有源電力濾波器產品化的研究

摘要：作者是上海交大的在職工程碩士畢業，從事實際工作多年，工程研究方向為電力有源濾波器。現在直接代表國外公司推廣有源濾波器、無功補償產品。本文介紹了電力有源濾波器的技術發展動態，并結合對國外現有的工程化產品的研究，提出了APF國產化進程中需要注意的一些問題。
關鍵詞：有源濾波器 性能 產品化

一．引言
　　電力電子技術帶來方便、高效的巨大利益的同時，它的非線性、沖擊性和不平衡用電特性，對公用電網注入大量的諧波和無功功率, 電能質量有明顯惡化的趨勢。另一方面，隨著以計算機為代表的大量敏感設備的普及應用，人們對公用電網的供電質量要求越來越高，對電網中的諧波含量及用電設備的功率因數提出了更嚴格的要求。
　　許多國家及地區已經制定了各自的諧波標準。我國也分別于1984年及1993年通過了"電力系統諧波管理暫行規定"及GB/T-14549-93標準，用以限制供電系統及用電設備的諧波污染。
　　傳統的諧波抑制和無功補償方法是無源濾波技術，即使用由電力電容器等無源器件構成無源濾波器，該無源濾波器與需補償的非線性負載并聯，為諧波提供一個低阻通路的同時也提供負載所需要的無功功率。雖然無源濾波器具有簡單、方便的優點，但它也存在如下缺點：（1）只能抑制固定的幾次諧波，并對某次諧波在一定條件下會產生諧振而使諧波放大；（2）只能補償固定的無功功率，對變化的無功負載不能進行精確補償；（3）其濾波特性受系統參數影響較大，并且其濾波特性有時很難與調壓要求相協調。

　　針對無源濾波技術的上述缺點，1976年，L·Gyugi提出用PWM逆變器構成電力有源濾波器（active power filter，簡稱APF）。80年代以后，由于電力電子器件及其控制技術的發展，APF技術的發展逐步走向成熟，在國外已得到廣泛應用。與無源濾波器相比，APF具有高度可控制和快速響應特性，并且能跟蹤補償各次諧波、自動產生所需變化的無功功率，其特性不受系統影響，無諧波放大危險，相對體積重量較小等突出優點，因而已成為電力諧波抑制和無功補償的重要手段。

