有源电力滤波器产品化的研究

有源电力滤波器产品化的研究

摘要：作者是上海交大的在职工程硕士毕业，从事实际工作多年，工程研究方向为电力有源滤波器。现在直接代表国外公司推广有源滤波器、无功补偿产品。本文介绍了电力有源滤波器的技术发展动态，并结合对国外现有的工程化产品的研究，提出了APF国产化进程中需要注意的一些问题。
关键词：有源滤波器 性能 产品化

一．引言
　　电力电子技术带来方便、高效的巨大利益的同时，它的非线性、冲击性和不平衡用电特性，对公用电网注入大量的谐波和无功功率, 电能质量有明显恶化的趋势。另一方面，随着以计算机为代表的大量敏感设备的普及应用，人们对公用电网的供电质量要求越来越高，对电网中的谐波含量及用电设备的功率因数提出了更严格的要求。
　　许多国家及地区已经制定了各自的谐波标准。我国也分别于1984年及1993年通过了"电力系统谐波管理暂行规定"及GB/T-14549-93标准，用以限制供电系统及用电设备的谐波污染。
　　传统的谐波抑制和无功补偿方法是无源滤波技术，即使用由电力电容器等无源器件构成无源滤波器，该无源滤波器与需补偿的非线性负载并联，为谐波提供一个低阻通路的同时也提供负载所需要的无功功率。虽然无源滤波器具有简单、方便的优点，但它也存在如下缺点：（1）只能抑制固定的几次谐波，并对某次谐波在一定条件下会产生谐振而使谐波放大；（2）只能补偿固定的无功功率，对变化的无功负载不能进行精确补偿；（3）其滤波特性受系统参数影响较大，并且其滤波特性有时很难与调压要求相协调。

　　针对无源滤波技术的上述缺点，1976年，L·Gyugi提出用PWM逆变器构成电力有源滤波器（active power filter，简称APF）。80年代以后，由于电力电子器件及其控制技术的发展，APF技术的发展逐步走向成熟，在国外已得到广泛应用。与无源滤波器相比，APF具有高度可控制和快速响应特性，并且能跟踪补偿各次谐波、自动产生所需变化的无功功率，其特性不受系统影响，无谐波放大危险，相对体积重量较小等突出优点，因而已成为电力谐波抑制和无功补偿的重要手段。

二． 有源电力滤波器的性能要求
　　下面我们针对国际和国家标准对电能质量的规定，来研究工程化有源滤波器应该达到的性能指标。
　　在国际上，各个国际组织如电气及电子工程师协会、国际电工委员会（IEC）和国际大电网会议（CIGRE），纷纷推出了各自建议的与谐波有关的标准。在这些标准中，被广泛接受的有IEEE 519标准和IEC555-2标准。在我国，原水利电力部于1984年根据国家经济委员会批转的《全国供用电规则》的规定制定并发布了SD126-84《电力系统谐波管理暂行规定》。国家技术监督局于1993年颁布了谐波国家标准GB/T14549-93《电能质量 公用电网谐波》，该标准已于1994年在我国开始实施。
　　谐波（Harmonic）即对周期性的变流量进行傅里叶级数分解，得到频率为大于1的整数倍基波频率的分量，它是由电网中非线性负荷而产生的。《电能质量 公用电网谐波》（GB/T14529－ 93）中规定了各电压等级的总谐波畸变率，各单次奇次电压含有率和各单次偶次电压含有率的限制值。该标准还规定了电网公共连接点的谐波电流（2～25次）注入的允许值；而且同一公共连接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配，以体现供配电的公正性。
　　电压波动（Fluctuation）即电压方均根值一系列的变动或连续的改变，闪变（Flick）即灯光照度不稳定造成的视感，是由波动负荷 ，如电弧炉、轧机、电弧焊机等引起的。《电能质量 电压波动和闪变》（GB12326－2000）是在原来标准GB12326－90的基础上，参考了国际电工委员会（IEC）电磁兼容（EMC）标准IEC6100－3－7等而修订而成的，适用于由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动及由此可能人对灯闪明显感觉的场合，该标准规定了各级电压下的闪变限制值。
　　三相电压不平衡允许值指的是在电力系统正常运行的最小方式下负荷所引起的电压不平衡度为最大的生产（运行）周期中的实测值，例如炼钢电弧炉应在熔化期测量等。《电能质量 三相电压允许不平衡度》（GB/T15543－1995）适用于交流额定频率为50Hz电力系统正常运行方式下由于负序分量而引起的PCC点连接点的电压不平衡，该标准规定：电力系统公共连接点正常运行方式下不平衡度允许值为2％，短时间不得超过4％。
　　有源滤波（APF）在柔性交流输电系统（FACTS）家族中具有广义性。电能质量的许多问题均可通过不同的控制手段由有源滤波装置来解决。如谐波抑制、无功补偿、相间对称校正等。其次，在时域和频域分解的观点上，电能质量的诸多问题与谐波是统一的，仅作用频率不同，如：基波频率整数倍的分量为通常意义上的谐波；分数倍、非整数倍分量分别称为闪变、间谐波；而基波无功、非周期量可以分别看成是频率为系统频率和零频率的分量等。
　　有源滤波器的性能要求，应以在任何状况下能精确、快速地分离出谐波和无功分量，并进行实时补偿来进行谐波抑制、无功补偿、相间对称校正为依据。
　　有源滤波器的稳态滤波性能可视为滤波的精度指标，即输入稳定的谐波源，不论检测出谐波和无功分量的时延如何，以最终检测出的谐波与电网电流之差（即经过补偿后的电流）的THD（Total Harmonics Distortion）作为衡量标准。根据实际工业情况，以奇次谐波为主。
　　有源滤波器的动态滤波性能可视为滤波的速度指标，即最终补偿后的THD值在一定范围的条件下，在谐波出现或突变后的第几个周波，检测出的谐波分量才能完全跟踪上实际谐波分量。对实际中各种复杂的工况，应考虑的情况有：负荷电流幅值突变（Magnitude Flop），非周期脉冲干扰（Nonperiodic Pulse），谐波相位突变（Phase Shift），电网电压的畸变影响（Voltage Harmonics）。

