有源濾波器技術應用

有源濾波技術及應用2007-05-2916:32摘要:隨著大功率開關器件的廣泛應用,電能質量問題日益嚴重。文中就諧波治理中的無源及有源濾波技術進行對比,簡要介紹了有源濾波器的分類、工作原理以及近年來國內(nèi)外有源濾波技術研究的最新成果,展望了有源濾波技術在我國的發(fā)展前景。關鍵詞:有源濾波器；無源濾波器；電能質量；諧波ACTIVEPOWERFILTERTECHNOLOGYANDITSAPPLICATIONHuMing,ChenHeng(SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)Abstract:Withthewideapplicationofhighpowerelectronicswitchesinpowersystem,theproblemofqualityofpowersupplybecomesmoreserious.Thispapermakesacomparisonbetweenthepassivefiltersandactivepowerfilters,introducestheclassifications,operationprinciplesandnewtrendsoftheactivepowerfilters,andtheprospectsoftheapplicationofactivepowerfiltersinChina.Keywords:activepowerfilter;passivefilter;powerquality;harmonics▲0引言近年來,配電網(wǎng)中整流器、變頻調速裝置、電弧爐、電氣化鐵路以及各種電力電子設備不斷增加。這些負荷的非線性、沖擊性和不平衡的用電特性,對供電質量造成嚴重污染。另一方面,現(xiàn)代工業(yè)、商業(yè)及居民用戶的用電設備對電能質量更加敏感,對供電質量提出了更高的要求［1］。僅依靠過去無源濾波技術治理諧波已不能滿足要求,研究和開發(fā)適應這一要求的新技術已成為近年來電力系統(tǒng)研究領域中的新熱點。對此,國外提出了“用戶電力技術”(CustomPower)的新概念［2］,即利用電力電子控制器來提高配電網(wǎng)供電可靠性及電能質量。由于諧波是影響電能質量的最主要因素,因此有源濾波——利用電力電子控制器來抑制諧波也是CustomPower技術實施的主要手段之一,利用有源濾波這一新技術對配電網(wǎng)進行綜合電能質量補償必將會帶來顯著的經(jīng)濟效益。本文首先對無源濾波技術和有源濾波技術的優(yōu)缺點進行比較,接著對有源濾波技術的原理、應用及其發(fā)展趨勢做了詳細介紹。1無源和有源濾波技術采用電力濾波裝置就近吸收諧波源所產(chǎn)生的諧波電流,是抑制諧波污染的有效措施。通常采用由電力電容器、電抗器和電阻器適當組合而成的無源濾波裝置進行濾波。由于無源濾波具有投資少、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便等優(yōu)點,因此無源濾波是目前廣泛采用的抑制諧波及無功補償?shù)闹饕侄?。由于無源濾波器是通過在系統(tǒng)中為諧波提供一并聯(lián)低阻通路,以起到濾波作用,其濾波特性是由系統(tǒng)和濾波器的阻抗比所決定的,因而存在以下缺點［1,3］:①濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)的影響較大；②只能消除特定的幾次諧波,而對某些次諧波會產(chǎn)生放大作用；③濾波要求和無功補償、調壓要求有時難以協(xié)調；④諧波電流增大時,濾波器負擔隨之加重,可能造成濾波器過載；⑤有效材料消耗多,體積大。由于無源濾波具有以上缺點,隨著電力電子技術的不斷發(fā)展,人們將濾波研究方向逐步轉向有源濾波器。早在70年代初期,日本學者就提出了有源濾波器（activepowerfilter,縮寫為APF）的概念［4］,即利用可控的功率半導體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流,使電源的總諧波電流為零,達到實時補償諧波電流的目的。1976年美國西屋電氣公司的L.Gyugi提出利用大功率晶體管組成的PWM逆變器構成的APF消除電網(wǎng)諧波［5］。