1 引 言

 

    近年來，隨著電力電子技術的廣泛應用，電能得到了更加充分的利用。但電力電子裝置自身所具有的非線性也使得電網(wǎng)的電壓和電流發(fā)生畸變，這些高度非線性設備數(shù)量和額定容量的日益增大使得電力系統(tǒng)諧波污染問題日益嚴重，已成為了影響電能質(zhì)量的公害，對電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟運行造成極大的影響;而另一方面供電方及其電力系統(tǒng)設備、用戶及其用電器對電能質(zhì)量的要求越來越高，這一矛盾使得人們對諧波污染問題越來越重視。據(jù)《中國電力》報道，我國僅由電能質(zhì)量問題造成的年電能損失就高達400多億元，冶金、鐵路、礦山等企業(yè)的諧波嚴重超標，因諧波問題導致的開關跳閘、大面積停電甚至電力系統(tǒng)解列等事故也屢見不鮮，因此對電力系統(tǒng)的諧波污染進行綜合治理已成為擺在科技工作者面前的一個具有重要現(xiàn)實意義的研究課題。而有源電力濾波器(active power filter-apf)由于具有高度可控性和快速響應性，能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，因而受到廣泛的重視，成為目前國內(nèi)外供電系統(tǒng)諧波抑制研究的熱點。

 

    2 諧波治理的措施

 

    目前，在電力系統(tǒng)中抑制或減少諧波主要從兩個方面進行：第一方面是從產(chǎn)生諧波的諧波源裝置本身入手。在這些裝置設計時就考慮減小諧波的方法，增加諧波抑制環(huán)節(jié)，已減少電網(wǎng)的諧波注入量，在諧波源本身采取一些措施能大大減小電網(wǎng)諧波。但由于現(xiàn)代電力系統(tǒng)的復雜性以及電力半導體裝置開關工作方式，不可能完全消除電網(wǎng)諧波。所以，諧波治理的第二個重要方面就是研究對系統(tǒng)中的諧波進行有效濾波和補償?shù)姆椒ê痛胧Ｏ旅娣謩e簡要介紹這兩方面工作的現(xiàn)狀和發(fā)展。

 

    2.1 治理諧波源

 

    我國在有源電力濾波器的應用研究方面，繼日本、美國、德國等之后，得到學術界和企業(yè)界的充分重視，并投入了大量的人力和物力，但和電子工業(yè)發(fā)達的國家相比有一定的差距。到目前為止，我國也有幾臺類似產(chǎn)品投入工業(yè)試運行，如華北電力試驗研究所、冶金部自動化研究院和北京供電公司聯(lián)合開發(fā)、研究的有源高次諧波抑制裝置于1992年在北京木材廠中心變電站投入工業(yè)運行，該裝置采用了三個單相全控橋逆變器(功率開關為gtr)，用于低壓電網(wǎng)單個諧波源的諧波補償，該套裝置容量不是很大，且補償效果主要體現(xiàn)在幾個特定次數(shù)的諧波(5、7、11、13次)上，同時調(diào)制載波的頻率(3.3khz)不太高，諧波跟蹤、補償效果并不是十分理想;華南理工大學研制了混合型有源電力濾波器用于牽引變電站的諧波治理，該裝置在減小濾波器有源部分容量和技術實現(xiàn)上做了大量的工作，也取得了相當?shù)某晒?，但依然有一些技術需進一步研究并加以完善和改進，如其濾波效果和隔離基波電壓的無源網(wǎng)絡阻抗在設計上存在一定困難，無源網(wǎng)絡的阻抗大，則有源部分的容量小但系統(tǒng)濾波效果將降低，無源網(wǎng)絡的阻抗小，則濾波效果好但有源部分的容量也將隨之增大;西安交通大學提出了四重化變流器作為大容量有源電力濾波器主電路的方法，該方法有效地解決了大容量和開關頻率的矛盾，但相對而言成本較高，在一些具體實現(xiàn)技術上也尚在進一步研究之中。

 

    總的來講，目前我國有源電力濾波技術的工業(yè)應用，仍處于試驗和攻堅階段，特別是在既治理諧波又補償無功功率的hapf系統(tǒng)方面，還有許多基礎理論與技術有待于深入研究。

 

    apf在工程應用中，首先需要考慮的是成本和技術上的可行性，這主要由補償電流發(fā)生電路中的功率開關器件可選型號和價格來決定。所以，圍繞apf如何適應大容量、高電壓、低成本和多功能的要求，人們提出了各種有源濾波器的拓撲結構來適應不同場合工程應用的需要。

 

    根據(jù)有源濾波器和電網(wǎng)的連接方式，apf可以分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩大類。1986年akagi h.提出了并聯(lián)型apf單獨使用方式，它是最早期的有源濾波裝置，如圖1所示。

 

    有源電力濾波器的研究熱點和發(fā)展

 

    圖1 單獨使用的并聯(lián)型apf

 