二． 有源電力濾波器的性能要求
　　下面我們針對國際和國家標準對電能質量的規定，來研究工程化有源濾波器應該達到的性能指標。
　　在國際上，各個國際組織如電氣及電子工程師協會、國際電工委員會（IEC）和國際大電網會議（CIGRE），紛紛推出了各自建議的與諧波有關的標準。在這些標準中，被廣泛接受的有IEEE 519標準和IEC555-2標準。在我國，原水利電力部于1984年根據國家經濟委員會批轉的《全國供用電規則》的規定制定并發布了SD126-84《電力系統諧波管理暫行規定》。國家技術監督局于1993年頒布了諧波國家標準GB/T14549-93《電能質量 公用電網諧波》，該標準已于1994年在我國開始實施。
　　諧波（Harmonic）即對周期性的變流量進行傅里葉級數分解，得到頻率為大于1的整數倍基波頻率的分量，它是由電網中非線性負荷而產生的。《電能質量 公用電網諧波》（GB/T14529－ 93）中規定了各電壓等級的總諧波畸變率，各單次奇次電壓含有率和各單次偶次電壓含有率的限制值。該標準還規定了電網公共連接點的諧波電流（2～25次）注入的允許值；而且同一公共連接點的每個用戶向電網注入的諧波電流允許值按此用戶在該點的協議容量與其公共連接點的供電設備容量之比進行分配，以體現供配電的公正性。
　　電壓波動（Fluctuation）即電壓方均根值一系列的變動或連續的改變，閃變（Flick）即燈光照度不穩定造成的視感，是由波動負荷 ，如電弧爐、軋機、電弧焊機等引起的。《電能質量 電壓波動和閃變》（GB12326－2000）是在原來標準GB12326－90的基礎上，參考了國際電工委員會（IEC）電磁兼容（EMC）標準IEC6100－3－7等而修訂而成的，適用于由波動負荷引起的公共連接點電壓的快速變動及由此可能人對燈閃明顯感覺的場合，該標準規定了各級電壓下的閃變限制值。
　　三相電壓不平衡允許值指的是在電力系統正常運行的最小方式下負荷所引起的電壓不平衡度為最大的生產（運行）周期中的實測值，例如煉鋼電弧爐應在熔化期測量等。《電能質量 三相電壓允許不平衡度》（GB/T15543－1995）適用于交流額定頻率為50Hz電力系統正常運行方式下由于負序分量而引起的PCC點連接點的電壓不平衡，該標準規定：電力系統公共連接點正常運行方式下不平衡度允許值為2％，短時間不得超過4％。
　　有源濾波（APF）在柔性交流輸電系統（FACTS）家族中具有廣義性。電能質量的許多問題均可通過不同的控制手段由有源濾波裝置來解決。如諧波抑制、無功補償、相間對稱校正等。其次，在時域和頻域分解的觀點上，電能質量的諸多問題與諧波是統一的，僅作用頻率不同，如：基波頻率整數倍的分量為通常意義上的諧波；分數倍、非整數倍分量分別稱為閃變、間諧波；而基波無功、非周期量可以分別看成是頻率為系統頻率和零頻率的分量等。
　　有源濾波器的性能要求，應以在任何狀況下能精確、快速地分離出諧波和無功分量，并進行實時補償來進行諧波抑制、無功補償、相間對稱校正為依據。
　　有源濾波器的穩態濾波性能可視為濾波的精度指標，即輸入穩定的諧波源，不論檢測出諧波和無功分量的時延如何，以最終檢測出的諧波與電網電流之差（即經過補償后的電流）的THD（Total Harmonics Distortion）作為衡量標準。根據實際工業情況，以奇次諧波為主。
　　有源濾波器的動態濾波性能可視為濾波的速度指標，即最終補償后的THD值在一定范圍的條件下，在諧波出現或突變后的第幾個周波，檢測出的諧波分量才能完全跟蹤上實際諧波分量。對實際中各種復雜的工況，應考慮的情況有：負荷電流幅值突變（Magnitude Flop），非周期脈沖干擾（Nonperiodic Pulse），諧波相位突變（Phase Shift），電網電壓的畸變影響（Voltage Harmonics）。

