有源滤波器在改善电能质量方面的应用 （浙江大学电气工程学院 钱照明 陈国柱 吕征宇 汪槱生）
摘 要:简要的综述了电力质量问题及相应的治理措施，着重对电力有源滤波技术的发展及它在谐波抑制、无功补偿、谐振阻尼、电压瞬态恢复等方面的应用原理进行了分析，并介绍了国内已研制成功的一台混合有源滤波器实验样机在工业现场应用的结果。
关键词:电力质量 电力有源滤波 谐波治理
Abstract:Power Quality and relevant measures are briefly reviewed. The technical developments of the active power filter and its applications in harmonics suppression, active power compensation, resonance damping, and transient voltage recovering are specially discussed. As a sample a home-made hybrid active power filter and its industrial operation data is shown in this paper.
Keywords:Power Quality Active Power Filter Harmonics Suppression
1 引言
电力负载向复杂和多样性的方向发展，特别是非线性负载的日益广泛的应用，电能质量有明显恶化的趋势。它与工业生产水平的不断提高对电能质量的要求越来越高的需求之间的矛盾日渐突出，另一方面，目前电力系统的可控性普遍较差，实现灵活、有效的电能控制还较为困难。近年来，电力电子技术的长足发展，利用大功率开关器件、高速计算机技术实现为电能的控制和改善电能质量提供了可能。电力电子技术在电力系统中的应用是电力系统可控化和电力电子装置大功率化发展的必然趋势。
电能质量涉及的范围很广，主要包括:基波无功、高次谐波、低频闪变、电压跌落、频率偏移、尖峰电压、EMI等，还包括对潮流、保护、援助等的有效控制。 常见的电能质量问题的现象如图1所示(1-8)。
电能质量的每个方面都应包含在FACTS(柔性交流输电系统)这一概念中(1,8,12,13)。它最初由美国电力科学研究院(EPRI)于80年代末提出，即在输电系统中，利用电力电子技术(包括功率开关、高速计算、控制等)对电力系统的重要参数:如无功、谐波、电压幅度、相间对称度、频率、电抗和功率流等进行调整和控制。FACTS系统将在功率潮流控制、负荷率、紧急功率支援、安全与故障控制、新型电力市场等方面发挥重要作用。
目前，电力电子在电力系统中的应用主要有:SVC/SVG(静态无功补偿/发生)、 TCSC(晶闸管控制切换电容)、 APF(有源电力滤波)、PFC(功率因素校正)、EMC(电磁兼容)、HVDC(高压直流输电)、洁净/分布式能源、APLC/PLC(有源/电力线路调整)、UAPLC(多功能电力线路调整)、无触点保护等。鉴于有源滤波功能的广泛性，本文仅就有源滤波在电能质量中的部分应用作简单介绍。但所讨论的方法，适用于其它电能质量问题的应用。
顾名思义，“滤波”是针对谐波而言的，但有源滤波(APF)在FACTS 家族中具有广义性。首先，有源滤波具有多功能性，或者说电能质量的许多问题均可通过不同的控制手段由有源滤波装置来解决。如谐波抑制、无功补偿、相间对称校正等。其次，在时域和频域分解的观点上，电能质量的诸多问题与谐波是统一的，仅作用频率不同，如:基波频率整数倍的分量为通常意义上的谐波;分数倍、非整数倍分量分别称为闪变、间谐波;而基波无功、非周期量可以分别看成是频率为系统频率和零频率的分量等。第三，诸多电能质量问题的治理与谐波治理是不可分割的，如SVC/SVG设备如果采用相控方式，本身就会产生大量谐波，在实际系统中，仅考虑无功补偿可能因谐波而导致系统不稳定(谐振);此外，SVC/SVG、PFC和PLC等与APF均具有FACTS单元的本质，因而，APF还广泛地被称为AF(Active Filter)、APLC/PLC、APQC(有源电能质量控制)、IRPC(瞬时无功补偿)等(1,8,15)。
