电力有源滤波器（APF）技术的探讨.pdf

第 卷增刊 2 0 0 6年 1 2月 四 川 电 力 技 术 S i e h t mn El e c t r ic P r e e h n o l o , v0 1 2 9。 No 6 De c 2 O O 6 电力有 源滤波器 ( A P F ) 技术 的探讨 杨茂 ， 苏 文龙 ( 1 四川电力试验研究院， 四川 成都6 1 0 0 7 2 ； 2 成都市智新电气科技有限公司 ， 四川 成都6 1 0 1 o o ) 摘要： 随着大功率开关器件的广泛应用， 电力系统谐波抑制及无功补偿 问题变得 日益迫切 电力有源滤波技 术是解 决上述问题的有效手段。首先简要介绍电力有源滤波技术的特点、 基本原理， 然后介绍 A P F的主要控制策略， 最后对 A P F 技术应用中应考虑的一些问题作简单介绍。 关键词： 电力有源滤波； 谐波； 无功补偿 A】 喊 ：Wi t ht h e wi d e 印r e 8 d a p p l i c a t i o n h i g hp o w e r s w i t c h i n g d e v i e e ，r e a c t i v e p o w e r c o mp e n s a ti o n a n d h l l n n o mc s u p p a i o n a r e b 芒 ， c 【 i n c r e a s i n g l y u r g e n t ，8 0 a c ti v e po w e r mt e g t ec h n o l o g y i s a I 1 e ff e c t i v e r I哪t o s o l v e p r o b l e ms T h e e h a me t e r i s t i c s a n d t h e l m s i e p l 鸱 0 f a c t i v e pow e r fil t er i n g t e c h n o l o g y a l e i n t r o d u c e d i n b r i d， a n d t h e n t h e m a i n c o n t r o l s t r a t e g y o f A P F i s i nt r o d u c e d a 8 we l l a 8 s 0 me c o n s i d e r a t i o n s f o r t h e a p p l i c ati o n o f APF a t l a s t K呵 ：a c t i v e powe r fi l t e r i n g；h a r mo n i c；r e a c t i v e po we r c o mp e n s a ti o n 中图分类号： T N 7 1 3 文献标识码： A 文章编号： l 0 0 3 6 9 5 4 ( a ) 0 6 ) 0 6 一O 0 2 7 0 3 电力电子技术是科学技术发展的重要支柱 ， 有人 预言 ： 电力 电子技术与计算机技术将成为 2 1 世纪最 重要的两大技术。然而 ， 电力 电子技术带来方便、 高 效、 巨大利益的同时 ， 其非线性 、 冲击性和不平衡用 电 特性 ， 也给公用电网供 电质量造成严重污染 ， 向公用 电网注人大量的谐波和无功功率 。另一方面 ， 随着以 计算机为代表的敏感设备的普及 ， 人们对公用电网的 供电质量提出了更严格的要求。随着 电力 电子器件 及其控制技术的发展， 基于 P W M逆变器的“ 电力有 源滤波器” ( a c t i v e p o w e r fi l t e r ， 简称 A P F ) 技术的发展 逐步走 向成熟 ， 在国外已得到广泛应用。 l 电力有 源滤波器概述 虽然设置并联电容器具有投资少、 效率高 、 结构 简单及维护方便等优点， 但在现阶段广泛用于配电网 中， 由于滤波特性受系统参 数影响大 ， 只能消除特定 的几次谐波 ， 而对某些次谐波会产生放大作用 ， 甚至 谐振现象等因素 ， 所 以随电力电子技术的发展 ， 人们 将滤波研究方向逐步转向有源滤波技术 ， 在 日本 、 美 国、 德国等工业发达国家已得到高度重视和 日益广泛 的应用 。 电力 有源滤波器是利用可控的功率半导体器件 向电网注入与谐波源 电流幅值相等 、 相位相反 的电 流， 使电源的总谐波电流为零， 达到实时补偿谐波电 流的 目的 ， 有 以下特点 ： 不仅能补偿各次谐波 ， 还可抑制闪变、 补偿无 功 ， 有一机多能的特点 ， 在性价比上较为合理 ； 滤波特性不受系统阻抗等的影响 ， 可消除与系 统阻抗发生谐振的危险； 具有 自适应功能， 可 自动跟踪补偿变化着的谐 波 ， 即具有高度可控性和快速响应性等特点。 