有源電力濾波器產(chǎn)品化的研究

二． 有源電力濾波器的性能要求
　　下面我們針對(duì)國際和國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(gè)國際組織如電氣及電子工程師協(xié)會(huì)、國際電工委員會(huì)（IEC）和國際大電網(wǎng)會(huì)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(huì)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(duì)周期性的變流量進(jìn)行傅里葉級(jí)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(jí)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(gè)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(dòng)（Fluctuation）即電壓方均根值一系列的變動(dòng)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(dòng)負(fù)荷 ，如電弧爐、軋機(jī)、電弧焊機(jī)等引起的?！峨娔苜|(zhì)量 電壓波動(dòng)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(huì)（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(dòng)負(fù)荷引起的公共連接點(diǎn)電壓的快速變動(dòng)及由此可能人對(duì)燈閃明顯感覺的場(chǎng)合，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了各級(jí)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(cè)值，例如煉鋼電弧爐應(yīng)在熔化期測(cè)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(shí)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(duì)稱校正等。其次，在時(shí)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(shí)補(bǔ)償來進(jìn)行諧波抑制、無功補(bǔ)償、相間對(duì)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(cè)出諧波和無功分量的時(shí)延如何，以最終檢測(cè)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(dòng)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(gè)周波，檢測(cè)出的諧波分量才能完全跟蹤上實(shí)際諧波分量。對(duì)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(gè)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(shí)檢測(cè)、計(jì)算補(bǔ)償對(duì)象的諧波電流?；陬l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(duì)電網(wǎng)頻率波動(dòng)和電路元件參數(shù)較敏感?；诳焖俑独锶~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(gè)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(shí)間采樣并且要進(jìn)行兩次變換，計(jì)算量大、存在較大時(shí)延、實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)檢測(cè)方法，對(duì)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(dòng)作用。三相電路瞬時(shí)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(shí)無功功率理論的各種檢測(cè)計(jì)算電路，實(shí)現(xiàn)時(shí)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(jià)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(shí)價(jià)格也比全部使用有源濾波器大大降低?，F(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(duì)APF已有了多年的實(shí)踐，已有多家國外著名公司的有源濾波器產(chǎn)品進(jìn)入國內(nèi)市場(chǎng)。我們對(duì)一些國外產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)際研究，力圖對(duì)APF的設(shè)計(jì)及國產(chǎn)化工作做一些探討。
　?。?）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(shí)，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(shí)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(jí)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(dòng)電路簡單；模塊開關(guān)頻率高，相對(duì)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(shí)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(duì)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。
　?。?）諧波電流的檢測(cè)方法
　　諧波的檢測(cè)方法可以有負(fù)載電流檢測(cè)、電源電流檢測(cè)、電源電壓檢測(cè)等方法，工程實(shí)踐中用負(fù)載電流的檢測(cè)方法與用電源電流的檢測(cè)方法之比為10：1。負(fù)載電流檢測(cè)，是一個(gè)前饋系統(tǒng)；電源電流檢測(cè)，可以組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。從實(shí)際使用效果來看，檢測(cè)電源電流方式進(jìn)行補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果比只檢測(cè)負(fù)載電流方式的補(bǔ)償效果好。同時(shí)，應(yīng)用電壓檢測(cè)方法的比例也有所增加，設(shè)置檢測(cè)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(huì)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(cè)電網(wǎng)側(cè)電流的方式工作，組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，將自身原因帶來的諧振和畸變問題消除。
　?。?）APF的多臺(tái)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(shí)，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(chǎng)中常采用多臺(tái)小容量有源電力濾波器并聯(lián)，每個(gè)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(tái)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(tái)為主，其余為從。
　?。?）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(shí)，APF的補(bǔ)償特性將受電網(wǎng)阻抗的影響，APF的諧波補(bǔ)償電流還可能注入無源濾波器中。因此需對(duì)APF和無源濾波器的設(shè)計(jì)進(jìn)行特殊考慮，并不是簡單地1+1進(jìn)行并聯(lián)，這在研究有源濾波器較早的國家已得到驗(yàn)證。