有源电力滤波器的研究热点和发展

有源电力滤波器的研究热点和发展1、引言近年来，随着电力电子技术的广泛应用，电能得到了更加充分的利用。但电力电子装置自身所具有的非线性也使得电网的电压和电流发生畸变，这些高度非线性设备数量和额定容量的日益增大使得电力系统谐波污染问题日益严重，已成为了影响电能质量的公害，对电力系统的安全、经济运行造成极大的影响；而另一方面供电方及其电力系统设备、用户及其用电器对电能质量的要求越来越高，这一矛盾使得人们对谐波污染问题越来越重视。据《中国电力》报道，我国仅由电能质量问题造成的年电能损失就高达400多亿元，冶金、铁路、矿山等企业的谐波严重超标，因谐波问题导致的开关跳闸、大面积停电甚至电力系统解列等事故也屡见不鲜，因此对电力系统的谐波污染进行综合治理已成为摆在科技工作者面前的一个具有重要现实意义的研究课题。而有源电力滤波器由于具有高度可控性和快速响应性，能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，因而受到广泛的重视，成为目前国内外供电系统谐波抑制研究的热点。2、谐波治理的措施目前，在电力系统中抑制或减少谐波主要从两个方面进行：第一方面是从产生谐波的谐波源装置本身入手。在这些装置设计时就考虑减小谐波的方法，增加谐波抑制环节，已减少电网的谐波注入量，在谐波源本身采取一些措施能大大减小电网谐波。但由于现代电力系统的复杂性以及电力半导体装置开关工作方式，不可能完全消除电网谐波。所以，谐波治理的第二个重要方面就是研究对系统中的谐波进行有效滤波和补偿的方法和措施。下面分别简要介绍这两方面工作的现状和发展。2.1治理谐波源近年来，随着几种电力电子装置的大量应用，可控和不可控整流器在电力系统中的应用越来越普遍。这类型整流器在带大电感(rl)负载时电流近似为方波。带大电容(rc)负载时电流为尖脉冲，使电力系统中的电流严重畸变，成为目前电力系统中主要谐波源，也是目前治理的重点。针对这一类整流器减少谐波、提高功率因数的方法和措施，概括起来主要有以下几种：（1）多相整脉宽调制pwmpulsewidthmodulation）整流技术;2.2谐波滤波与补偿采用主动治理谐波源的方式，可有效限制谐波的产生，但由于谐波源的多样性，要完全消除谐波是不可能的。因此，安装滤波器对电网谐波进行有效的滤波和补偿也是谐波治理的一个重要研究方向。进行被动谐波治理措施主要有以下几种：传统的抑制谐波的方法使使用无源滤波器（passivefilter，pf）。pf利用电感、电容元件的谐振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，从而减小流向电网的谐波电流，同时还可以补偿无功功率。它具有结构简单、一次性投入低、运行费用也低和宋体维护方便的优点。（1）无源滤波器(pf)存在的缺点但由于其结构原理上的缺点，在应用中存在以下难以克服的缺点●只能对特定次数谐波进行滤波●滤波器参数影响滤波性能●滤波特性依赖于电网参数●可能与系统阻抗发生串并联谐振（2）有源电力滤波器（apf）具有的优点由于无源电力滤波器的上述缺点，使它很难满足现代电力系统的要求。上世纪70年代以来，人们开始致力于有源电力滤波器（activepowerfilter，apf）的研究，以弥补无源电力滤波器存在的问题。apf的基本工作原理是将电网系统中所含谐波电流（电压）检测出来，并产生与其相反的补偿电流（电压），以抵消输电线路中的谐波电流（电压与pf相比，apf具有以下一些优点：●滤波性能不受系统阻抗的影响；●不会与系统阻抗发生串联或并联谐振，系统结构的变化不会影响治理效果；●原理上比pf更为优越，用一台装置就能完成各次谐波的治理；●实现了动态治理，能够迅速响应谐波的频率和大小发生的变化；●具备多种补偿功能，可以对无功功率和负序进行补偿；●谐波补偿特性不受电网频率变化的影响。