2 电力有 源滤波器 的基本原理 图 1 有源滤波器示意 图 图 l 所示为电力有源滤波器系统构成的原理图 ， 主要由两大部分组成 ： 指令电流运算电路和补偿电流 发生电路， 其中补偿 电流发生电路 由电流跟踪控制电 路 、 驱动电路和主电路三部分构成。 指令 电流运算电路的功能主 要是从负载电流 i L 中分离出谐波电流分量 i 和基波无功 电流 ， 然后 将其反极性作厢后发生补偿电流的指令信号 i = ( i + ) 。电流跟踪控制电路的功能是根据主电路 产生的补偿电流 应跟踪 i 的原则， 计算出主电路 ，2 7 维普资讯 第 2 9 卷增 刊 2 O 0 6年 1 2月 四 川 电 力 技 术 S i c h u a n E l e c t r i c P o w e r Te c h n o l o g y Vd 2 9 6 D 各开关器件的触发脉冲， 此脉冲经驱动电路后作用于 主电路 ， 产生补偿 电流 i 。 。 ， 由于 i i ， 所以 i s =i +i = +i =i L 一( 雎+i t q ) =： 即电源电流 i s中只含有基波的有功分量 i 从而达 到消除谐波与进 行无功补偿的 目的。根据 同样的原 理 ， 电力有源滤波器还能对不对称三相电路的负序电 流分量进行补偿。 电力有源滤 波器 的主电路 一般 由 P WM逆变器 构成 。根据逆变器直流侧储能元件的不同， 可分为电 压型 A P F ( 如图 2 ) 储 能元件为电容和 电流型 A P F ( 如 图 3 ) 储能元件为电感 。电压型 A P F在工作时需对直 流侧电容电压控制， 使直流侧电压维持不变， 因而逆 变器交流侧输 出为 P WM电压 波。而 电流型 A P F在 工作时需对直流侧电感电流进行控制 ， 使直流侧电流 维持不变 ， 因而逆变器交 流侧输 出为 P WM 电流波。 电压型 A P F的优点是损耗较少 、 效率高 ， 是 目前国内 外绝大多数 A P F采用的主电路结构。电流型 A P F由 于电流侧 电感上始终有 电流流过 ， 该电流在电感内阻 上将产生较大损耗 ， 所 以目前较少采用。但是电流型 A P F由于开关器件不会发生直通短路现象， 随着超导 储能磁体研究 的进 展， 也将 促进 多功能 电流 型 A P F 投入实用。 图 2 电压型有 源滤 波器 图 3 电流型有源滤波器 从上述原理可以看出 ， 电力有源滤波器是运用瞬 时滤波形成技术 ， 对包含谐波和无功分量的非正弦波 进行“ 矫正” ， 这与基于稳态频谱的“ 滤波” 概念已有很 2 8 大的不同， 而类似于 自适 应滤波技术 中的“ 干扰抵消 器” 。因此， 电力有源滤波器有很快的响应速度， 对变 化的谐波和无功功率都能实施动态补偿 ， 并且其补偿 特性受电网阻抗参数影响较小 。 3 电力有源滤波器的控制 如上所述 ， 电力有源滤波器的控制主要是指令 电 流的运算和补偿 电流的产生 。 3 1 指令电流的运算 指令 电流 i c的运算方法主要有 以下几种 。 3 1 1 基于频域运算的方法 这是最早应用于指令 电流运算 的一类方法。其 基本思想是用频域滤波的方法( 使用带通滤波器 ) ， 首 先分离负载电流中的基波分量和谐波分量 ， 然后再使 用电路理论 中的计算方法将基波电流分解为基波有 功分量和基波无功分量。由于需要采 用锐截止 的高 阶带通滤波器， 所 以附加相移较大。另外 ， 其滤波器 特性对电网频率波动和电路元件参数也较敏感。所 以该方法 已较少采用 ， 而转向以快速傅立叶变换为基 础的全数字频域滤波方法 ， 并且能 自动跟踪 电网频率 的波动而 自适应提取基波分量。但该方法仍存在较 大时延 、 实时性较差 、 补偿效果不好等问题。 3 1 2 瞬时空间矢量法 基于无功功率理论的瞬间矢量法是 目前三相电 力有源滤波器中应用最广的一种指令 电流运算方法。 最早是由 日本学者 H A k a g i 于 1 9 8 4年提 出， 仅适 用 于对称三相电路 ， 后经不断改进 ， 现已包括 Pq法、 i p i 法以及 dq法等。Pq法最早应用， 仅适用 于对称三相且无畸变的电网； i 一i 法不仅对电源 电 压畸变有效 ， 而且也适用于不对称三相 电网： 基 于同 步旋转 p a r k变换 的 dq法不仅简化 了对称无畸变 下的指令电流运算 ， 而且也适用于不对称 、 有畸变的 电网 。 