    這種方式的主電路結構簡單，但由于逆變器直接承受基波電壓，所以其成本高且不適合高電壓系統(tǒng)的補償。為降低成本、減小逆變器的容量和適應高電壓的要求，人們利用pf的成本低的優(yōu)點，提出了各種apf與pf混合使用方式。1987年takeda m.等人提出用并聯(lián)型apf和并聯(lián) pf相結合的混合型apf，如圖2所示。

 

    有源電力濾波器的研究熱點和發(fā)展

 

    圖2 并聯(lián)型apf+并聯(lián)pf的hapf

 

    該方式利用無源部分濾除了大部分的諧波，所以其有源部分的諧波容量較小，且pf能夠提供一定的無功功率，但逆變器仍然直接承受了基波電壓，所以功率開關器件的耐壓等級并沒有降低。1990年fujita h.等人提出將apf與pf相串聯(lián)后與電網(wǎng)并聯(lián)的混合型方案，如圖3所示。

 

    有源電力濾波器的研究熱點和發(fā)展

 

    圖3 apf與pf串聯(lián)后并聯(lián)接入電網(wǎng)的hapf

 

    這種方式利用無源部分承受了大部分的基波電壓，所以逆變器承受的基波電壓小，適合于高電壓系統(tǒng)的應用。但由于流過無源部分的基波電流都流入逆變器，所以不能利用pf提供大容量的無功功率。利用無源元件lc的串、并聯(lián)諧振特性，人們提出了注入式apf的結構。將lc對基波串聯(lián)諧振電路作為有源部分的注入電路，能夠大大降低apf承受的基波電壓和容量，且可以利用無源元件提供無功功率，但其諧波容量相對較大，而且所能提供的無功容量有限。隨著電力電子技術的發(fā)展，全控型功率開關器件(如可關斷晶閘管gto和絕緣柵雙極性晶體管igbt)的電壓和電流額定值不斷提高，成本不斷降低，人們從雙或多逆變器的方向提出了各種apf的拓撲結構，來滿足工業(yè)應用的要求。1994年，akagi h.等提出一種將串聯(lián)型apf和并聯(lián)型apf進行混合的方式，如圖4所示，也稱為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(unified power quality conditioner，upqc)。

 

    這種方式從理論上講，可以抑制電壓閃變、電壓波動、不對稱和諧波，但由于采用了雙逆變器，所以存在控制復雜和成本高的缺點。

 

    上述描述了并聯(lián)型apf的發(fā)展現(xiàn)狀，有源濾波器還有另外一大類——串聯(lián)型apf，圖5為典型的串聯(lián)apf拓撲結構。

 

    圖5 單獨使用的串聯(lián)型apf

 

    串聯(lián)型apf單獨使用方式能有效濾除電網(wǎng)的諧波電壓，具有有源裝置容量小和運行效率高等優(yōu)點，但存在絕緣強度高、難以適應線路故障條件以及不能進行無功功率動態(tài)補償等缺點，且負載的基波電流全都流過連接用的變壓器，其工程實用性受到限制。在串聯(lián)型apf單獨使用方式基礎上發(fā)展出的串聯(lián)型apf混合型結構，也都同樣存在絕緣強度高和難以適應線路故障的缺點。

 

    3.2檢測和控制理論的研究

 

    根據(jù)apf的工作原理，要控制功率變換電路產(chǎn)生期望的諧波，一般要通過檢測電路獲取控制的參考信號，然后再利用控制電路產(chǎn)生控制信號去控制功率變換電路。因此，檢測和控制算法直接影響到apf的補償精度和補償速度，是apf的關鍵環(huán)節(jié)。

 

    通常apf需要實時補償電網(wǎng)的諧波分量和無功電流(如果需要補償無功功率)，所以，對檢測電路的快速性和準確性要求很高。但是這種檢測任務和一般的諧波分析不同，它只需將基波或有功分量與諧波分量分離即可。目前，研究諧波檢測方法的文獻有很多。最早的諧波電流檢測方法是采用模擬濾波器來實現(xiàn)，即采用陷波器將基波電流分量濾除，讓諧波分量通過。這種方法存在難以設計、誤差大、對電網(wǎng)頻率波動和電路元件參數(shù)十分敏感等，因而已很少使用。隨著數(shù)字化技術的發(fā)展，分別出現(xiàn)了基于頻域分析的fft算法、基于fryze功率定義的檢測方法、基于自適應噪聲對消原理的自適應電流檢測方法、基于瞬時無功功率理論的檢測方法，這些諧波檢測方法經(jīng)過不斷的改進，已經(jīng)比較成熟，但是并沒有一種理論可以廣泛的適用于各種情況，每種檢測方法都有一定的適用范圍和誤差，同時新的諧波檢測方法也在不斷的研究之中。

 

