1 引 言

 

    近年來，隨著電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)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(shè)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(yán)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(jì)運(yùn)行造成極大的影響;而另一方面供電方及其電力系統(tǒng)設(shè)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(bào)道，我國僅由電能質(zhì)量問題造成的年電能損失就高達(dá)400多億元，冶金、鐵路、礦山等企業(yè)的諧波嚴(yán)重超標(biāo)，因諧波問題導(dǎo)致的開關(guān)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(jìn)行綜合治理已成為擺在科技工作者面前的一個(gè)具有重要現(xiàn)實(shí)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(yīng)性，能對頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)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(diǎn)。

 

    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(gè)方面進(jìn)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(shè)計(jì)時(shí)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(fù)雜性以及電力半導(dǎo)體裝置開關(guān)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(gè)重要方面就是研究對系統(tǒng)中的諧波進(jìn)行有效濾波和補(bǔ)償?shù)姆椒ê痛胧?。下面分別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(yīng)用研究方面，繼日本、美國、德國等之后，得到學(xué)術(shù)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(dá)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(yùn)行，如華北電力試驗(yàn)研究所、冶金部自動(dòng)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(yùn)行，該裝置采用了三個(gè)單相全控橋逆變器(功率開關(guān)為gtr)，用于低壓電網(wǎng)單個(gè)諧波源的諧波補(bǔ)償，該套裝置容量不是很大，且補(bǔ)償效果主要體現(xiàn)在幾個(gè)特定次數(shù)的諧波(5、7、11、13次)上，同時(shí)調(diào)制載波的頻率(3.3khz)不太高，諧波跟蹤、補(bǔ)償效果并不是十分理想;華南理工大學(xué)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(shù)實(shí)現(xiàn)上做了大量的工作，也取得了相當(dāng)?shù)某晒?，但依然有一些技術(shù)需進(jìn)一步研究并加以完善和改進(jìn)，如其濾波效果和隔離基波電壓的無源網(wǎng)絡(luò)阻抗在設(shè)計(jì)上存在一定困難，無源網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(xué)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(guān)頻率的矛盾，但相對而言成本較高，在一些具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)上也尚在進(jìn)一步研究之中。

 

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

 

    apf在工程應(yīng)用中，首先需要考慮的是成本和技術(shù)上的可行性，這主要由補(bǔ)償電流發(fā)生電路中的功率開關(guān)器件可選型號和價(jià)格來決定。所以，圍繞apf如何適應(yīng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)來適應(yīng)不同場合工程應(yīng)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(dú)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(diǎn)和發(fā)展

 

    圖1 單獨(dú)使用的并聯(lián)型apf

 

    這種方式的主電路結(jié)構(gòu)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(bǔ)償。為降低成本、減小逆變器的容量和適應(yīng)高電壓的要求，人們利用pf的成本低的優(yōu)點(diǎn)，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(jié)合的混合型apf，如圖2所示。

 

    有源電力濾波器的研究熱點(diǎn)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(guān)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(diǎn)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(yīng)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(jié)構(gòu)。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(shù)的發(fā)展，全控型功率開關(guān)器件(如可關(guān)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，來滿足工業(yè)應(yīng)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(jìn)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(dòng)、不對稱和諧波，但由于采用了雙逆變器，所以存在控制復(fù)雜和成本高的缺點(diǎn)。

 

    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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

 

    圖5 單獨(dú)使用的串聯(lián)型apf

 

    串聯(lián)型apf單獨(dú)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(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，但存在絕緣強(qiáng)度高、難以適應(yīng)線路故障條件以及不能進(jìn)行無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償等缺點(diǎn)，且負(fù)載的基波電流全都流過連接用的變壓器，其工程實(shí)用性受到限制。在串聯(lián)型apf單獨(dú)使用方式基礎(chǔ)上發(fā)展出的串聯(lián)型apf混合型結(jié)構(gòu)，也都同樣存在絕緣強(qiáng)度高和難以適應(yīng)線路故障的缺點(diǎn)。

 

    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(bǔ)償精度和補(bǔ)償速度，是apf的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

 