3 1 3 基 于现代 控制 理论 的 方法 最早应用的有基于 J P一， 控制器的方法 ， 因 J P一 ， 控制 的特性不能适应负载及 电网的变化 ， 后来又 提出了基于滑模控制及模糊控制等现 代控制方法 。 它们 都是 直接 根 据逆 变器 直 流侧 的 电压 ( 电压 型 A P F ) 或电流 ( 电流型 A P F ) ， 求 出所需 的电网电流的 基波有功分量幅值 ， 从而求 出所需补偿电流的指令值 i 。这种方法适用于单相和三相 A P F ， 也适用 于电网 电压畸变的情况。 维普资讯 第 卷增刊 2 O O 6年 l 2月 四 川 电 力 技 术 S i c h u a n Ele c t r ic P o w e rT e c h n o l o g y V d 2 9。 N o 6 De c 2 O O 6 3 1 4自适应 检 测法 该方法基于 自适应滤波 中的 自适应干扰抵消原 理 ， 从负载电流中消去基波有功分量 ， 从而得 到所需 的补偿 电流指令值。该方法的突出优点是对 电网电 压畸变 、 频率偏移及 电网参数变化有较好的 自适应调 整能力 ， 但 目前其 动态响应速度还较慢。后来 又提 出了用神经网络实现的 自适应检测法。 3 2 补偿电流的产生 对于采用 P WM 电压源逆变 器的电力有源滤波 器 ， 其补偿电流的产生方法 目前主要有 以下三种。 3 2 1 三 角载 波 线性控 制 这是一种最简单 的线性控制方法 。它 以指令电 流 与实际补偿 电流 之间的差值作 为调整 信号， 与高频三角载波相 比较 ， 从而得到逆变器开关器件所 需 的控制信号 。其优点是动 态响应好 、 开 关频率 固 定 、 电路简单。其缺点是 开关损耗较大， 且输 出波形 中含有载波频率及其谐波频率 的高频畸变分量。 3 2 2滞 环 比较 控 制 该方法将指令 电流与实际补偿 电流的差值输入 到具有滞环特性的比较器中， 然后用 比较器的输出来 控制逆变器的开关器件。与三角载波控制方式相比， 该方法开关损 耗小 ， 动态 响应快。但是 ， 该方法使开 关频率变化较大， 容易引起脉冲电流和开关噪声 。后 来 ， 为限定开关频率的最大值而提出了变滞环带宽改 进算法 ， 这必将影响响应速度和补偿电流跟踪精度。 3 2 3无差拍控 制 该方法是一种全数字化的控制技术。它利用前 一 时刻 的指令电流值和实际补偿电流值 ， 根据空间矢 量理论计算 出逆变器下一 时刻 应满足 的开关模式 。 其优点是动态响应很快 ， 易于计算机执行 。但缺点是 计算量大 ， 且对 系统参数依赖性较大。后来 ， 又有一 些简化其计算 的改进方法出现 ， 随着数字信号处理单 机片( D s P ) 应用的不断普及 ， 这是一种很有前途 的控 制方法。上述控制策略 ， 只是迄今为止笔者所见到 的 几种主要的方法。有关 A P F的控制策略正随着 D S P 技术和智能控制理论 的发展不断涌现 。随着控制策 略的改进 ， A P F的特性也将不断提高 ， 而相 应的价格 也必将下降。 4 电力有源滤波器的应用 电力有源滤波器作为改善供 电质量的一项关键 技术 ， 在 国外 已 日趋成熟 。仅在 日本 就有 5 O O多台 A P F投入运行 ， 其容量 已达到 6 0 M V A。在 A P F的应 用中， 一般应考虑以下几个方面的问题。 4 1 元件参数的选择 首先是 开关器件 的选择 ， 对于容量小 于 2 MV A 的 A P F一般采用 I G B T， 而容量大于 5 MV A时可采用 G T O及多重化技术 ； 其次 ， 为减小逆变器向电网注入 的开关纹波又不降低 A P F的补偿特性， 电压型逆变 器的输出电感及无源纹波滤波器应仔细设计 ； 最后 ， 为保证逆变器直流侧电压 的稳定 ， 应适当选择直流侧 电容值 。 ， 4 2 经济的考虑 A P F的技术构想早在 2 0世纪 7 O年代就 已提 出， 但直到 2 o世纪 9 o年代 A P F技术才进入实际应用 ， 其 中一个重要原 因就在 于 A P F的实际成本价格太高 。 因此在选择应用 A P F时必须考虑其成本价 格。就当 前技术水平 而言， 采用小额定值 A P F结合 无源滤波 器的混合型电力有源滤波器是一种切实可行的方案。 当然随善开关器件和 D S P芯片价格的下降， 串一 并联 电力有源滤波器 电是很有发展前途的。 电力有源滤波器的研究与应用 ，国内远