由于受到當時功率半導體器件水平的限制,APF的研制一直處在試驗研究階段。進入80年代以后,隨著電力電子技術的飛速發(fā)展,大功率可關斷器件（GTR,GTO,IGBT等）的不斷進步,以及對非正弦條件下無功功率補償理論的深入研究,特別是瞬時無功理論的提出［6］,為APF的實用化提供了必要的條件,使之在工業(yè)上得到了廣泛的應用。與無源濾波器相比,APF具有高度可控性和快速響應性,其具體特點如下:a.不僅能補償各次諧波,還可抑制閃變、補償無功,有一機多能的特點,在性價比上較為合理；b.濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響,可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險；c.具有自適應功能,可自動跟蹤補償變化著的諧波。盡管APF有著無源濾波器所不具備的巨大技術優(yōu)勢,但目前要想在電力系統(tǒng)中完全取代無源濾波器還不太現(xiàn)實。這是因為與無源濾波器相比較,APF的成本較高,這一點是限制APF推廣使用的關鍵。隨著電力電子工業(yè)的發(fā)展,器件的性價比將不斷提高,APF必然會得到廣泛應用。2有源濾波器的分類目前,有源濾波技術已在日本、美國等少數(shù)工業(yè)發(fā)達國家得到了廣泛應用。根據(jù)應用場合不同,有源濾波器可分為有源直流濾波器和有源交流濾波器兩大類。有源直流濾波器主要用來消除HVDC系統(tǒng)中換流器直流側的電壓、電流諧波；而有源交流濾波器則是應用于交流電力系統(tǒng)各個電壓等級的有源濾波器,也就是通常所說的APF。從不同的觀點出發(fā),APF具有不同的分類標準［7］。a.根據(jù)APF與系統(tǒng)的連接方式可將APF分為并聯(lián)型APF、串聯(lián)型APF、串—并聯(lián)型APF以及混合型APF。圖1所示為并聯(lián)型APF,由于其與系統(tǒng)相并聯(lián),可等效為一受控電流源。并聯(lián)型APF可產(chǎn)生與負載諧波大小相等、方向相反的諧波電流,從而將電源側電流補償為正弦波。并聯(lián)型APF主要適用于感性電流源型負載的諧波補償,目前技術上已相當成熟,工業(yè)上已投入運行的APF多采用此方案［8］。
圖1并聯(lián)型APFFig.1Parallel-typeAPF圖2所示為串聯(lián)型APF,通過3個單相變壓器串聯(lián)在電源與負載間,可等效為一受控電壓源。其主要用于消除帶電容二極管整流電路等電壓型諧波源負載對系統(tǒng)的影響,以及系統(tǒng)側電壓諧波與電壓波動對敏感負載的影響［8,9］。與并聯(lián)型APF相比,由于串聯(lián)型APF中流過的是正常負荷電流,因此損耗較大；此外,串聯(lián)型APF的投切、故障后的退出及各種保護也較并聯(lián)型APF復雜［8］。目前單獨使用的串聯(lián)型APF的研究較少,國內(nèi)外的研究多集中在其與LC無源濾波器所構成的串聯(lián)混合型APF上［10,11］。
圖2串聯(lián)型APFFig.2Series-typeAPF圖3所示為串—并聯(lián)型APF,這是一種新型APF,其名稱尚未統(tǒng)一,文獻［12,13］稱之為統(tǒng)一電能質量調節(jié)器(UPQC),目前還處在試驗階段。這種APF兼有串、并聯(lián)APF的功能,可解決配電系統(tǒng)發(fā)生的絕大多數(shù)電能質量問題,具有較高的性價比,是今后值得推廣的一種裝置。
圖3串-并聯(lián)型APFFig.3Series-paralleltypeAPF由于APF造價高,運行損耗大,容量受到限制,將無源濾波器與有源濾波器組合起來,構成混合型有源濾波器在目前無疑是一種較好的方案［8］。但從長遠角度看,隨著電力電子元件成本不斷下降,它將被性價比更高的串—并聯(lián)有源濾波器所代替。b.按APF中逆變器直流側儲能元件的不同,APF又可分為電壓型APF（儲能元件為電容）和電流型APF（儲能元件為電感）。與電流型APF相比,電壓型APF損耗較小、效率高,因此目前國內(nèi)外絕大多數(shù)APF都采用電壓型逆變器結構。隨著超導儲能技術的不斷發(fā)展,今后可能會有更多電流型APF投入使用。c.此外還有一種如圖4所示的有源濾波裝置——有源線路調節(jié)器(activepowerlineconditioner,縮寫為APLC),其結構與APF相似,因此過去很多文獻上都將APLC等同于APF。其實,從原理上看,與APF的單節(jié)點諧波抑制相比較,APLC是向網(wǎng)絡中某個(幾個)優(yōu)選節(jié)點注入消諧補償電流,通過補償電流在網(wǎng)絡中一定范圍內(nèi)流動,實現(xiàn)該范圍內(nèi)所有節(jié)點諧波電壓的綜合抑制。由于APLC代表的是諧波治理的一種更高層次,不應將兩者等同。