    通常apf需要實(shí)時(shí)補(bǔ)償電網(wǎng)的諧波分量和無功電流(如果需要補(bǔ)償無功功率)，所以，對檢測電路的快速性和準(zhǔn)確性要求很高。但是這種檢測任務(wù)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(xiàn)有很多。最早的諧波電流檢測方法是采用模擬濾波器來實(shí)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(shè)計(jì)、誤差大、對電網(wǎng)頻率波動(dòng)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(shù)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(yīng)噪聲對消原理的自適應(yīng)電流檢測方法、基于瞬時(shí)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(jìn)，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(shí)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(wù)就是實(shí)時(shí)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(zhǔn)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(jī)構(gòu)，電網(wǎng)及負(fù)載是被控對象，控制要做的工作只是設(shè)計(jì)控制器來提高控制系統(tǒng)的性能。有文獻(xiàn)介紹的滯環(huán)控制方法以參考信號為基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)一個(gè)滯環(huán)帶，當(dāng)實(shí)際的補(bǔ)償電流欲離開這一滯環(huán)帶時(shí)，逆變器開關(guān)動(dòng)作，使實(shí)際補(bǔ)償電流保持在滯環(huán)帶內(nèi)，圍繞其參考值上下波動(dòng)。這種方法相當(dāng)于在求取開關(guān)模式時(shí)引入了bang-bang控制算法，具有控制電路簡單、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用最廣泛的電流跟蹤控制方法之一。但這種方法存在開關(guān)頻率不固定、穩(wěn)態(tài)誤差不可消除的缺點(diǎn)。許多近期文獻(xiàn)提出各種措施，對這種方法有一些改進(jìn)。有文獻(xiàn)分別提出了幾種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)apf的滑模變結(jié)構(gòu)控制方法，通過判別電流跟蹤誤差在切換曲面兩側(cè)中的哪一側(cè)，直接選取相應(yīng)的開關(guān)模式，控制率簡單，系統(tǒng)響應(yīng)迅速。而且，由于滑動(dòng)模具有不變性，使得系統(tǒng)的魯棒性較強(qiáng)。但是，現(xiàn)有的apf滑模變結(jié)構(gòu)控制中，均是以跟蹤誤差為0構(gòu)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(shí)沒有控制量產(chǎn)生，直到誤差不為0時(shí)控制器才會(huì)被激活。另外常見于相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)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(jìn)作用。

 

    3.3 有源電力濾波器的數(shù)字化控制技術(shù)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(diǎn)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(shí)無功功率理論的dq方法計(jì)算諧波和無功電流，采用模擬器件需要8個(gè)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(fù)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(jī)對有源電力濾波器進(jìn)行控制，將非線性負(fù)載的三相電流送入a/d，轉(zhuǎn)換后的信號送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字控制算法處理，計(jì)算出指令電流，通過i/o口或pwm口直接發(fā)出開關(guān)控制信號。單片機(jī)的應(yīng)用向數(shù)字化邁進(jìn)了一步，但由于單片機(jī)運(yùn)算速度的限制，影響計(jì)算精度和控制實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)計(jì)算諧波和無功電流變得更為現(xiàn)實(shí)。在基于dsp控制的有源電力濾波器中，將非線性負(fù)載的三相電流直接送入dsp內(nèi)部的a/d，dsp進(jìn)行處理后通過控制算法計(jì)算出的控制指令電流，從pwm輸出口直接發(fā)出開關(guān)控制信號。用數(shù)字的方法實(shí)現(xiàn)諧波和無功電流的計(jì)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(qiáng);由于dsp芯片強(qiáng)大的運(yùn)算能力，先進(jìn)的控制理論可以得以實(shí)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(gè)典型的dsp控制apf系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

 

    圖6 典型的dsp控制apf系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

 

    采用dsp來控制有源電力濾波器，主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

 

    (1) 運(yùn)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(jì)算諧波和無功指令電流延遲很小，同時(shí)可以在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法;

 

    (2) 可重復(fù)性好。dsp系統(tǒng)中設(shè)計(jì)人員在開發(fā)過程中可以靈活方便地對軟件進(jìn)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(chǔ)，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(dá)10-5;

 

    (5) 集成度高。一塊dsp芯片基本無需外接擴(kuò)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(jié)束語

 

    現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，造成工業(yè)電網(wǎng)諧波污染嚴(yán)重，對各種電氣設(shè)備造成危害，影響設(shè)備安全運(yùn)行。同時(shí)，人們對環(huán)境保護(hù)意識的提高，要求凈化電網(wǎng)，形成一個(gè)“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(guān)損耗，抑制有源濾波器的電磁干擾，進(jìn)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(lǐng)域熱門的研究課題。

 

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