消防電源監(jiān)控系統(tǒng)

有源電力濾波器的進(jìn)展與應(yīng)用發(fā)布時(shí)間：2006年5月27日11時(shí)39分西安交通高校卓放王兆安（西安710049）摘要：介紹有源電力濾波器在國(guó)外近年來(lái)的一些進(jìn)展?fàn)顩r，介紹有源電力濾波器目前的主要討論問(wèn)題、分類及其應(yīng)用狀況。關(guān)鍵詞：諧波有源電力濾波器DevelopmentandApplicationofAPFAbstract：Theinformationaboutactivepowerfilterisintroducedinthispaper.Themainresearchproblems,classifyandapplicationofactivepowerfilterinoverseasareintroduced.Keywords：HarmonicsActivepowerfilter1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(wú)功電流大量注入電網(wǎng)，嚴(yán)峻威逼電網(wǎng)和電氣設(shè)施的平安運(yùn)行與正常使用，對(duì)諧波無(wú)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)域中的重要討論課題。使用無(wú)源濾波裝置來(lái)解決無(wú)功和諧波問(wèn)題存在很多缺點(diǎn)。如無(wú)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)阻抗和頻率變化非常敏感；體積大、損耗大等等。為解決這一問(wèn)題，人們做了很多討論與研討,其中具有代表意義的是有源電力濾波器［1］。從目前國(guó)外的使用狀況來(lái)看，采用有源電力濾波器進(jìn)行諧波和無(wú)功補(bǔ)償是今后的一個(gè)進(jìn)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(wú)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(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，可以彌補(bǔ)無(wú)源濾波器的缺點(diǎn)，獲得比無(wú)源濾波器更好的補(bǔ)償特性，是一種抱負(fù)的補(bǔ)償諧波裝置［2］。早在70年月，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年月后，新型電力電子器件的消失、PWM掌握技術(shù)的進(jìn)展以及瞬時(shí)無(wú)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)的進(jìn)展。近年來(lái)，國(guó)外已開(kāi)頭在工業(yè)和民用設(shè)施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)量的方向進(jìn)展。2有源電力濾波器近期的進(jìn)展動(dòng)向關(guān)于有源電力濾波器技術(shù)近期的討論主要集中在以下幾個(gè)方面：⑴諧波理論的進(jìn)一步討論；⑵進(jìn)一步降低補(bǔ)償裝置的容量；⑶掌握系統(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)一步提高裝置的牢靠性；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)一步討論采納傅里葉級(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。這種方法依據(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)是需要肯定的時(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(guò)，80年月瞬時(shí)無(wú)功功率理論消失后已不再采納。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(wú)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(wú)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(wú)功電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，對(duì)于諧波和無(wú)功補(bǔ)償裝置的討論和開(kāi)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(wèn)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(wú)功功率理論已經(jīng)勝利地應(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。進(jìn)一步降低裝置容量有源電力濾波器容量與其它三相溝通電力設(shè)施的容量定義相同。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溝通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)載所接的溝通電壓相同，因此裝置的容量主要由補(bǔ)償電流打算，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(wú)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)載電流的諧波重量大小相等而方向相反，兩者的有效值是一樣的，這種狀況下，裝置的容量取決于負(fù)載電流中諧波的大小。假如耍求有源電力濾波器同時(shí)補(bǔ)償諧波和無(wú)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(wú)功的程度共同打算。由于有源電力濾波器的價(jià)格要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于無(wú)源濾波器，為降低補(bǔ)償裝置的投資，主要方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(wú)源濾波器混合使用，用無(wú)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(lái)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)入有用階段［4］。掌握系統(tǒng)的簡(jiǎn)化有源電力濾波器為了能準(zhǔn)時(shí)產(chǎn)生補(bǔ)償電流以抵消諧波源負(fù)載的諧波電流,要求其掌握電路必需實(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(wú)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)較為簡(jiǎn)單。很多學(xué)者始終在查找比較簡(jiǎn)潔的方法來(lái)完成這部分工作。止匕外，隨著高速數(shù)據(jù)處理芯片DSP接口功能的日趨完善，采納數(shù)字化方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這部分工作的討論也在樂(lè)觀地進(jìn)行。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(guò)在掌握電路上加以改造還可以補(bǔ)償基波無(wú)功、電壓閃變以及電壓的不平衡等功能。有關(guān)這部分的討論也引起很多學(xué)者的關(guān)懷并取得了很多討論成果⑷。3有源電力濾波器的分類及應(yīng)用狀況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(xiě)。用戶使用的電源類型包括直流電源和溝通電源兩類，故有源電力濾波器按供電的類型可分為溝通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，有源電力濾波器的討論主要集中在溝通有源電力濾波器，直流有源電力濾波器的討論也在逐步開(kāi)展，典型的討論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)整器(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)用狀況有源電力濾波器技術(shù)在日本已經(jīng)成熟，其產(chǎn)品開(kāi)頭進(jìn)入有用化階段[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)方面給出一些基本狀況。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)量有了大幅度提升，圖3給出了生產(chǎn)臺(tái)數(shù)與容量的基本狀況圖示。從圖中可以看出，200kVA以下的占70%左右，超過(guò)lOOOkVA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)諧波抑制重要性的熟悉在提高。圖31991~1995年出廠的臺(tái)數(shù)和容量的比率⑵用途圖4給出了有源電力濾波器在實(shí)際中不同行業(yè)的使用狀況,使用在供水和污水處理設(shè)施中的約占40%,建筑約占0％。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)施來(lái)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)施中，僅有4臺(tái)與負(fù)載的連接為串聯(lián)型或串聯(lián)混合型。在有源電力濾波器有用化初期所選用的電流型主回路基本上未再采納。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年的狀況變化可以看出，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。⑸其它掌握功能有源電力濾波器除補(bǔ)償諧波電流外，還可補(bǔ)償基波無(wú)功、平衡三相電壓、抑制電壓閃變等功能，在這355臺(tái)設(shè)施中有76臺(tái)(21%)附有補(bǔ)償基波無(wú)功的功能。⑹與LC無(wú)源濾波器混用狀況從有源電力濾波器的本身工作原理來(lái)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，采納混合使用方式的實(shí)例逐步增加。⑺使用的器件大部分中小容量的有源電力濾波器中，主回路采納的器件基本為IGBT,只有當(dāng)容量達(dá)到MW級(jí)的大容量裝置才使用GTOo參考文獻(xiàn)1赤木泰文，金澤喜平.藤田光悅,瞬時(shí)無(wú)效電力G一般化理論^應(yīng)用日本電氣學(xué)會(huì)論文志B.1983.103(7):p483-490B.1983.103(7):p483-490AkagiH,KanazawaYNabaeA.Generalizedtheoryoftheinstantaneousreactivepowerinthree-phasecircuits.IEEE&JIEE.ProceedingsIPEC.Tokyo:IEEE,1983.pl375-1386GyugyiL,StryculaE.C.Activeacpowerfilters.ProcofIEEE/IASAnnualMeeting,1976.p529~5357＜及夕在有寸盲電力變換回路ZU周查特地委員會(huì).了夕…”d山夕機(jī)能在有寸馬