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年在我國開始實施。
　　諧波（Harmonic）即對周期性的變流量進行傅里葉級數(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?！峨娔苜|(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(wǎng)注入的諧波電流允許值按此用戶在該點的協(xié)議容量與其公共連接點的供電設(shè)備容量之比進行分配，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、電弧焊機等引起的?！峨娔苜|(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)（運行）周期中的實測值，例如煉鋼電弧爐應(yīng)在熔化期測量等?！峨娔苜|(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)正常運行方式下由于負(fù)序分量而引起的PCC點連接點的電壓不平衡，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：電力系統(tǒng)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(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(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(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)過補償后的電流）的THD（Total Harmonics Distortion）作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)實際工業(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際諧波分量。對實際中各種復(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時檢測、計算補償對象的諧波電流?；陬l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(wǎng)頻率波動和電路元件參數(shù)較敏感?；诳焖俑独锶~變換為基礎(chǔ)的全數(shù)字頻域濾波方法，根據(jù)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(shù)。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(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時檢測方法，對于諧波和無功補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算電路，實現(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)字化方法來實現(xiàn)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(yuǎn)高于無源濾波器，新的綜合電力濾波系統(tǒng)，由傳統(tǒng)無功補償濾波器和小容量有源濾波器構(gòu)成，與被補償?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?，F(xiàn)在國外這方面的工作已相當(dāng)成熟，許多公司的產(chǎn)品已進入中國。
　
四． 國外成熟產(chǎn)品的設(shè)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(chǎn)品進入國內(nèi)市場。我們對一些國外產(chǎn)品進行實際研究，力圖對APF的設(shè)計及國產(chǎn)化工作做一些探討。
　?。?）補償容量的確定
　　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(fù)載電流的諧波分量大小相等而方向相反。如果要求同時補償諧波和無功，則裝置容量由要求的諧波組成及要求補償?shù)臒o功程度共同決定。
　?。?）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：驅(qū)動電路簡單；模塊開關(guān)頻率高，相對交流濾波電感可??；反應(yīng)速度快，適合于快速反饋、快速控制。
　?。?）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(fù)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(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)。從實際使用效果來看，檢測電源電流方式進行補償?shù)慕Y(jié)果比只檢測負(fù)載電流方式的補償效果好。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償閃變。
　?。?）內(nèi)部高通濾波器的設(shè)計
　　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。
　?。?）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(xié)調(diào)控制，一臺為主，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的補償特性將受電網(wǎng)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(shè)計進行特殊考慮，并不是簡單地1+1進行并聯(lián)，這在研究有源濾波器較早的國家已得到驗證。