有源電力濾波器產(chǎn)品化的研究

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摘要:作者是上海交大的在職工程碩士,研究方向電力有源濾波器,現(xiàn)在直接代表國外公司推廣有源濾波器產(chǎn)品.本文介紹了電力有源濾波器的技術(shù)發(fā)展動態(tài),并結(jié)合對國外現(xiàn)有的工程化產(chǎn)品的研究,提出了APF國產(chǎn)化進(jìn)程中需要注意的一些問題.
關(guān)鍵詞:有源濾波器 性能 產(chǎn)品化

一．引言
  電力電子技術(shù)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(wǎng)注入大量的諧波和無功功率, 電能質(zhì)量有明顯惡化的趨勢.另一方面,隨著以計(jì)算機(jī)為代表的大量敏感設(shè)備的普及應(yīng)用,人們對公用電網(wǎng)的供電質(zhì)量要求越來越高,對電網(wǎng)中的諧波含量及用電設(shè)備的功率因數(shù)提出了更嚴(yán)格的要求.
  許多國家及地區(qū)已經(jīng)制定了各自的諧波標(biāo)準(zhǔn).我國也分別于1984年及1993年通過了"電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定"及GB/T-14549-93標(biāo)準(zhǔn),用以限制供電系統(tǒng)及用電設(shè)備的諧波污染.
  傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償方法是無源濾波技術(shù),即使用由電力電容器等無源器件構(gòu)成無源濾波器,該無源濾波器與需補(bǔ)償?shù)姆蔷€性負(fù)載并聯(lián),為諧波提供一個低阻通路的同時也提供負(fù)載所需要的無功功率.雖然無源濾波器具有簡單、方便的優(yōu)點(diǎn),但它也存在如下缺點(diǎn):(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(chǎn)生諧振而使諧波放大;(2)只能補(bǔ)償固定的無功功率,對變化的無功負(fù)載不能進(jìn)行精確補(bǔ)償;(3)其濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)影響較大,并且其濾波特性有時很難與調(diào)壓要求相協(xié)調(diào).

  針對無源濾波技術(shù)的上述缺點(diǎn),1976年,L·Gyugi提出用PWM逆變器構(gòu)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(shù)的發(fā)展,APF技術(shù)的發(fā)展逐步走向成熟,在國外已得到廣泛應(yīng)用.與無源濾波器相比,APF具有高度可控制和快速響應(yīng)特性,并且能跟蹤補(bǔ)償各次諧波、自動產(chǎn)生所需變化的無功功率,其特性不受系統(tǒng)影響,無諧波放大危險,相對體積重量較小等突出優(yōu)點(diǎn),因而已成為電力諧波抑制和無功補(bǔ)償?shù)闹匾侄?