2 有源电力谐波抑制(APF)
2.1 谐波问题及其危害
中大功率电力电子装置，如调速系统、感应加热、整流设备、电弧炉、开关电源等的大量应用，给电网引入大量谐波。这对供电系统及其它设备产生不良影响,甚至可能造成电力系统瘫痪。
1989年3月，由于磁暴，加拿大魁北克系统中地磁感应电流导致系统主变饱和并产生大量谐波，造成SVC电容器组过载，SVC保护动作，系统增加了无功需求，系统电压失稳，继而导致整个魁北克系统的崩溃的大事故。1991年，在意大利阿尔俾斯山地区，发生两次类似电力事故。一次是在一个2MW直流驱动的双缆滑雪缆道工程的验收测试时，引起电网瘫痪，直到一个12脉整流配电系统启用才恢复正常。原因是:当地20kV的电网容量相对较小，谐波电流引起18%的电网电压畸变。在美国，中西部电网也曾有过负载为谐波含量较高的调速系统虽没有超过额定容量，仍引起主变失败的报道。
上面列举的这些电力系统安全事故表明，谐波的危害是不可忽视的。谐波的危害主要有:
① 消耗无功、增加线路损耗;
② 是激励源，在一定条件下，可能使系统产生谐振;
③ 降低设备绝缘等级、加速绝缘老化;
④ 使电机产生附加力矩及损耗、影响计量准确度;
⑤ 对通信系统(包括计算机网络)产生电磁干扰(EMI)等;
⑥ 影响继电保护等装置的可靠运行; 威胁用电设备及电网安全。
在我国，虽然目前电力电子装置的应用不如发达国家普及，但因感应加热装置、电弧炉、变频器的谐波引起电网严重污染，无法多台设备同网应用，测试仪器及计算机网络在现场无法正常运行的事例也屡见不鲜。这一存在于电力系统的污染，随着精细用电要求的迅速发展势必会变得日益严重。据报道，我国发电量仍有10%左右尚未得到充分利用，线路的损耗高达20%，加之电网波动而不得不采用裕量设计，系统效率较低，存在着很大的节能潜力。
图2、图3分别为现场测试的工业变频器和中频感应加热电源网侧电流及其频谱图，由图可见，它们对电网具有严重的谐波污染作用(31)。其它非线性电气设备同样具有相似或其它特征的谐波污染能力(32)。
谐波对供电系统的危害已经引起了人们广泛的重视。许多国家及地区已经制定了各自的谐波标准。我国也分别于1984年及1993年通过了“电力系统谐波管理暂行规定”及GB/T-14549-93标准，用以限制供电系统及用电设备的谐波污染(10,11)。
2.2 谐波的治理
对谐波的治理，传统的方法主要采用被动式的无源电力滤波(PPF, Passive Filter)技术，相对于成熟的信号滤波它的主要区别在于它要处理能量和滤波器阻抗的不匹配性。随着电力电子、自动控制和高速计算机等技术的迅速发展，有源电力滤波(APF, Active Filter)成为电力系统治理谐波的主要方法。APF通常要对电网和/或负载的谐波进行实时计算，通过不同的控制方案，利用高频逆变器进行谐波功率放大后，将不同补偿目的点的谐波电压、谐波电流抑制到足够小的水平。与无源电力滤波器(PPF)相比，APF具有下列优势[1～8]:
① 不会因制造误差、设备老化、电网频率变化造成滤波效果下降;
② 不容易与电网产生谐振，而且具有谐振抑制作用，不会造成谐波放大;
③ 可以仅仅对谐波进行抑制而不引入大的无功，或兼有谐波补偿和无功补偿功能;
④ 适应于多种性质(阻、感、容性)的负载，并可利用现有无功补偿设备容量;
⑤ 具有处理复杂频谱谐波的能力。
2.3 国内外APF研究和开发状况
自80年代中期，发达国家在APF领域就取得系列进展。
并联有源滤波器是最基本的有源滤波器拓扑。1986年，H. Akagi提出用并联有源电力滤波器消除谐波。在这种装置中APF相当于一个谐波电流发生器，它能自动跟踪负载电流中的谐波分量，产生一个与之大小相等、相位相反的谐波电流， 从而使电网侧电流为正弦波。通过不同的控制、处理，该拓扑还可以对无功，不平衡等分量实现补偿。图4是这种并联APF的结构框图。
鉴于用户对电力系统的电能质量日益苛刻的要求，而目前电力电子器件可控制的能量水平有限，与电力系统要求控制巨大能量之间存在着矛盾，各种不同的有源电力滤波方案和混合型有源电力滤波(HAPF，Hybrid Active Power Filter )成为现阶段APF研究和应用的主流。