圖4APLC原理圖Fig.4TheprinciplediagramofAPLC目前,國外APLC的應用還處在研究和試驗階段,實時確定補償電流、優(yōu)選補償節(jié)點、在線測量諧波等技術難點限制了APLC的應用［14～16］。3APF的控制策略APF的控制主要由諧波信號的檢測和補償分量的產(chǎn)生兩大部分組成。由圖5可見,APF通過檢測電路檢測出電網(wǎng)中電流電壓的畸變部分,然后采用某種控制方式控制功率電路產(chǎn)生相應的補償電流分量,并注入到電網(wǎng)中,以達到消諧的目的。
圖5APF原理圖Fig.5TheprinciplediagramofAPF3.1諧波信號的檢測諧波信號的檢測主要有以下幾種方法。3.1.1提取基波分量法該法是最早被采用的諧波電流檢測方法,其原理是在檢測到的信號中提取出基波分量,它與原信號之差就是所需補償?shù)闹C波,通常可采用帶通濾波器實現(xiàn)。但所采用的高階濾波器會產(chǎn)生附加相移,造成輸出信號畸變,影響補償效果。此外,這種方法還存在設計困難、誤差大、對電網(wǎng)頻率波動和電路元件參數(shù)較敏感等缺點,因而目前已較少采用。近年來,有文獻介紹利用小波變換技術提取基波分量［17］,其具體效果如何還需深入研究和探討。3.1.2瞬時空間矢量法基于瞬時無功功率理論的瞬時空間矢量法是目前APF中應用最廣的一種檢測方法,最早是由日本學者H.Akagi于1984年提出的,經(jīng)過不斷改進,現(xiàn)包括p-q法［6］、ip-iq法［18］以及d-q法［19］。其中,p-q法適用于電網(wǎng)電壓對稱且無畸變情況下諧波電流的檢測；ip-iq法不僅在電網(wǎng)電壓畸變時適用,在電網(wǎng)電壓不對稱時也同樣有效；而基于同步旋轉坐標變換的d-q法可在電網(wǎng)電壓不對稱、畸變情況下精確地檢測出諧波電流［19,20］,其優(yōu)點是當電網(wǎng)電壓對稱且無畸變時,各電流分量（基波正序無功分量、不對稱分量及高次諧波分量）的檢測電路比較簡單［19］。3.1.3基于FFT的數(shù)字化分析法［21］該方法是建立在Fourier分析的基礎上,因此要求被補償?shù)牟ㄐ问侵芷谧兓?否則會帶來較大誤差。通過FFT將檢測到的一個周期的諧波信號進行分解,得各次諧波的幅值和相位系數(shù),將擬抵銷的諧波分量通過帶通濾波器或傅里葉變換器得出所需的誤差信號,再將該誤差信號進行FFT反變換,即可得補償信號。其優(yōu)點是可以選擇擬消除的諧波次數(shù),缺點是具有較長的時間延遲,實時性較差。3.1.4自適應檢測法［22］該方法基于自適應干擾抵消原理,將電壓作為參考輸入,負載電流作為原始輸入,從負載電流中消去與電壓波形相同的有功分量,得到需要補償?shù)闹C波與無功分量。該自適應檢測系統(tǒng)的特點是在電壓波形畸變情況下也具有較好的自適應能力,缺點是動態(tài)響應速度較慢。在此基礎上,文獻［23］提出一種基于神經(jīng)元的自適應諧波電流檢測法。從以上檢測方法看,基于瞬時無功功率理論的瞬時空間矢量法簡單易行,性能良好,并已趨于完善和成熟,今后仍將占主導地位?；谏窠?jīng)元的自適應諧波電流檢測法和小波變換檢測法等新型諧波檢測方法能否應用于工程實際,還有待進一步驗證。3.2補償電流的產(chǎn)生補償電流的產(chǎn)生通常采用基于PWM的電壓源逆變器(VSI),從采用的電流控制方法看,主要可分為以下3種。3.2.1三角載波線性控制三角載波線性控制(trianglewave-linearcontrol)是最簡單的一種控制方法。通過將檢測環(huán)節(jié)得到電流實際值與參考值之間的偏差與高頻三角載波相比較,所得到的矩形脈沖作為逆變器各開關元件的控制信號,從而在逆變器輸出端獲得所需的波形。