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(biāo)準(zhǔn)對電能質(zhì)量的規(guī)定,來研究工程化有源濾波器應(yīng)該達(dá)到的性能指標(biāo).
  在國際上,各個國際組織如電氣及電子工程師協(xié)會、國際電工委員會(IEC)和國際大電網(wǎng)會議(CIGRE),紛紛推出了各自建議的與諧波有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn).在這些標(biāo)準(zhǔn)中,被廣泛接受的有IEEE 519標(biāo)準(zhǔn)和IEC555-2標(biāo)準(zhǔn).在我國,原水利電力部于1984年根據(jù)國家經(jīng)濟(jì)委員會批轉(zhuǎn)的《全國供用電規(guī)則》的規(guī)定制定并發(fā)布了SD126-84《電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定》.國家技術(shù)監(jiān)督局于1993年頒布了諧波國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》,該標(biāo)準(zhǔn)已于1994年在我國開始實(shí)施.
  諧波(Harmonic)即對周期性的變流量進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解,得到頻率為大于1的整數(shù)倍基波頻率的分量,它是由電網(wǎng)中非線性負(fù)荷而產(chǎn)生的.《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》(GB/T14529- 93)中規(guī)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(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的諧波電流(2~25次)注入的允許值;而且同一公共連接點(diǎn)的每個用戶向電網(wǎng)注入的諧波電流允許值按此用戶在該點(diǎn)的協(xié)議容量與其公共連接點(diǎn)的供電設(shè)備容量之比進(jìn)行分配,以體現(xiàn)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(xù)的改變,閃變(Flick)即燈光照度不穩(wěn)定造成的視感,是由波動負(fù)荷 ,如電弧爐、軋機(jī)、電弧焊機(jī)等引起的.《電能質(zhì)量 電壓波動和閃變》(GB12326-2000)是在原來標(biāo)準(zhǔn)GB12326-90的基礎(chǔ)上,參考了國際電工委員會(IEC)電磁兼容(EMC)標(biāo)準(zhǔn)IEC6100-3-7等而修訂而成的,適用于由波動負(fù)荷引起的公共連接點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(tǒng)正常運(yùn)行的最小方式下負(fù)荷所引起的電壓不平衡度為最大的生產(chǎn)(運(yùn)行)周期中的實(shí)測值,例如煉鋼電弧爐應(yīng)在熔化期測量等.《電能質(zhì)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(tǒng)正常運(yùn)行方式下由于負(fù)序分量而引起的PCC點(diǎn)連接點(diǎn)的電壓不平衡,該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)正常運(yùn)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(tǒng)(FACTS)家族中具有廣義性.電能質(zhì)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(bǔ)償、相間對稱校正等.其次,在時域和頻域分解的觀點(diǎn)上,電能質(zhì)量的諸多問題與諧波是統(tǒng)一的,僅作用頻率不同,如:基波頻率整數(shù)倍的分量為通常意義上的諧波;分?jǐn)?shù)倍、非整數(shù)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(tǒng)頻率和零頻率的分量等.
  有源濾波器的性能要求,應(yīng)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(jìn)行實(shí)時補(bǔ)償來進(jìn)行諧波抑制、無功補(bǔ)償、相間對稱校正為依據(jù).
  有源濾波器的穩(wěn)態(tài)濾波性能可視為濾波的精度指標(biāo),即輸入穩(wěn)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(wǎng)電流之差(即經(jīng)過補(bǔ)償后的電流)的THD(Total Harmonics Distortion)作為衡量標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)實(shí)際工業(yè)情況,以奇次諧波為主.
  有源濾波器的動態(tài)濾波性能可視為濾波的速度指標(biāo),即最終補(bǔ)償后的THD值在一定范圍的條件下,在諧波出現(xiàn)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(shí)際諧波分量.對實(shí)際中各種復(fù)雜的工況,應(yīng)考慮的情況有:負(fù)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(wǎng)電壓的畸變影響(Voltage Harmonics).

三． 有源電力濾波器的技術(shù)發(fā)展
  有源電力濾波器技術(shù)近期的發(fā)展主要集中在以下幾個方面:(1)諧波理論的進(jìn)一步研究;(2)控制系統(tǒng)的簡化與數(shù)字化;(3)與無源濾波器的混合使用.
  有源電力濾波器必須實(shí)時檢測、計(jì)算補(bǔ)償對象的諧波電流.基于頻域運(yùn)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(wǎng)頻率波動和電路元件參數(shù)較敏感.基于快速付里葉變換為基礎(chǔ)的全數(shù)字頻域?yàn)V波方法,根據(jù)采集到的一個電周期的電流值進(jìn)行計(jì)算,得到該電流所包含的諧波次數(shù).其缺點(diǎn)是需要一定的時間采樣并且要進(jìn)行兩次變換,計(jì)算量大、存在較大時延、實(shí)時性較差、補(bǔ)償效果不好等問題.
  80年代以后日本學(xué)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(chǔ),可以得出用于有源電力濾波器的諧波和無功電流的實(shí)時檢測方法,對于諧波和無功補(bǔ)償裝置的研究和開發(fā)起了極大的推動作用.三相電路瞬時無功功率理論已經(jīng)成功地應(yīng)用到三相三線制系統(tǒng),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(jì)算電路,實(shí)現(xiàn)時多為模擬電路,其線路較為繁瑣、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜.許多學(xué)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(shù)字化方法來實(shí)現(xiàn)這部分工作的研究也在積極地進(jìn)行.
  由于有源濾波器的價格要遠(yuǎn)高于無源濾波器,新的綜合電力濾波系統(tǒng),由傳統(tǒng)無功補(bǔ)償濾波器和小容量有源濾波器構(gòu)成,與被補(bǔ)償?shù)闹C波負(fù)載并聯(lián)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(xiàn)在國外這方面的工作已相當(dāng)成熟,許多公司的產(chǎn)品已進(jìn)入中國.

