電力有源濾波器的原理與應(yīng)用

1、第13卷第4期2003年12月湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)Vo1.13.No.4Dec.2003JournalofHunanInstituteofEngineering電力有源濾波器的原理與應(yīng)用浣喜明(湖南工程學(xué)院電氣與信息工程系,湖南湘潭411101)摘要:簡(jiǎn)要介紹了電力有源濾波技術(shù)的基本原理,闡述了電力有源濾波器的幾種主要控制策略;分析了電力有源濾波器技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r,并簡(jiǎn)單介紹了應(yīng)用時(shí)應(yīng)考慮的一些問題.關(guān)鍵詞:電力有源濾波器;諧波抑制;無功補(bǔ)償;指令電流;補(bǔ)償電流中圖分類號(hào):TN713+.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-119X(2003)04-0015-040引言隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展

2、,越來越多的電力電子裝置被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域,同時(shí)也將大量的諧波注入電網(wǎng).電網(wǎng)中諧波的危害極大,它會(huì)使電網(wǎng)供電電壓波形發(fā)生畸變而使供電質(zhì)量下降,電力系統(tǒng)的能量損耗增加,供用電設(shè)備壽命縮短,諧波還會(huì)對(duì)其它電子設(shè)備造成電磁干擾.因此,解決電力系統(tǒng)諧波抑制及無功補(bǔ)償問題變得日益迫切.傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償方法是使用無源濾波器(由電力電容器等無源器件構(gòu)成)與需補(bǔ)償?shù)姆蔷€性負(fù)載并聯(lián),為諧波提供一個(gè)低阻通路的同時(shí)也提供負(fù)載所需要的無功功率.雖然無源濾波器具有電路簡(jiǎn)單、使用方便的優(yōu)點(diǎn),但它只能抑制固定的幾次諧波,并有可能在一定條件下對(duì)某次諧波會(huì)產(chǎn)生諧振而使諧波放大.因此它只能補(bǔ)償固定的無功功率,對(duì)變化的無

3、功負(fù)載不能進(jìn)行精確補(bǔ)償.理論和實(shí)踐都證明,電力有源濾波器(activepowerfilter,簡(jiǎn)稱APF)是無功補(bǔ)償?shù)南冗M(jìn)方法.20世紀(jì)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(dòng)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(xiǎn),相對(duì)體積重量較小等突出優(yōu)點(diǎn),已成為電力諧波抑制和無功補(bǔ)償?shù)闹匾侄?APF的推廣應(yīng)用也必將給我國電力工業(yè)帶來巨大1基于瞬時(shí)無功功率的諧波測(cè)量1984年,日本學(xué)者H.Akagi等提出瞬時(shí)無功功率理論,并在此基礎(chǔ)上提出了2種

4、諧波電流的檢測(cè)方法,即p-q法和ip-iq法.設(shè)三相交流電路各相電壓的瞬時(shí)值為ea,eb,正交坐標(biāo)ec,瞬時(shí)電流為ia,ib,ic.將其變換到、系后的瞬時(shí)電壓eei為:、和瞬時(shí)電流值i、eeea=C32ebeia(1)ii=C32ibi(2)式中C32=-22它的矢量圖如圖1所示.31-2-2由矢量圖可知得,e=e+ei=i+i(3)(4)則三相電路瞬時(shí)有功電流ip、瞬時(shí)無功電流iq、分別為矢量i在其法線上的投影,即:ip=icosiq=isin(5)(6)式中i為向量i的模,為i與e之間的夾角.很明顯,三相電路的瞬時(shí)無功功率q(瞬時(shí)有功的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.收稿日期:2003-19-07作者

