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)量的要求越來越高的需求之間的矛盾日漸突出，另一方面，目前電力系統(tǒng)的可控性普遍較差，實現(xiàn)靈活、有效的電能控制還較為困難。近年來，電力電子技術的長足發(fā)展，利用大功率開關器件、高速計算機技術實現(xiàn)為電能的控制和改善電能質(zhì)量提供了可能。電力電子技術在電力系統(tǒng)中的應用是電力系統(tǒng)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。常見的電能質(zhì)量問題的現(xiàn)象如圖1所示(1-8)。

電能質(zhì)量的每個方面都應包含在FACTS(柔性交流輸電系統(tǒng))這一概念中(1,8,12,13)。它最初由美國電力科學研究院(EPRI)于80年代末提出，即在輸電系統(tǒng)中，利用電力電子技術(包括功率開關、高速計算、控制等)對電力系統(tǒng)的重要參數(shù):如無功、諧波、電壓幅度、相間對稱度、頻率、電抗和功率流等進行調(diào)整和控制。FACTS系統(tǒng)將在功率潮流控制、負荷率、緊急功率支援、安全與故障控制、新型電力市場等方面發(fā)揮重要作用。

目前，電力電子在電力系統(tǒng)中的應用主要有:SVC/SVG(靜態(tài)無功補償/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/電力線路調(diào)整)、UAPLC(多功能電力線路調(diào)整)、無觸點保護等。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單介紹。但所討論的方法，適用于其它電能質(zhì)量問題的應用。

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，或者說電能質(zhì)量的許多問題均可通過不同的控制手段由有源濾波裝置來解決。如諧波抑制、無功補償、相間對稱校正等。其次，在時域和頻域分解的觀點上，電能質(zhì)量的諸多問題與諧波是統(tǒng)一的，僅作用頻率不同，如:基波頻率整數(shù)倍的分量為通常意義上的諧波;分數(shù)倍、非整數(shù)倍分量分別稱為閃變、間諧波;而基波無功、非周期量可以分別看成是頻率為系統(tǒng)頻率和零頻率的分量等。第三，諸多電能質(zhì)量問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，本身就會產(chǎn)生大量諧波，在實際系統(tǒng)中，僅考慮無功補償可能因諧波而導致系統(tǒng)不穩(wěn)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還廣泛地被稱為AF(Active Filter)、APLC/PLC、APQC(有源電能質(zhì)量控制)、IRPC(瞬時無功補償)等(1,8,15)。

2有源電力諧波抑制(APF)

2.1諧波問題及其危害

中大功率電力電子裝置，如調(diào)速系統(tǒng)、感應加熱、整流設備、電弧爐、開關電源等的大量應用，給電網(wǎng)引入大量諧波。這對供電系統(tǒng)及其它設備產(chǎn)生不良影響,甚至可能造成電力系統(tǒng)癱瘓。

1989年3月，由于磁暴，加拿大魁北克系統(tǒng)中地磁感應電流導致系統(tǒng)主變飽和并產(chǎn)生大量諧波，造成SVC電容器組過載，SVC保護動作，系統(tǒng)增加了無功需求，系統(tǒng)電壓失穩(wěn)，繼而導致整個魁北克系統(tǒng)的崩潰的大事故。1991年，在意大利阿爾俾斯山地區(qū)，發(fā)生兩次類似電力事故。一次是在一個2MW直流驅(qū)動的雙纜滑雪纜道工程的驗收測試時，引起電網(wǎng)癱瘓，直到一個12脈整流配電系統(tǒng)啟用才恢復正常。原因是:當?shù)?/span>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)也曾有過負載為諧波含量較高的調(diào)速系統(tǒng)雖沒有超過額定容量，仍引起主變失敗的報道。

上面列舉的這些電力系統(tǒng)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消耗無功、增加線路損耗;

②是激勵源，在一定條件下，可能使系統(tǒng)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(tǒng)(包括計算機網(wǎng)絡)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，無法多臺設備同網(wǎng)應用，測試儀器及計算機網(wǎng)絡在現(xiàn)場無法正常運行的事例也屢見不鮮。這一存在于電力系統(tǒng)的污染，隨著精細用電要求的迅速發(fā)展勢必會變得日益嚴重。據(jù)報道，我國發(fā)電量仍有10%左右尚未得到充分利用，線路的損耗高達20%，加之電網(wǎng)波動而不得不采用裕量設計，系統(tǒng)效率較低，存在著很大的節(jié)能潛力。

圖2、圖3分別為現(xiàn)場測試的工業(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，它們對電網(wǎng)具有嚴重的諧波污染作用(31)。其它非線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(tǒng)的危害已經(jīng)引起了人們廣泛的重視。許多國家及地區(qū)已經(jīng)制定了各自的諧波標準。我國也分別于1984年及1993年通過了“電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定”及GB/T-14549-93標準，用以限制供電系統(tǒng)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(tǒng)的方法主要采用被動式的無源電力濾波(PPF, Passive Filter)技術，相對于成熟的信號濾波它的主要區(qū)別在于它要處理能量和濾波器阻抗的不匹配性。隨著電力電子、自動控制和高速計算機等技術的迅速發(fā)展，有源電力濾波(APF, Active Filter)成為電力系統(tǒng)治理諧波的主要方法。APF通常要對電網(wǎng)和/或負載的諧波進行實時計算，通過不同的控制方案，利用高頻逆變器進行諧波功率放大后，將不同補償目的點的諧波電壓、諧波電流抑制到足夠小的水平。與無源電力濾波器(PPF)相比，APF具有下列優(yōu)勢[1～8]:

①不會因制造誤差、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，不會造成諧波放大;

③可以僅僅對諧波進行抑制而不引入大的無功，或兼有諧波補償和無功補償功能;

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

⑤具有處理復雜頻譜諧波的能力。