四． 國外成熟產(chǎn)品的設(shè)計(jì)策略
  國外工程界對APF已有了多年的實(shí)踐,已有多家國外公司的產(chǎn)品進(jìn)入國內(nèi)市場.我們對一些國外產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)際研究,力圖對APF的設(shè)計(jì)及國產(chǎn)化工作做一些探討.
  (1)補(bǔ)償容量的確定
  有源電力濾波器中最基本的是并聯(lián)型,其容量取決于與母線電壓有效值與補(bǔ)償電流有效值的乘積.只補(bǔ)償諧波時,有源電力濾波器的補(bǔ)償電流與負(fù)載電流的諧波分量大小相等而方向相反.如果要求同時補(bǔ)償諧波和無功,則裝置容量由要求的諧波組成及要求補(bǔ)償?shù)臒o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(dāng)容量達(dá)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(yōu)點(diǎn):驅(qū)動電路簡單;模塊開關(guān)頻率高,相對交流濾波電感可小;反應(yīng)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(shù)字相結(jié)合的控制方式,實(shí)踐證明當(dāng)涉及到電流反饋控制的時候,模擬方式總是優(yōu)于數(shù)字方式,DSP芯片的出現(xiàn),使得人們有可能對以往的控制電路進(jìn)行優(yōu)化.但應(yīng)用于APF,目前的DSP芯片的性能有許多限制,很多國外產(chǎn)品都是采用模擬和數(shù)字相結(jié)合的控制電路,補(bǔ)償速度和補(bǔ)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(fù)載電流檢測、電源電流檢測、電源電壓檢測等方法,工程實(shí)踐中用負(fù)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(fù)載電流檢測,是一個前饋系統(tǒng);電源電流檢測,可以組成一個閉環(huán)系統(tǒng).從實(shí)際使用效果來看,檢測電源電流方式進(jìn)行補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果比只檢測負(fù)載電流方式的補(bǔ)償效果好.同時,應(yīng)用電壓檢測方法的比例也有所增加,設(shè)置檢測電壓的目的在于補(bǔ)償閃變.
  (5)內(nèi)部高通濾波器的設(shè)計(jì)
  有源濾波器主電路中各橋臂開關(guān)器件高頻開通關(guān)斷,會在工作頻率附近產(chǎn)生次數(shù)很高的諧波.為了消除這些諧波,需要在系統(tǒng)中并聯(lián)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(wǎng)側(cè)電流及公共連接點(diǎn)電壓波形畸變.國外成熟產(chǎn)品可以用檢測電網(wǎng)側(cè)電流的方式工作,組成一個閉環(huán)系統(tǒng),將自身原因帶來的諧振和畸變問題消除.
  (6)APF的多臺并聯(lián)使用
  當(dāng)有源電力濾波器用于大容量諧波補(bǔ)償時,將面臨著器件開關(guān)頻率與容量之間的矛盾.目前工業(yè)現(xiàn)場中常采用多臺小容量有源電力濾波器并聯(lián),每個APF有各自的主電路和控制電路,APF的控制和補(bǔ)償由其自身來完成,各臺有源電力濾波器輸出的補(bǔ)償電流由通信方式進(jìn)行協(xié)調(diào)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(lián)使用,合理分擔(dān)補(bǔ)償需求,可使APF容量減小.但由于并聯(lián)無源濾波器的影響,負(fù)荷的等效諧波阻抗將減小,當(dāng)其不滿足遠(yuǎn)大于電網(wǎng)的諧波阻抗條件時,APF的補(bǔ)償特性將受電網(wǎng)阻抗的影響,而且APF的諧波補(bǔ)償電流還可能注入無源濾波器中.因此除了要求無功補(bǔ)償電容器安裝在有源濾波器的電網(wǎng)側(cè)外,還需對APF和無源濾波器的設(shè)計(jì)進(jìn)行特殊考慮.

  參考資料 (略)