器投入實(shí)際使用。下面就幾個(gè)方面給出一些基本情況。

　　⑴生產(chǎn)臺(tái)數(shù)和容量

從1991年到1995年累計(jì)生產(chǎn)355臺(tái)，與1983年到1991年約7年間共生產(chǎn)了近100臺(tái)相比，產(chǎn)量有了大幅度上升，圖3給出了生產(chǎn)臺(tái)數(shù)與容量的基本情況圖示。從圖中可以看出，200kVA以下的占70％左右，超過1000kVA的約為7％。實(shí)際上，近1～2年50kVA以下的臺(tái)數(shù)增加顯著，也反映了對(duì)諧波抑制重要性的認(rèn)識(shí)在提高。

圖31991～1995年出廠的臺(tái)數(shù)和容量的比率

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　　圖4給出了有源電力濾波器在實(shí)際中不同行業(yè)的使用情況，使用在供水和污水處理設(shè)備中的約占40％，建筑約占17％。

圖41991～1995年不同行業(yè)使用的臺(tái)數(shù)比率

　　⑶使用的類型

　　從實(shí)際投入的設(shè)備來看，有源電力濾波器與負(fù)載連接的大多將并聯(lián)型作為一種標(biāo)準(zhǔn)方式，主電路多為電壓型，在生產(chǎn)出的355臺(tái)設(shè)備中，僅有4臺(tái)與負(fù)載的連接為串聯(lián)型或串聯(lián)混合型。在有源電力濾波器實(shí)用化初期所選用的電流型主回路基本上未再采用。

　　⑷諧波的檢測(cè)方法

　　諧波的檢測(cè)方法可以有負(fù)載電流檢測(cè)、電源電流檢測(cè)、電源電壓檢測(cè)等檢測(cè)方法，在這些方法中，用負(fù)載電流的檢測(cè)方法與用電源電流的檢測(cè)方法之比為10:1，從這5年的情況變化可以看出，今后，負(fù)載電流的檢測(cè)方法為主要使用方法，同時(shí)，應(yīng)用電壓檢測(cè)方法的比例也有所增加，設(shè)置檢測(cè)電壓的目的在于補(bǔ)償閃變。

　?、善渌刂乒δ?/P>

　　有源電力濾波器除補(bǔ)償諧波電流外，還可補(bǔ)償基波無功、平衡三相電壓、抑制電壓閃變等功能，在這355臺(tái)設(shè)備中有76臺(tái)（21％）附有補(bǔ)償基波無功的功能。

　?、逝cLC無源濾波器混用情況

　　從有源電力濾波器的本身工作原理來看，它完全可以補(bǔ)償?shù)痛沃C波，但由于使用LC濾波器可以使有源部分的容量大大減小。所以，采用混合使用方式的實(shí)例逐步增加。

　?、耸褂玫钠骷?/P>

　　大部分中小容量的有源電力濾波器中，主回路采用的器件基本為IGBT，只有當(dāng)容量達(dá)到MW級(jí)的大容量裝置才使用GTO。

參考文獻(xiàn)

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