5、簡(jiǎn)介:浣喜明(1957-),男,高級(jí)實(shí)驗(yàn)師,研究方向:通信技術(shù)及其應(yīng)用. 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)2003年16pf為基波有功電流與電壓作用所產(chǎn)生,qf為基波無功電流與電壓作用所產(chǎn)生.由pf、qf可計(jì)算出被檢測(cè)電流ia,ib,ic的基波分量iaf,ibf,icf.如下式所示:圖1電流的矢量圖功率p)為電壓矢量e的模和三相電路瞬時(shí)量無功電流iq(瞬時(shí)有功電流ip)的乘積,即(7)p=eipq=eiq(8)圖2并聯(lián)型APF的基本結(jié)構(gòu)(6)代入(7)、(8)中,并寫成

6、矩陣形式把式(5)、得出:p=eeeiiiaf(9)ibficf-1-1=C23Cpqpfqf-e=eC23Cpqpfqf(12)(2)代入上式,得出p、把式(1)、q對(duì)三相電壓、電流的表達(dá)式為:(10)p=eaia+ebib+ecicq=Cpq表示矩陣Cpq的逆矩陣.(ea-eb)ic+(eb+ec)ia+(ec-ea)ib(11)將ia,ib,ic與iaf,ibf,iaf相減,即可得出ia,ib,ic的諧波分量iah,ibh,ich,如圖3所示同樣根據(jù)瞬時(shí)無功功率理論,我們也可得出有源濾波器的基于瞬時(shí)無功功率理論的ip-iq運(yùn)算方式檢測(cè)方法.該運(yùn)算方式的原理如下:sint-cost圖4中C

7、=,該方法用一-cost-sin個(gè)鎖相環(huán)(PLL)和一個(gè)正、余弦信號(hào)發(fā)生電路得到一個(gè)與A相電網(wǎng)電壓ea同相的正弦信號(hào)sint和對(duì)應(yīng)的余弦信號(hào)-cost.根據(jù)定義計(jì)算出ip、iq,并經(jīng)LPF濾波器濾波得ip、iq直流分量ipf、iqf,再由ipf、iqf可計(jì)算出iaf、ibf、icf,進(jìn)而得到iah、ibh、ich.從上述原理可以看出,電力有源濾波器是運(yùn)用瞬時(shí)濾波技術(shù),對(duì)包含諧波和無功分量的非正弦波進(jìn)行“矯正”,這與基于穩(wěn)態(tài)頻譜的“濾波”概念已有很大的不同,而類似于自適應(yīng)濾波技術(shù)中的“干擾抵消器”.因此,電力有源濾波器有很快的響應(yīng)速度,對(duì)變化的諧波和無功功率都能實(shí)施動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,并且其補(bǔ)償特性受電網(wǎng)

8、阻抗參數(shù)影響較小.上述兩種方法都能準(zhǔn)確地測(cè)量對(duì)稱的三相三線制電路的諧波值.ip-iq法適用范圍廣,不僅在電網(wǎng)電壓畸變時(shí)適用,在電網(wǎng)電壓不對(duì)稱時(shí)也同樣有效.而使用p-q法測(cè)量電網(wǎng)電壓畸變時(shí)的諧波會(huì)存在從式(10)可以看出,三相電路瞬時(shí)有功功率就是三相電路的瞬時(shí)功率.而從式(11)可以推出q為零,也即三相瞬時(shí)無功率之和為零,所以三相電路的瞬時(shí)無功功率只在三相電路之間相互交換,其交換程度由q來表征.2電力有源濾波器的基本原理圖2所示為最基本的電力有源濾波器系統(tǒng)的原理圖.圖中,Us表示交流電源,負(fù)載為非線性負(fù)載,它產(chǎn)生諧波并消耗無功功率.系統(tǒng)主要由兩大部分組成,即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路(由

9、電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路三部分構(gòu)成).211指令電流的運(yùn)算根據(jù)瞬時(shí)無功功率理論,我們可得出有源濾波器的基于瞬時(shí)無功功率理論的p、q運(yùn)算方式檢測(cè)方法.(8)、(9)可算出p、根據(jù)式(7)、q經(jīng)低通濾波器LPF的p、q的直流分量pf、qf.電網(wǎng)電壓無畸變時(shí), 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第4期浣喜明:電力有源濾波器的原理與應(yīng)用17較大誤差.這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)電網(wǎng)電壓對(duì)稱且無畸變時(shí),各電流分量(基波正序無功分量、不對(duì)稱分量及高次諧波分量)的測(cè)量電路比較簡(jiǎn)單,并且延時(shí)小.雖然被