該方法的優(yōu)點是動態(tài)響應好,開關頻率固定,實現(xiàn)電路簡單,缺點是輸出波形中含有與三角載波相同頻率的高頻畸變分量,開關損耗較大,在大功率應用中受到限制。3.2.2滯環(huán)比較控制滯環(huán)比較控制(hysteresiscontrol)［24］是將補償電流參考值與逆變器實際電流輸出值之差輸入到具有滯環(huán)特性的比較器,通過比較器的輸出來控制開關的開合,從而達到逆變器輸出值實時跟蹤補償電流參考值。與三角載波線性控制相比,滯環(huán)比較控制具有開關損耗小、動態(tài)響應快等特點。缺點是系統(tǒng)的開關頻率、響應速度及電流的跟蹤精度會受滯環(huán)帶寬影響。帶寬固定時,開關頻率會隨補償電流變化而變化,從而引起較大的脈動電流和開關噪聲［25］。3.2.3無差拍控制無差拍控制(deadbeatcontrol)［26］是一種在電流滯環(huán)比較控制技術基礎上發(fā)展起來的全數(shù)字化控制技術。該方法利用前一時刻的補償電流參考值和實際值,計算出下一時刻的電流參考值及各種開關狀態(tài)下逆變器電流輸出值,選擇某種開關模式作為下一時刻的開關狀態(tài),從而達到電流誤差等于零的目標。該方法的優(yōu)點是能夠快速響應電流的突然變化。缺點是計算量大,而且對系統(tǒng)參數(shù)依賴性較大。近年來不斷有新的改進方法出現(xiàn)［27,28］。3種方法中,基于模擬控制技術的三角載波線性控制法和滯環(huán)比較控制法是目前APF中普遍采用的方法,可通過多重化技術、自適應滯環(huán)帶等改進措施來克服其固有的缺陷,提高其使用效率。相對而言,基于全數(shù)字化控制技術的無差拍控制法在APF中的應用還較少,但隨著微機控制技術的不斷發(fā)展以及數(shù)字信號處理器(DSP)運算速度的不斷提高,其將在APF中得到進一步的應用。以上的APF控制方法都是基于跟蹤非線性負荷諧波進行控制的思想,其測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)都較復雜。近年來,我國學者提出了基于優(yōu)化特定消諧PWM技術的廣義有源濾波器［29,30］,通過改變逆變器輸出波形的頻譜分布,使其接近于正弦波,從而達到消諧的目的。從原理上看,廣義有源濾波器是一種新型非跟蹤型有源濾波器,其控制系統(tǒng)比較簡單,是一種構思較新穎的有源濾波器。4APF的應用及其發(fā)展趨勢有源濾波器作為改善供電質量的一項關鍵技術,在日本、美國、德國等工業(yè)發(fā)達國家已得到了高度重視和日益廣泛的應用。目前,世界上APF的主要生產(chǎn)廠家有日本三菱電機公司、美國西屋電氣公司、德國西門子公司等。據(jù)文獻［8］介紹,自1981年以來,僅在日本,已有500多臺APF投入運行,容量范圍由50kVA到60MVA。從近年來的研究和應用中可以看出APF具有如下的發(fā)展趨勢:a.通過采用PWM調制和可提高開關器件等效開關頻率的多重化技術,實現(xiàn)對高次諧波的有效補償。當APF的容量小于2MVA時,通常采用IGBT及PWM技術進行諧波補償。當容量大于5MVA時,通常采用GTO及多重化技術進行諧波補償。b.當前大功率濾波裝置從經(jīng)濟上考慮,可以采用APF與LC無源濾波器并聯(lián)使用的混合型有源濾波系統(tǒng),以減小APF的容量,達到降低成本、提高效率的目的。其中LC濾波器用來消除高次諧波,APF用來補償?shù)痛沃C波分量。c.從長遠角度看,隨著大量換流器用于變頻調速系統(tǒng),其價格必然下降；同時,隨著半導體器件制造水平的迅速發(fā)展,尤其是IGBT的廣泛應用,混合型有源濾波系統(tǒng)低成本的優(yōu)勢將逐漸消失,而串—并聯(lián)APF由于其功能強大、性價比高,將是一種很有發(fā)展前途的有源濾波裝置。d.可通過單節(jié)點單裝置的裝設,達到多節(jié)點諧波電壓綜合治理的APLC的出現(xiàn),表明電力系統(tǒng)諧波治理正朝著動態(tài)、智能、經(jīng)濟效益好的方向發(fā)展。與國外廣泛應用APF相比,我國的有源濾波技術還處在研究試驗階段,工業(yè)應用上只有少數(shù)幾臺樣機投入運行［29,31］,這與我國目前諧波污染日益嚴重的狀況很不適應。