前者是针对系统和负载的特点及补偿目的不同，采取相适应的结构和原理，以追求较好的单项性能。后者则是将APF和PPF相结合，共同达到良好的补偿目的，同时又有效地减小了有源部分的容量。
混合有源滤波器的基本结构主要有:1987年Takeda等提出的并联APF加并联PPF的混合有源电力滤波器(HAPF);1988年,F.Z.peng等提出的串联APF加并联PPF的HAPF;1990年，H.Fujit等提出的APF与PPF相串联的HAPF;1994年，H.Akagi等提出的串联APF1和并联APF2的HAPF等。
其中，F.Z.Peng的方案可以用较小容量的APF(典型值为补偿功率的5～10%)对谐波呈现高阻抗，而对工频呈低阻，它可以看成是一个电源和负载之间的谐波隔离装置，电网的谐波电压既不会加到负载和PPF上，而负载的谐波电流也不会流入电网。
在日本，迄今至少有500多台APF已在现场应用。其中，用GTO实现的APF(20MVA)于1990年用于电弧炉的谐波抑制;用SITH实现的VVVF谐波抑制的APF(200kVA)于1988年投入使用;用IGBT实现的100kVA的APF于1988年用于对建筑物中的供电系统进行补偿。据资料统计，在日本APF的应用领域可用图6表示。
根据推测，按行业和应用电力电子设备的大致情况，APF在我国潜在的应用领域如表1所示:
从上表可见，APF在我国的应用需求广泛存在于冶金、石化、水处理、电信和其他轻、重工业中(3-6)(13-16)。但目前除少数深受其害、又具有技术和经济实力的企业外，广大用户对谐波存在、危害认识还比较缺乏。我国对APF的研究工作始于90年代中期，但到目前为止，尚无实用的自行开发的APF装置在工业现场运行。
3 有源滤波对电能质量的改善
实际上，有源滤波技术具有多种电能质量的改善作用，如:高次谐波的抑制、无功补偿、防止谐振、不对称补偿、电压跌落控制等。以下就其原理简要加以说明。
一个补偿系统可用一个三支路简化结构图说明，如图7所示，即由电网侧支路、负载侧支路和并联支路组成。图8是一个称为“统一(Unify)电能调节器”，从图8可见，它是由一个串联APF和一个并联APF复合而成，具有多功能的电能质量控制功能。下面分别以图7、图8为例，讨论有源滤波技术的改善电能质量的多种功能。
3.1 谐波抑制原理
在图7中，通过控制设法增加电源支路的谐波阻抗(保持基波阻抗近似为0)、 减小并联支路的谐波阻抗或二者同时进行，则可阻止谐波在电源和负载之间的传递，电网的谐波电压不会加到负载和并联支路上，而负载的谐波电流也不会流入电网。
电网支路、并联支路的阻抗控制则可以由无源、有源或其组合实现，如图5所示各种APF的基本类型等。
IL、IF、Is分别为负载、并联和电网支路电流、Vc为串联APF输出电压
图9为一个串联有源滤波器的工作原理仿真波形图。从图9可见，在串联HAPF中，负载产生的谐波电流在APF的作用下，基本流向并联PPF支路。而APF输出中基本上不含基波，在负载变动相对固定的场合，APF的容量可以只要求是负载总容量的5～10%，成本可以大大降低;这时，电网电流中基本上不含谐波，达到了抑制谐波电流的目的。
3.2 无功补偿与谐波抑制[16]
在并联型APF电路中，并联PPF支路可以通过精心设计(或对有源的控制)，具有基波无功补偿功能的原理是直观的。事实上，在串联有源滤波器中，通过较为复杂的控制，串联在电网支路的有源装置，同样可具有无功补偿的功能。
负载无功功率在有源滤波装置的控制下，在直流储能环节和负载之间进行交换。如上所述，谐波电流基本通过并联支路自成环路，电网与装置(包括负载及APF滤波装置)仅存在有功能量的交换。图10为同时具有无功补偿与谐波抑制的APF装置的原理波形。
3.3 谐振阻尼[15]
如果并联支路用无源装置以减小有源装置容量，或负载端存在功率因数校正电容的话，无源装置与电网之间则有谐振可能，对系统安全十分不利。这时串联有源滤波器实际上可视为一个可控电抗，正的等效阻抗可起到谐振阻尼作用。