随着大功率快速自关断器件的不断发展，谐波检测方法的不断完善，以及微机控制技术和数字信号处理技术的不断进步，有源滤波技术已得到了极大的发展，成为提高电能质量的最有效的工具3、有源电力滤波器的研究热点和发展早在1971年，h.sasaki等就首次完整地描述了有源电力滤波器的基本原理，但由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流，其损耗大，成本高，因而仅在实验室研究，未能在工业中实用。1976年，l.gyugyi等人提出了用大功率晶体管pwm逆变器构成的有源电力滤波器，并正式确立了有源滤波的概念，提出了有源滤波器主电路的基本拓扑结构和控制方法。从原理上看，pwm变流器是一种理想的补偿电流发生电路，但是由于当时电力电子技术的发展水平还不高，全控型器件功率小、频率低，因而有源电力滤波器仍局限于实验研究。1983年，日本长冈科技大学的akagih等人基于pq分解理论，提出了三相电路瞬时无功功率理论，为解决三相电力系统畸变电流的瞬时检测提供了理论依据。与此同时，大功率晶体管（gtr）、大功率可关断晶闸管（gto）、静电感应晶闸管（sith）、静电感应晶体管（sih）、功率场效应管（mosfet）、场控晶闸管（mct）及绝缘栅型双极性晶体管（igbt）等新型快速大容量功率开关器件相继问世；pwm调制技术、微机控制技术、以及数字信号处理技术都取得到了长足的进步。这些都极大地促进了有源电力滤波技术的发展，使有源电力滤波器真正进入了工业实用阶段。作为改善供电质量的一项关键技术，目前有源电力滤波器在美国、日本等发达工业国家已广泛用于国民经济的各个生产部门，并且谐波补偿的次数逐步提高（典型值达25次），单机装置的容量也逐步提高（apf的最大容量可达50mva），其应用领域正从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展。以日本为例，自1982年世界上第一台gto有源滤波装置问世以来，日本已有200多台有源电力滤波器投入运行，最大的一台容量达到20mva。作为世界上电力电子技术最发达的国家，有源电力滤波器在日本已经到了普及应用阶段。我国在有源电力滤波器的应用研究方面，继日本、美国、德国等之后，得到学术界和企业界的充分重视，并投入了大量的人力和物力，但和电子工业发达的国家相比有一定的差距。到目前为止，我国也有几台类似产品投入工业试运行，如华北电力试验研究所、冶金部自动化研究院和北京供电公司联合开发、研究的有源高次谐波抑制装置于1992年在北京木材厂中心变电站投入工业运行，该装置采用了三个单相全控桥逆变器（功率开关为gtr），用于低压电网单个谐波源的谐波补偿，该套装置容量不是很大，且补偿效果主要体现在几个特定次数的谐波（5、7、11、13次）上，同时调制载波的频率（3.3khz）不太高，谐波跟踪、补偿效果并不是十分理想；华南理工大学研制了混合型有源电力滤波器用于牵引变电站的谐波治理，该装置在减小滤波器有源部分容量和技术实现上做了大量的工作，也取得了相当的成果，但依然有一些技术需进一步研究并加以完善和改进，如其滤波效果和隔离基波电压的无源网络阻抗在设计上存在一定困难，无源网络的阻抗大，则有源部分的容量小但系统滤波效果将降低，无源网络的阻抗小，则滤波效果好但有源部分的容量也将随之增大；西安交通大学提出了四重化变流器作为大容量有源电力滤波器主电路的方法，该方法有效地解决了大容量和开关频率的矛盾，但相对而言成本较高，在一些具体实现技术上也尚在进一步研究之中总的来讲，目前我国有源电力滤波技术的工业应用，仍处于试验和攻坚阶段，特别是在既治理谐波又补偿无功功率的hapf系统方面，还有许多基础理论与技术有待于深入研究。有源滤波器一般由三大部分组成：检测电路、控制电路和功率变换电路。因此，有源滤波器的研究主要是围绕这三个方面而展开的。国外以日本和美国为代表，有源滤波器的研究已进入实用化阶段，但在理论和应用两方面还存在许多问题，需进一步研究和解决。3.1apf的拓扑结构研究apf在工程应用中，首先需要考虑的是成本和技术上的可行性，这主要由补偿电流发生电路中的功率开关器件可选型号和价格来决定。