電力有源濾波器技術發(fā)展狀況及問題探討

隨著大功率開關器件的日益廣泛應用，電力系統(tǒng)諧波抑制及無功補償問題變得日益迫切，電力有源濾波技術是解決上述問題的有效手段。本文簡要介紹電力有源濾波技術的原理、分類和控制策略，并對電子有源濾波技術的國內(nèi)外發(fā)展狀況和應用中應考慮的一些問題作一些簡要介紹。

1引言

電力電子技術是未來科學技術發(fā)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一起成為21世紀最重要的兩大技術。然而，電力電子技術帶來方便、高效的巨大利益的同時，它的非線性、沖擊性和不平衡用電特性，也給公用電網(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及應用，人們對公用電網(wǎng)的供電質(zhì)量要求越來越高，對電網(wǎng)中的諧波含量及用電設備的功率因數(shù)提出了更嚴格的要求。

傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法是無源濾波技術，即使用由電力電容器等無源器件構成無源濾波器，該無源濾波器與需補償?shù)姆蔷€性負載并聯(lián)，為諧波提供一個低阻通路的同時也提供負載所需要的無功功率。雖然無源濾波器具有簡單、方便的優(yōu)點，但它也存在如下缺點：

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產(chǎn)生諧振而使諧波放大；

針對無源濾波技術的上述缺點，1976年，L·Gyugi提出用PWM逆變器構成“電力有源濾波器”(activepowerfilter,簡稱APF)。80年代以后，由于電力電子器件及其控制技術的發(fā)展，APF技術的發(fā)展逐步走向成熟，在國外已得到廣泛應用。與無源濾波器相比，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、自動產(chǎn)生所需變化的無功功率，其特性不受系統(tǒng)影響，無諧波放大危險，相對體積重量較小等突出優(yōu)點，因而已成為電力諧波抑制和無功補償?shù)闹匾侄?。APF的推廣應用也必將給我國電力工業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

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APF中已提出的幾種主要控制策略；最后，對APF技術的國內(nèi)外發(fā)展狀況及應用時應考慮的一些問題作簡單介紹，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(tǒng)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(qū)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iL中分離出諧波電流分量iLh和基波無功電流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(jù)主電路產(chǎn)生的補償電流ico應跟蹤ic的原則，計算出主電路各開關器件的觸發(fā)脈沖，此脈沖經(jīng)驅(qū)動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行無功補償?shù)哪康?。根?jù)同樣的原理，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(jù)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(yōu)點是損耗較少，效率高，是目前國內(nèi)外絕大多數(shù)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(nèi)阻上將產(chǎn)生較大損耗，所以目前較少采用。但是電流型APF由于開關器件不會發(fā)生直通短路現(xiàn)象，隨著超導儲能磁體研究的進展，也將促進多功能電流型APF投入實用。

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進行“矯正”，這與基于穩(wěn)態(tài)頻譜的“濾波”概念已有很大的不同，而類似于自適應濾波技術中的“干擾抵消器”。因此，電力有源濾波器有很快的響應速度，對變化的諧波和無功功率都能實施動態(tài)補償，并且其補償特性受電網(wǎng)阻抗參數(shù)影響較小。

3電力有源濾波器的分類

(1)按電路拓樸結構分類，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(diào)節(jié)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題。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(lián)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(xiàn)三相獨立調(diào)節(jié)，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(diào)節(jié)器是向電網(wǎng)中的某個(或幾個)優(yōu)選節(jié)點注入消諧波補償電流，以達到在一定范圍內(nèi)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)頻率波動和電路元件參數(shù)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(shù)字頻域濾波方法，并且能自動跟蹤電網(wǎng)頻率的波動而自適應提取基波分量。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。

②瞬時空間矢量法：基于無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。最早是由日本學者H·Akagi于1984年提出，僅適用于對稱三相電路，后經(jīng)不斷改進，現(xiàn)已包括p－q法、ip－iq法以及d－q法等。p－q法最早應用，僅適用于對稱三相且無畸變的電網(wǎng)；ip－iq法不僅對電源電壓畸變有效，而且也適用于不對稱三相電網(wǎng)；基于同步旋轉park變換的d－q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(wǎng)。

③基于現(xiàn)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，后來又提出了基于滑?？刂萍澳：刂频痊F(xiàn)代控制方法。它們都是直接根據(jù)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)點是對電網(wǎng)電壓畸變、頻率偏移及電網(wǎng)參數(shù)變化有較好的自適應調(diào)整能力，但目前其動態(tài)響應速度還較慢。后來又提出了用神經(jīng)網(wǎng)絡實現(xiàn)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：

①三角載波線性控制。這是一種最簡單的線性控制方法。它以指令電流ic與實際補償電流ico之間的差值作為調(diào)整信號，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(yōu)點是動態(tài)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。

②滯環(huán)比較控制。該方法將指令電流與實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(tài)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(huán)帶寬改進算法，這必將影響響應速度和補償電流跟蹤精度。③無差拍控制。該方法是一種全數(shù)字化的控制