图11为某一混合有源滤波器的网络传输特性仿真示意。
从图11可见:(1)仅投入无源装置时，只对装设PPF的有限个固定频率，如5次、7次的谐波有较大的抑制作用，而对电网中的某些频率则起放大作用(发生谐振)，这是由于PPF储能元件的加入使系统传递函数会产生多个极值点,它们与电网参数(阻抗)密切有关，因此无源装置的设计非常困难。(2)投入APF后，对所有频率段的谐波都有较大的抑制作用。且与谐波源的频率、分布和变化无关。(3)具有系统谐振阻尼能力(42、54)，阻尼作用使得传递函数中的多个极值点被平滑。当然，传递特性是与控制参数密切相关的，要有效地阻尼谐振，需要正确的控制设计。
3.4 电压幅度控制[1,8,12,13,15]
图8所示统一(Unify)电能调节器，除了具有前述功能以外，还具有电网电压幅度的调节能力，这包括:相间不对称、电压跌落等。这是因为，串联APF在一定控制下，可产生幅度、相位可控的基波电压。当然，这时需要处理基波，APF必须具备更大的功率容量或更大的直流储能能力，因对有功分量的补偿能力依赖于直流环节的储能能力。
4 有源滤波的高压大功率技术(2,14,17)
当前电力电子技术对电力系统应用的一个最新发展动向是中高压大功率应用技术。中高压大功率系统，是电力系统一般现实，如6kV甚至更高等级电压是广泛存在的。这一方面依赖于高压大功率器件的发展;另一方面，在电路结构上，变压器电压等级变换是常用的办法，但目前，一种称为“多电平变流器”的拓扑结构对电力电子(有源)装置的高压大功率应用具有重要的现实意义。
多电平变流器的优点是:降低单个功率管耐压和功率、输入和输出谐波随级数增加而减小(一般5～9级就可得到满意的输入输出纯度)、无须变压器或输入/输出滤波、适合于高压大功率应用等。
多电平变流器有许多拓扑，如中线箝位三电平、二极管箝位多电平、电容器箝位多电平以及组合式和叠层式等。其中，叠层结构的多电平变换器，是将多个单相逆变器串联构成多电平变换器，其结构原理图如图12所示。
还有所谓“混合调制”的多电平变换器，即采用高压大容量低频(如GTO)器件与较高速度而耐压和容量较低(如IGBT)器件组合，充分利用各自特点的方法以简单的拓扑实现更高电压和容量的能量的有源控制。
5 APF应用简介
浙江大学电气学院对电力有源滤波器进行了多年的深入研究，在理论、新结构，特别是在应用技术等方面取得了一系列成果。在国内外重要杂志、会议发表相关论文近四十篇。
研制了我国第一台工业现场实用、功率较大(50kVA)的串联混合有源滤波器示范样机，用于狭义谐波抑制。通过长期严格运行试验，结果表明:性能良好、运行可靠。以下就此装置简要加以介绍。该装置的原理方框图、整机和主要电路的实物照片分别示于图13、图14。
上述50kVA串联HAPF装置安装于某一重要工业现场，实现对变频调速装置产生的谐波进行补偿。安装HAPF系统前、仅安装无源装置和串联HAPF投入运行的三种情况下，同一台非线性负载的向电网吸取的电流波形分别示于图15、16和17。部分测试数据如表2所示。
测试对象:变频器编号P-1032/1，容量50kVA/33.5kw
测试负载工况:f=27.15Hz，6.6A RMS, 4.6A HM, 78% THDi_R,123% THDi_F
图15～17和表2测试结果表明:
* 谐波抑制效果十分显著;
* 峰值电流大幅度下降;
* 有效值电流显著下降;
* 大范围负载变化下的功率因数改善。
6 结论
本文讨论的有源滤波具有广义性，具有多项电能质量调整和控制功能，它由电力电子装置组成，是FACTS的重要内容。本文对有源滤波装置的谐波抑制、无功补偿、谐振阻尼、电压补偿和电力电子装置的高压大功率应用等原理进行了介绍。并介绍了一台混合有源滤波器实验样机在工业现场应用结果。
有源滤波装置对电能质量多功能控制的能力，并已达到处理数kV电压和MVA级功率的水平。大力发展电力电子技术(有源)装置在电力系统中的应用的时机已趋成熟，加紧对此研究和推广应用，必将对提高电力系统的可控性和电能质量带来巨大作用。
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