有源電力濾波器的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)

朱 念

[摘要]詳細(xì)論述有源電力濾波器的發(fā)展以及發(fā)展到當(dāng)今的一些關(guān)鍵技術(shù)。

[關(guān)鍵詞]諧波有源電力濾波器無功補償電流檢測

中圖分類號：TM-9文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1 671—7597(2009)1010129—01

一、引言

隨著電力電子裝置和非線性負(fù)載的普遍使用，使諧波電流和無功電流大量注入電網(wǎng)，嚴(yán)重威脅了電網(wǎng)和電氣設(shè)備的正常使用。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，對電力系統(tǒng)的諧波無功進(jìn)行濾波和補償已成為現(xiàn)在的研究熱門。

二、有源電力濾波器的發(fā)展

目前，在電力系統(tǒng)中抑制或減少諧波主要從兩個方面進(jìn)行：一方面是從產(chǎn)生諧波的諧波源裝置本身入手。但是由于諧波源的多樣性，要完全濾除諧波是根難實現(xiàn)的。第二個重要的方面就是研究對系統(tǒng)中的諧波進(jìn)行有效濾波和補償?shù)姆椒ê痛胧?。主要采用無源濾波及有源濾波兩種方法對諧波進(jìn)行治理。由于無源濾波器的設(shè)計大多針對特定頻率的諧波，只能濾除特定次數(shù)諧波，存在著與電網(wǎng)發(fā)生諧振的可能性。70年代以來，由此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的有源電力濾波器成為一個研究熱點。它是一種動態(tài)抑制諧波和補償無功的電力電子裝置，它能對頻率和大小都變化的諧波和無功進(jìn)行補償，可以彌補無源濾波器的缺點，是一種理想的補償諧波裝置。

1971年，h.sasaki和T.Machida首次完整地描述了有源電力濾波器的基本原理，但當(dāng)時是采用線性放大的方法產(chǎn)生補償電流，其損耗大，成本高，因而僅在實驗室研究，未能在工業(yè)中實用。1976年，1.gyugyl等人提出了用四象限PWM變流器構(gòu)成的有源電力濾波器，正式確立了有源濾波的概念，并提出了相應(yīng)的主電路基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法。其基本原理是通過向電網(wǎng)注入與原有諧波和無功電流大小相等方向相反的補償電流，使電網(wǎng)的總諧波和無功電流為零，從而達(dá)到凈化電網(wǎng)的目的。PWM變流器是一種理想的補償電流發(fā)生電路，但由于當(dāng)時電力電子技術(shù)的發(fā)展水平還不高，因而有源電力濾波器仍局限于實驗研究。70年代后半期沒有得到大的進(jìn)展。1983年，日本長岡科技大學(xué)的akagth等人基于瞬時實功率p和瞬時虛功率q分解理論，提出了三相電路瞬時無功功率理論，為解決三相電力系統(tǒng)畸變電流的瞬時檢測提供了理論依據(jù)。與此同時新型電力電子器件的出現(xiàn)、PWM控制技術(shù)的發(fā)展以及瞬時無功功率理論的提出，極大地促進(jìn)了有源電力濾波器技術(shù)的發(fā)展。1986年akagih，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。1987年takedam，等人提出用并聯(lián)型APF和并聯(lián)PF相結(jié)合的混合型APF。1994年，akagih，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，也稱為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器。

目前有源電力濾波器在美國、日本等發(fā)達(dá)工業(yè)國家已廣泛用于國民經(jīng)濟的各個生產(chǎn)部門，并且諧波補償?shù)拇螖?shù)逐步提高(典型值達(dá)25次)，單機裝置的容量也逐步提高(APF的最大容量可達(dá)50mva)，其應(yīng)用領(lǐng)域正從補償用戶自身的諧波向改善整個電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的方向發(fā)展。國內(nèi)有源濾波器的研制始于20世紀(jì)80年代中期，1989年華北電力科學(xué)研究所研制出中國第一臺有源濾波器。此外，西安交通大學(xué)、清華大學(xué)等高校也陸續(xù)有新產(chǎn)品通過試制。20世紀(jì)90年代末期，電力濾波器在我國開始實質(zhì)性應(yīng)用，20世紀(jì)初，電力濾波器開始逐漸普及。2006年，電力濾波器的發(fā)展開始加速，無源濾波器，組合濾波器，有源濾波器都已開始實際應(yīng)用。目前，國內(nèi)有源濾波器的技術(shù)和產(chǎn)品還不完善，時機應(yīng)用也不成熟。

目前電力諧波器主要應(yīng)用的行業(yè)領(lǐng)域有：冶金行業(yè)；化工及電解化行業(yè)；機械行業(yè)；金屬、紙類、塑料加工行業(yè)；交通行業(yè)。汽車制造行業(yè)。2005年全球電力濾波器收入為4.167億美元，估計到2012年市場規(guī)模將達(dá)8.89億美元，年平均增長率在10％左右。

從無功補償?shù)慕嵌瓤?，在我國每年新增的無功補償有7000Mvar左右，新增市場容量約為50億元人民幣，保守估算，電力諧波器占有其中10％的市場份額。那么每年因無功補償?shù)男枰?，電力濾波器市場新增容量約為5億元人民幣，再加上專項諧波治理的需求，每年電力濾波器的市場總量大概在7-8億元人民幣，估計到2010年，電力濾波器的市場規(guī)模將達(dá)到10億元左右。

三、有源電力濾波器的關(guān)鍵技術(shù)

有源電力濾波器存在許多待解決的問題為：諧波理論的進(jìn)一步研究；進(jìn)一步降低補償裝置的容量(減小制造成本和損耗)；控制系統(tǒng)的簡化和數(shù)字化(提高裝置的可靠性)；電力系統(tǒng)諧波的精密檢測與控制技術(shù)。

指令電流的檢測和補償電流的產(chǎn)生是有源電力濾波器的兩個關(guān)鍵技術(shù)：電流的檢測是能檢測出基波有功電流、基波無功電流、基波負(fù)序電流、諧波電流以及任意次諧波電流等。諧波電流的檢測有以下幾種方法：

(1)模擬濾波器：

(2)基于Fryze傳統(tǒng)功率定義的諧波電流檢測法；

(3)基于快速傅立葉變換(FFT)的諧波電流檢測方法；

(4)基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測法；

(5)基于FBD法的諧波電流檢測法；

(6)自適應(yīng)諧波電流檢測法；

(7)基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)諧波電流檢測方法。

APF控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)電流檢測電路得到的指令電流信號，合理地控制逆變器開關(guān)器件的動作，使實際輸出補償電流能夠?qū)崟r跟隨指令電流。顯然，當(dāng)APF主電路結(jié)構(gòu)和電流檢測方法均已確定后，控制系統(tǒng)成為APF性能和效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。APF控制系統(tǒng)主要包括兩個方面：

(1)APF出補償電流的控制；

(2)APF直流母線電壓的控制。

補償電流的產(chǎn)生通常采用基于PWM的電壓源逆變器，其電流控制方法主要有以下幾種；

(1)滯環(huán)電流控制；

(2)三角波調(diào)制控制；

(3)空間矢量調(diào)制控制；

(4)無差拍控制；

(5)滑模變結(jié)構(gòu)控制；

(6)單周控制；

(7)預(yù)測控制。