所以，围绕apf如何适应大容量、高电压、低成本和多功能的要求，人们提出了各种有源滤波器的拓扑结构来适应不同场合工程应用的需要根据有源滤波器和电网的连接方式，apf可以分为并联型和串联型两大类。1986年akagih.提出了并联型apf单独使用方式，它是最早期的有源滤波装置。这种方式的主电路结构简单，但由于逆变器直接承受基波电压，所以其成本高且不适合高电压系统的补偿。为降低成本、减小逆变器的容量和适应高电压的要求，人们利用pf的成本低的优点，提出了各种apf与pf混合使用方式。1987年takedam.等人提出用并联型apf和并联pf相结合的混合型apf，如图2所示图2并联型apf＋并联pf的hapf该方式利用无源部分滤除了大部分的谐波，所以其有源部分的谐波容量较小，且pf能够提供一定的无功功率，但逆变器仍然直接承受了基波电压，所以功率开关器件的耐压等级并没有降低。1990年fujitah.等人提出将apf与pf相串联后与电网并联的混合型方案。这种方式利用无源部分承受了大部分的基波电压，所以逆变器承受的基波电压小，适合于高电压系统的应用。但由于流过无源部分的基波电流都流入逆变器，所以不能利用pf提供大容量的无功功率。利用无源元件lc的串、并联谐振特性，人们提出了注入式apf的结构。将lc对基波串联谐振电路作为有源部分的注入电路，能够大大降低apf承受的基波电压和容量，且可以利用无源元件提供无功功率，但其谐波容量相对较大，而且所能提供的无功容量有限。随着电力电子技术的发展，全控型功率开关器件（如可关断晶闸管gto和绝缘栅双极性晶体管igbt）的电压和电流额定值不断提高，成本不断降低，人们从双或多逆变器的方向提出了各种apf的拓扑结构，来满足工业应用的要求。1994年，akagih.等提出一种将串联型apf和并联型apf进行混合的方式，如图4所示，也称为统一电能质量调节器（unifiedpowerqualityconditioner，upqc）。这种方式从理论上讲，可以抑制电压闪变、电压波动、不对称和谐波，但由于采用了双逆变器，所以存在控制复杂和成本高的缺点上述描述了并联型apf的发展现状，有源滤波器还有另外一大类——串联型apf，串联型apf单独使用方式能有效滤除电网的谐波电压，具有有源装置容量小和运行效率高等优点，但存在绝缘强度高、难以适应线路故障条件以及不能进行无功功率动态补偿等缺点，且负载的基波电流全都流过连接用的变压器，其工程实用性受到限制。在串联型apf单独使用方式基础上发展出的串联型apf混合型结构，也都同样存在绝缘强度高和难以适应线路故障的缺点。3.2检测和控制理论的研究根据apf的工作原理，要控制功率变换电路产生期望的谐波，一般要通过检测电路获取控制的参考信号，然后再利用控制电路产生控制信号去控制功率变换电路。因此，检测和控制算法直接影响到apf的补偿精度和补偿速度，是apf的关键环节。通常apf需要实时补偿电网的谐波分量和无功电流（如果需要补偿无功功率），所以，对检测电路的快速性和准确性要求很高。但是这种检测任务和一般的谐波分析不同，它只需将基波或有功分量与谐波分量分离即可。目前，研究谐波检测方法的文献有很多。最早的谐波电流检测方法是采用模拟滤波器来实现，即采用陷波器将基波电流分量滤除，让谐波分量通过。这种方法存在难以设计、误差大、对电网频率波动和电路元件参数十分敏感等，因而已很少使用。随着数字化技术的发展分别出现了基于频域分析的fft算法、基于fryze功率定义的检测方法、基于自适应噪声对消原理的自适应电流检测方法、基于瞬时无功功率理论的检测方法，这些谐波检测方法经过不断的改进，已经比较成熟，但是并没有一种理论可以广泛的适用于各种情况，每种检测方法都有一定的适用范围和误差，同时新的谐波检测方法也在不断的研究之中。有源滤波器通过检测获得参考信号后，apf的接下来的任务就是实时跟踪参考信号了，这就要求对apf的控制有很好的快速性和准确性。从传统控制理论的角度来看，参考信号获取是给定，pwm逆变器是功率放大器，主电路中的无源部分是执行机构，电网及负载是被控对象，控制要做的工作只是设计控制器来提高控制系统的性