隨著我國電能質量治理工作的深入開展,利用APF進行諧波治理將會具有巨大的市場應用潛力,有源濾波技術必將得到廣泛的應用。■作者簡介:胡銘,男,博士研究生,主要從事電力電子技術在配電系統(tǒng)的應用、電能質量分析等領域的研究。陳珩,男,教授,博士生導師,主要從事電力電子技術在電力系統(tǒng)應用、電力系統(tǒng)數(shù)字仿真、電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定等領域的研究。作者單位:胡銘(東南大學電氣工程系,南京210096)陳珩(東南大學電氣工程系,南京210096)參考文獻:［1］吳競昌(WuJC).供電系統(tǒng)諧波(PowerSupplySystemHarmonics).北京:中國電力出版社(Beijing:ChineseElectricPowerPublishingCompany),1998［2］HingoraniNG.IntroducingCustomPower.IEEESpectrum,1995,32(6):41～48［3］ArrillagaJ,BradleyDA,BodgerPS.PowerSystemHarmonics.NewYork:JohnWileyandSonsLtd,1985［4］SasakiH,MachidaT.ANewMethodtoEliminateACHarmonicCurrentbyMagneticFluxCompensation-ConsiderationonBasicDesign.IEEETransonPowerApparatusandSystems,1971,90（5）:2009～2016［5］GyugyiL,StryculaEC.ActiveACPowerFilters.ProceedingsofIEEE-IAS,1976:529～535［6］AkagiH,NabaeA.InstantaneousReactivePowerCompensatorsComprisingSwitchingDevicesWithoutEnergyStorageComponents.IEEETransonIndustryApplications,1984,20（3）:625～630［7］錢照明,葉忠明,董伯藩(QianZM,YeZM,DongBF).諧波抑制技術(HarmonicsSuppressionTechniques).電力系統(tǒng)自動化(AutomationofElectricPowerSystems),1997,21(10):48～54［8］AkagiH.NewTrendsinActiveFiltersforPowerConditioning.IEEETransonIndustryApplications,1996,32(6):1312～1322［9］PengFZ,LaiJ.ApplicationConsiderationsandCompensationCharacteristicsofShuntActiveandSeriesActiveFilterinPowerSystem.In:ProceedingsofICHQPVII.LasVegas:1996.12～20［10］PengFZ,AkagiH,NabaeA.ANewApproachtoHarmonicCompensationinPowerSystems——ACombinedSystemofShuntPassiveandSeriesActiveFilters.IEEETransonIndustryApplications,1990,26(6):983～990［11］劉進軍,王兆安(LiuJJ,WangZA).串聯(lián)混合型單相電力有源濾波器穩(wěn)態(tài)特性的研究(SteadyStateCharacteristicsofaHybridTypeSeriesActivePowerFilterUsedinSingle-PhaseCircuit).中國電機工程學報(ProceedingsoftheCSEE),1997,17（4）:248～253［12］AredesM,HeumannK,WatanabeEH.AnUniversalActivePowerLineConditioner.IEEE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