三． 有源电力滤波器的技术发展
　　有源电力滤波器技术近期的发展主要集中在以下几个方面：（1）谐波理论的进一步研究；（2）控制系统的简化与数字化；（3）与无源滤波器的混合使用。
　　有源电力滤波器必须实时检测、计算补偿对象的谐波电流。基于频域运算的模拟带通滤波方法需要采用锐截止的高阶带通滤波器，对电网频率波动和电路元件参数较敏感。基于快速付里叶变换为基础的全数字频域滤波方法，根据采集到的一个电周期的电流值进行计算，得到该电流所包含的谐波次数。其缺点是需要一定的时间采样并且要进行两次变换，计算量大、存在较大时延、实时性较差、补偿效果不好等问题。
　　80年代以后日本学者赤木泰文等人提出了瞬时无功功率理论。以该理论为基础，可以得出用于有源电力滤波器的谐波和无功电流的实时检测方法，对于谐波和无功补偿装置的研究和开发起了极大的推动作用。三相电路瞬时无功功率理论已经成功地应用到三相三线制系统，在国外有源电力滤波器已被广泛使用。
　　基于瞬时无功功率理论的各种检测计算电路，实现时多为模拟电路，其线路较为繁琐、结构较为复杂。许多学者提出了许多简单的理论和方法，力图来完成谐波分离工作。随着DSP芯片的日趋完善，采用数字化方法来实现这部分工作的研究也在积极地进行。
　　由于有源滤波器的价格要远高于无源滤波器，新的综合电力滤波系统，由传统无功补偿滤波器和小容量有源滤波器构成，与被补偿的谐波负载并联连接，大大提高了无源滤波器的滤波效果，同时价格也比全部使用有源滤波器大大降低。现在国外这方面的工作已相当成熟，许多公司的产品已进入中国。
　
四． 国外成熟产品的设计策略
　　国外工程界对APF已有了多年的实践，已有多家国外著名公司的有源滤波器产品进入国内市场。我们对一些国外产品进行实际研究，力图对APF的设计及国产化工作做一些探讨。
　　（1）补偿容量的确定
　　有源电力滤波器中最基本的是并联型，其容量取决于与母线电压有效值与补偿电流有效值的乘积。只补偿谐波时，有源电力滤波器的补偿电流与负载电流的谐波分量大小相等而方向相反。如果要求同时补偿谐波和无功，则装置容量由要求的谐波组成及要求补偿的无功程度共同决定。
　　（2）功率电子器件的选用
　　大部分中小容量的有源电力滤波器中，主回路采用的器件基本为IGBT，只有当容量达到MW级的大容量装置才使用GTO。在APF装置中选用IGBT，有以下的优点：驱动电路简单；模块开关频率高，相对交流滤波电感可小；反应速度快，适合于快速反馈、快速控制。
　　（3）控制电路采用的方式
　　工程化的有源电力滤波器很多是采用模拟和数字相结合的控制方式，实践证明当涉及到电流反馈控制的时候，模拟方式总是优于数字方式，DSP芯片的出现，使得人们有可能对以往的控制电路进行优化。但应用于APF，目前的DSP芯片的性能有许多限制，很多国外产品都是采用模拟和数字相结合的控制电路，补偿速度和补偿精度都较满意。
　　（4）谐波电流的检测方法
　　谐波的检测方法可以有负载电流检测、电源电流检测、电源电压检测等方法，工程实践中用负载电流的检测方法与用电源电流的检测方法之比为10：1。负载电流检测，是一个前馈系统；电源电流检测，可以组成一个闭环系统。从实际使用效果来看，检测电源电流方式进行补偿的结果比只检测负载电流方式的补偿效果好。同时，应用电压检测方法的比例也有所增加，设置检测电压的目的在于补偿闪变。
　　（5）内部高通滤波器的设计
　　有源滤波器主电路中各桥臂开关器件高频开通关断，会在工作频率附近产生次数很高的谐波。为了消除这些谐波，需要在系统中并联由电容、电感等组成的高通滤波器。但该高通滤波器的引入，有可能带来谐振和电网侧电流及公共连接点电压波形畸变。国外成熟产品可以用检测电网侧电流的方式工作，组成一个闭环系统，将自身原因带来的谐振和畸变问题消除。
　　（6）APF的多台并联使用
　　当有源电力滤波器用于大容量谐波补偿时，将面临着器件开关频率与容量之间的矛盾。目前工业现场中常采用多台小容量有源电力滤波器并联，每个APF有各自的主电路和控制电路，APF的控制和补偿由其自身来完成，各台有源电力滤波器输出的补偿电流由通信方式进行协调控制，一台为主，其余为从。
　　（7）有源滤波器和无源滤波器的混合使用
　　将APF与无源滤波器并联使用，合理分担补偿需求，可使APF容量减小。但由于并联无源滤波器的影响，负荷的等效谐波阻抗将减小，当其不满足远大于电网的谐波阻抗条件时，APF的补偿特性将受电网阻抗的影响，APF的谐波补偿电流还可能注入无源滤波器中。因此需对APF和无源滤波器的设计进行特殊考虑，并不是简单地1+1进行并联，这在研究有源滤波器较早的国家已得到验证。