10、測(cè)量的電流中諧波構(gòu)成和采用濾波器的不同,因而會(huì)有不同的延時(shí),但延時(shí)最多不超過1個(gè)電源周期.如電網(wǎng)中最典型的諧波源三相整流器,其檢測(cè)的延時(shí)約為1/6周期.可見,該方法具有很好的實(shí)時(shí)性.圖3p.q運(yùn)算方式的原理圖圖4ip、iq運(yùn)算方式原理圖212補(bǔ)償電流的產(chǎn)生APF由于開關(guān)器件不會(huì)發(fā)生直通短路現(xiàn)象,隨著超補(bǔ)償電流發(fā)生電路由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路三部分構(gòu)成.電力有源濾波器的主電路一般由PWM逆變器構(gòu)成.根據(jù)逆變器直流側(cè)儲(chǔ)能元件的不同,可分為電壓型APF(儲(chǔ)能元件為電容)和電流型APF(儲(chǔ)能元件為電感).電壓型APF在工作時(shí)需對(duì)直流側(cè)電容電壓控制,使直流側(cè)電壓維持不變,因而逆變器交流側(cè)輸出

11、為PWM電壓波.而電流型APF在工作時(shí)需對(duì)直流側(cè)電感電流進(jìn)行控制,使直流側(cè)電流維持不變,因而逆變器交流側(cè)輸出為PWM電流波.電壓型APF的優(yōu)點(diǎn)是損耗較少,效率高,是目前國內(nèi)外絕導(dǎo)儲(chǔ)能磁體研究的進(jìn)展,也將促進(jìn)多功能電流型APF投入實(shí)用.對(duì)于采用PWM電壓源逆變器的電力有源濾波器,其補(bǔ)償電流的產(chǎn)生方法目前主要有以下三種:(1)三角載波線性控制.這是一種最簡(jiǎn)單的線性控制方法.它以指令電流ic與實(shí)際補(bǔ)償電流ico之間的差值作為調(diào)整信號(hào),與高頻三角載波相比較,從而得到逆變器開關(guān)器件所需的控制信號(hào).其優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、開關(guān)頻率固定、電路簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是開關(guān)損耗較大,且輸出波形中含有載波頻率及其諧波頻率的高頻畸

12、變分量.(2)滯環(huán)比較控制.該方法將指令電流與產(chǎn)際補(bǔ)償電流的差值輸入到具有滯環(huán)特性的比較器中,然后用比較器的輸出來控制逆變器的開關(guān)器件.與三大多數(shù)APF采用的主電路結(jié)構(gòu).電流型APF由于電流側(cè)電感上始終有電流流過,該電流在電感內(nèi)阻上將產(chǎn)生較大損耗,所以目前較少采用.但是電流型 1995-2007 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)2003年18角載波控制方式相比,該方法開關(guān)損耗小,動(dòng)態(tài)響應(yīng)快.但是,該方法使開關(guān)頻率變化較大,容易引起脈沖電流和開關(guān)噪聲.為限定開關(guān)頻率的最大值可采用變滯環(huán)帶寬改

13、進(jìn)算法,但這必將影響響應(yīng)速度和補(bǔ)償電流跟蹤精度.(3)無差拍控制.該方法是一種全數(shù)字化的控制技術(shù).它利用前一時(shí)刻的指令電流值和實(shí)際補(bǔ)償電流值,根據(jù)空間矢量理論計(jì)算出逆變器下一時(shí)刻應(yīng)滿足的開關(guān)模式.其優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)很快,易于計(jì)算機(jī)執(zhí)行.缺點(diǎn)是計(jì)算量大,且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)依賴性較大.后來,當(dāng)然可采取一些簡(jiǎn)化其計(jì)算的方法,隨著數(shù)字信號(hào)處理芯片(DSP)應(yīng)用的不斷普及,這是一種很有前途的控制方法.有關(guān)APF的控制策略正隨著DSP技術(shù)和智能控制理論的發(fā)展不斷涌現(xiàn).隨著控制策略的改進(jìn),APF的特性也將不斷提高,而相應(yīng)的價(jià)格也必將下出,但直到20世紀(jì)90年代APF技術(shù)才進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用,其中一個(gè)重要原因就在于APF的