    有源濾波器通過檢測獲得參考信號后，apf的接下來的任務就是實時跟蹤參考信號了，這就要求對apf的控制有很好的快速性和準確性。從傳統(tǒng)控制理論的角度來看，參考信號獲取是給定，pwm逆變器是功率放大器，主電路中的無源部分是執(zhí)行機構，電網(wǎng)及負載是被控對象，控制要做的工作只是設計控制器來提高控制系統(tǒng)的性能。有文獻介紹的滯環(huán)控制方法以參考信號為基準，設計一個滯環(huán)帶，當實際的補償電流欲離開這一滯環(huán)帶時，逆變器開關動作，使實際補償電流保持在滯環(huán)帶內(nèi)，圍繞其參考值上下波動。這種方法相當于在求取開關模式時引入了bang-bang控制算法，具有控制電路簡單、響應速度快的優(yōu)點，是應用最廣泛的電流跟蹤控制方法之一。但這種方法存在開關頻率不固定、穩(wěn)態(tài)誤差不可消除的缺點。許多近期文獻提出各種措施，對這種方法有一些改進。有文獻分別提出了幾種不同拓撲結構apf的滑模變結構控制方法，通過判別電流跟蹤誤差在切換曲面兩側中的哪一側，直接選取相應的開關模式，控制率簡單，系統(tǒng)響應迅速。而且，由于滑動模具有不變性，使得系統(tǒng)的魯棒性較強。但是，現(xiàn)有的apf滑模變結構控制中，均是以跟蹤誤差為0構造切換曲面，控制率中只定義了誤差不為0的情況。因此，該控制率類似于環(huán)寬為0的滯環(huán)控制率，屬于有差調(diào)節(jié)，即誤差為0時沒有控制量產(chǎn)生，直到誤差不為0時控制器才會被激活。另外常見于相關文獻報道的控制算法包括基于無差拍控制方法、線性電流控制方法、單周控制法以及近年來一些智能控制算法。這些算法的出現(xiàn)對于apf的發(fā)展起了很大的促進作用。

 

    3.3 有源電力濾波器的數(shù)字化控制技術發(fā)展

 

    傳統(tǒng)的有源電力濾波器采用的是模擬控制系統(tǒng)，模擬控制的缺點也是顯而易見的。例如現(xiàn)在許多有源電力濾波器采用基于瞬時無功功率理論的dq方法計算諧波和無功電流，采用模擬器件需要8個硬件乘法器。為滿足精度要求，通常需選用高性能的四象限模擬乘法器。因此電路復雜，且性能不穩(wěn)定。

 

    為了改善有源電力濾波器的控制性能，有人開始使用單片機對有源電力濾波器進行控制，將非線性負載的三相電流送入a/d，轉換后的信號送入單片機進行數(shù)字控制算法處理，計算出指令電流，通過i/o口或pwm口直接發(fā)出開關控制信號。單片機的應用向數(shù)字化邁進了一步，但由于單片機運算速度的限制，影響計算精度和控制實時性。

 

    高速數(shù)字信號處理器(digital signal processor，dsp)的出現(xiàn)使采用數(shù)字方法實時計算諧波和無功電流變得更為現(xiàn)實。在基于dsp控制的有源電力濾波器中，將非線性負載的三相電流直接送入dsp內(nèi)部的a/d，dsp進行處理后通過控制算法計算出的控制指令電流，從pwm輸出口直接發(fā)出開關控制信號。用數(shù)字的方法實現(xiàn)諧波和無功電流的計算，能很好的解決模擬方法由于元器件老化和溫漂帶來的問題，抗干擾能力也大大增強;由于dsp芯片強大的運算能力，先進的控制理論可以得以實現(xiàn)，由于只需更改軟件，系統(tǒng)變得更加簡單。

 

    圖6給出了一個典型的dsp控制apf系統(tǒng)的結構圖。

 

    圖6 典型的dsp控制apf系統(tǒng)結構

 

    采用dsp來控制有源電力濾波器，主要具有以下優(yōu)點：

 

    (1) 運算速度快。由于通常的dsp都具有20mips以上的指令執(zhí)行速度，用來計算諧波和無功指令電流延遲很小，同時可以在較短的時間內(nèi)實現(xiàn)復雜的控制算法;

 

    (2) 可重復性好。dsp系統(tǒng)中設計人員在開發(fā)過程中可以靈活方便地對軟件進行修改和升級，甚至算法的改變，而模擬系統(tǒng)要改變算法的工作量將是巨大的;

 

    (3) 穩(wěn)定性好。dsp系統(tǒng)以數(shù)字處理為基礎，受環(huán)境溫度以及噪聲的影響較小，可靠性高;

 

    (4) 精度高。16為數(shù)字信號處理器精度可達10-5;

 

    (5) 集成度高。一塊dsp芯片基本無需外接擴展芯片即可完成系統(tǒng)的信號的采集、控制算法以及pwm的調(diào)制輸出。

 

    4 結束語

 

    現(xiàn)代工業(yè)技術的發(fā)展，造成工業(yè)電網(wǎng)諧波污染嚴重，對各種電氣設備造成危害，影響設備安全運行。同時，人們對環(huán)境保護意識的提高，要求凈化電網(wǎng)，形成一個“綠色”電網(wǎng)。有源電力濾波器具有良好的諧波抑制效果，系統(tǒng)控制靈活，具有很大發(fā)展?jié)摿?，其中pwm控制逆變器的建模，降低有源濾波器的開關損耗，抑制有源濾波器的電磁干擾，進一步提高有源電力濾波器的可靠性等方面逐漸成為諧波抑制領域熱門的研究課題。

 

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