三． 有源電力濾波器的技術發展
　　有源電力濾波器技術近期的發展主要集中在以下幾個方面：（1）諧波理論的進一步研究；（2）控制系統的簡化與數字化；（3）與無源濾波器的混合使用。
　　有源電力濾波器必須實時檢測、計算補償對象的諧波電流。基于頻域運算的模擬帶通濾波方法需要采用銳截止的高階帶通濾波器，對電網頻率波動和電路元件參數較敏感。基于快速付里葉變換為基礎的全數字頻域濾波方法，根據采集到的一個電周期的電流值進行計算，得到該電流所包含的諧波次數。其缺點是需要一定的時間采樣并且要進行兩次變換，計算量大、存在較大時延、實時性較差、補償效果不好等問題。
　　80年代以后日本學者赤木泰文等人提出了瞬時無功功率理論。以該理論為基礎，可以得出用于有源電力濾波器的諧波和無功電流的實時檢測方法，對于諧波和無功補償裝置的研究和開發起了極大的推動作用。三相電路瞬時無功功率理論已經成功地應用到三相三線制系統，在國外有源電力濾波器已被廣泛使用。
　　基于瞬時無功功率理論的各種檢測計算電路，實現時多為模擬電路，其線路較為繁瑣、結構較為復雜。許多學者提出了許多簡單的理論和方法，力圖來完成諧波分離工作。隨著DSP芯片的日趨完善，采用數字化方法來實現這部分工作的研究也在積極地進行。
　　由于有源濾波器的價格要遠高于無源濾波器，新的綜合電力濾波系統，由傳統無功補償濾波器和小容量有源濾波器構成，與被補償的諧波負載并聯連接，大大提高了無源濾波器的濾波效果，同時價格也比全部使用有源濾波器大大降低。現在國外這方面的工作已相當成熟，許多公司的產品已進入中國。
　
四． 國外成熟產品的設計策略
　　國外工程界對APF已有了多年的實踐，已有多家國外著名公司的有源濾波器產品進入國內市場。我們對一些國外產品進行實際研究，力圖對APF的設計及國產化工作做一些探討。
　　（1）補償容量的確定
　　有源電力濾波器中最基本的是并聯型，其容量取決于與母線電壓有效值與補償電流有效值的乘積。只補償諧波時，有源電力濾波器的補償電流與負載電流的諧波分量大小相等而方向相反。如果要求同時補償諧波和無功，則裝置容量由要求的諧波組成及要求補償的無功程度共同決定。
　　（2）功率電子器件的選用
　　大部分中小容量的有源電力濾波器中，主回路采用的器件基本為IGBT，只有當容量達到MW級的大容量裝置才使用GTO。在APF裝置中選用IGBT，有以下的優點：驅動電路簡單；模塊開關頻率高，相對交流濾波電感可小；反應速度快，適合于快速反饋、快速控制。
　　（3）控制電路采用的方式
　　工程化的有源電力濾波器很多是采用模擬和數字相結合的控制方式，實踐證明當涉及到電流反饋控制的時候，模擬方式總是優于數字方式，DSP芯片的出現，使得人們有可能對以往的控制電路進行優化。但應用于APF，目前的DSP芯片的性能有許多限制，很多國外產品都是采用模擬和數字相結合的控制電路，補償速度和補償精度都較滿意。
　　（4）諧波電流的檢測方法
　　諧波的檢測方法可以有負載電流檢測、電源電流檢測、電源電壓檢測等方法，工程實踐中用負載電流的檢測方法與用電源電流的檢測方法之比為10：1。負載電流檢測，是一個前饋系統；電源電流檢測，可以組成一個閉環系統。從實際使用效果來看，檢測電源電流方式進行補償的結果比只檢測負載電流方式的補償效果好。同時，應用電壓檢測方法的比例也有所增加，設置檢測電壓的目的在于補償閃變。
　　（5）內部高通濾波器的設計
　　有源濾波器主電路中各橋臂開關器件高頻開通關斷，會在工作頻率附近產生次數很高的諧波。為了消除這些諧波，需要在系統中并聯由電容、電感等組成的高通濾波器。但該高通濾波器的引入，有可能帶來諧振和電網側電流及公共連接點電壓波形畸變。國外成熟產品可以用檢測電網側電流的方式工作，組成一個閉環系統，將自身原因帶來的諧振和畸變問題消除。
　　（6）APF的多臺并聯使用
　　當有源電力濾波器用于大容量諧波補償時，將面臨著器件開關頻率與容量之間的矛盾。目前工業現場中常采用多臺小容量有源電力濾波器并聯，每個APF有各自的主電路和控制電路，APF的控制和補償由其自身來完成，各臺有源電力濾波器輸出的補償電流由通信方式進行協調控制，一臺為主，其余為從。
　　（7）有源濾波器和無源濾波器的混合使用
　　將APF與無源濾波器并聯使用，合理分擔補償需求，可使APF容量減小。但由于并聯無源濾波器的影響，負荷的等效諧波阻抗將減小，當其不滿足遠大于電網的諧波阻抗條件時，APF的補償特性將受電網阻抗的影響，APF的諧波補償電流還可能注入無源濾波器中。因此需對APF和無源濾波器的設計進行特殊考慮，并不是簡單地1+1進行并聯，這在研究有源濾波器較早的國家已得到驗證。