14、實(shí)際成本價(jià)格太高.因此在選擇應(yīng)用APF時(shí)必須考慮其成本價(jià)格.就當(dāng)前技術(shù)水平而言,采用小額定值A(chǔ)PF結(jié)合無源濾波器的混合型電力有源濾波器是一種切實(shí)可行的方案.當(dāng)然隨著開關(guān)器件和DSP芯片價(jià)格的下降,APF也是很有發(fā)展前途的.APF的研究與應(yīng)用,國內(nèi)遠(yuǎn)落后于國外,除少數(shù)幾臺(tái)APF已投入工業(yè)試運(yùn)行外,其它大部分尚處于研制階段.但隨著我國對(duì)電網(wǎng)諧波污染治理日益重視“,綠色電力電子”的呼聲愈來愈高,電力有源濾波器必然會(huì)得到廣泛地推廣和應(yīng)用.參考文獻(xiàn)1王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)(第四版)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.2黃俊.半導(dǎo)體變流技術(shù)(修訂版)M.北京:機(jī)械工降.業(yè)出版社,1980.3電力有源濾

15、波器設(shè)計(jì)中開關(guān)器件的選擇電力有源濾波器作為改善供電質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),在國外已日趨成熟.僅在日本就有500多臺(tái)APF投入運(yùn)行,其容量已達(dá)到60MVA.在APF的應(yīng)用中,一般應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面的問題:首先是開關(guān)器件的選擇,對(duì)于容量小于2MVA的APF一般采用IGBT,而容量大于5MVA時(shí)可采用GTO及多重化技術(shù);其次,為減小逆變器向電網(wǎng)注入的開關(guān)紋波又不降低APF的補(bǔ)償特性,電壓型逆變器的輸出電感及無源紋波濾波器應(yīng)仔細(xì)設(shè)計(jì);最后,為保證逆變器直流側(cè)電壓的穩(wěn)定,應(yīng)適當(dāng)選擇直流側(cè)電容值.3莫正康.半導(dǎo)體變流技術(shù)(第二版)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997.4張立,趙永健.現(xiàn)代電力電子技術(shù)器件、電路及

16、應(yīng)用M.北京:科學(xué)技術(shù)出版社,1992.5周繼華,李宏.現(xiàn)代電力電子工程M.西安、西北工業(yè)大學(xué)出版社,1998.6林渭勛,等.電力電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京:機(jī)械工業(yè)版社,1990.7趙炳良.現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京:清華大學(xué)出版社,1995.8張工一,肖湘寧.現(xiàn)代電力電子技術(shù)原理與應(yīng)用M.北京:科學(xué)技術(shù)出版社,1999.9張立,黃兩一,等.電力電子場(chǎng)控器件及應(yīng)用M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996.10葉斌.電力電子應(yīng)用技術(shù)及裝置M.北京:中國鐵4電力有源濾波器的應(yīng)用APF的技術(shù)構(gòu)想早在20世紀(jì)70年代就已提道出版社,1991,19.11鄭宏婕.電力電子技術(shù)M.科學(xué)普及出版社,1993.ThePrinciplesandApplicationsofActivePowerFilterHUANXi-ming(Dept.ofElect.andInformationEng.,HunanInstituteofEngineering,Xiangtan411101,China)Abstract:ThetheoryofActivePoerFiltertechnologyisintroducedandtheseveralprimarycontrolstrategiesaredescribed.TheprospectofActivePowerFiltertechnologyathomeandabr