吳任國

（海軍駐武漢四三八廠軍事代表室，湖北省 武漢市 430060）

1 電力電子技術(shù)及其發(fā)展

美國貝爾實驗室于 1956年研制出世界上第一只晶閘管（SCR），標(biāo)志著電力電子技術(shù)的開始。80年代以來，電子技術(shù)的兩大分支--微電子技術(shù)與電力電子技術(shù)的有機結(jié)合產(chǎn)生了新一代多功能集成高頻化全控型的功率器件，具有代表性的是可關(guān)斷晶閘管(GTO)、電力晶體管(GTR)、功率場控晶體管（MOSFET）、絕緣門極晶體管（IGBT）等，它們已經(jīng)形成了一個全控型電力電子器件的系列，并使得電力電子變換電路及其控制電路不斷取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展[1,2,3]。

現(xiàn)代電力電子技術(shù)利用電力電子器件對電能進(jìn)行變換和控制，是一門綜合電力半導(dǎo)體器件、電力變換技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、自動控制技術(shù)等許多學(xué)科的邊緣交叉學(xué)科，在為現(xiàn)代通訊、電子儀器、計算機、工業(yè)自動化、電網(wǎng)優(yōu)化、電力工程、國防及某些高新技術(shù)提供高質(zhì)量、高效率、高可靠性的電能方面起著關(guān)鍵的作用。

1.1 電力電子器件

電力電子器件的出現(xiàn)和發(fā)展產(chǎn)生了電力電子技術(shù)。從50年代起，電力電子器件已經(jīng)歷了好幾代發(fā)展。根據(jù)器件的開關(guān)控制特性，迄今為止的電力電子器件有3種類型：

(1)不控型器件：指無控制端口的二端器件，如電力二極管。

(2)半控型器件：指有控制端口的三端器件，但控制端在器件導(dǎo)通后即失去控制作用，如SCR。

(3)全控型器件：指有控制端口的三端器件，控制端同時具有控制器件通斷狀態(tài)的能力，如GTO、IGBT。

當(dāng)前國內(nèi)外電力電子器件的發(fā)展方向是高頻化、全控型、低損耗、易驅(qū)動、集成智能化?，F(xiàn)今，又由IGBT派生出IGPT、IGCT及IPM等集成模塊。隨著現(xiàn)有電力半導(dǎo)體器件性能的不斷完善、新型材料和器件的出現(xiàn)及各種先進(jìn)加工技術(shù)的研制，電力電子器件將會朝著高電壓、大容量、高集成及智能的方向飛速發(fā)展。

1.2 電力電子變換技術(shù)

電力電子變換電路的基本功能是將電網(wǎng)的電能轉(zhuǎn)換為負(fù)載需要的形式，不論電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如何，其基本轉(zhuǎn)換電路只有4種形式[3]：

(1)整流電路AC－DC；

(2)斬波電路DC－DC；

(3)逆變電路DC－AC；

(4)交流變換電路AC－AC。

1.3 電力電子控制技術(shù)

電力電子控制電路的基本功能是應(yīng)用自動控制理論和計算機技術(shù)來提高系統(tǒng)的性能，一般的控制方式有：相控方式，頻控方式，斬控方式，相頻控制方式及斬頻控制方式。

先進(jìn)的控制方式對改進(jìn)變換電路的性能和效率是必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一

2 電力電子技術(shù)發(fā)展所產(chǎn)生的負(fù)面影響

隨著電力電子裝置的廣泛使用，帶來了很多負(fù)面影響[4]：如電網(wǎng)品質(zhì)惡化，裝置的功率因數(shù)降低和無功消耗增大，負(fù)載的波形發(fā)生畸變等，。

無功功率對電網(wǎng)造成的影響是眾所周知的，它主要表現(xiàn)在以下3個方面：（1）頻繁的無功功率負(fù)載沖擊會引起電網(wǎng)電壓的波動，使供電質(zhì)量嚴(yán)重降低；（2）增加電網(wǎng)上所連設(shè)備的容量；（3）增加設(shè)備和線路的損耗。

諧波產(chǎn)生的危害主要有以下幾方面：（1）諧波使電能產(chǎn)生和傳輸環(huán)節(jié)的效率降低；（2）諧波使連在電網(wǎng)上的用電設(shè)備不能正常工作，比如引起振動、產(chǎn)生噪聲以及電機過熱甚至燒毀等；（3）諧波很容易使電網(wǎng)上無功補償電容器和系統(tǒng)中的電抗器產(chǎn)生諧振，從而燒毀電容器及電抗器；（4）諧波會導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動裝置的誤動作，使自動控制系統(tǒng)失效；（5）諧波對電能的計量提出了一個新的課題；（6）諧波還會對通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重的可以導(dǎo)致信息丟失、通訊設(shè)備中斷等。

3 電力系統(tǒng)諧波抑制及補償技術(shù)的研究

為把電網(wǎng)中的諧波控制在允許范圍內(nèi)，各國相繼制訂并頒布了限制電力系統(tǒng)無功和諧波的法規(guī)或由權(quán)威機構(gòu)制訂限制諧波和無功的規(guī)定、導(dǎo)則。在國際上比較著名的標(biāo)準(zhǔn)為 IEEE519和IEC555-2[5]。我國國家技術(shù)監(jiān)督局批準(zhǔn)并頒發(fā)了《電能質(zhì)量——公用電網(wǎng)諧波》。該標(biāo)準(zhǔn)對諧波和諧波電流的合成方法作了明確說明，將我國低壓電網(wǎng)（0.38 kVAC）的電壓總諧波畸變率定為5%，且規(guī)定奇次諧波電壓含有率低于 4%，偶次諧波電壓含有率低于2%。

為了滿足諧波標(biāo)準(zhǔn)的要求，有必要對電網(wǎng)中的諧波和無功進(jìn)行抑制及補償。目前，裝設(shè)諧波補償裝置來補償諧波屬于比較可行的措施，主要有兩種治理方式：無源濾波器與有源濾波器，及由其兩者結(jié)合產(chǎn)生的混合有源濾波器，一般將混合有源濾波器歸為有源濾波器的種類中去，作為有源濾波器發(fā)展的一個分支。

3.1 無源電力濾波器

用無源電力濾波器進(jìn)行抑制諧波、補償無功和提高電網(wǎng)的功率因數(shù)。它利用電感、電容元件的諧振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗之路，從而減小流向電網(wǎng)的諧波電流。無源濾波器（PPF）具有初期投資小，運行效率高等優(yōu)點。但PPF的濾波效果受電力系統(tǒng)阻抗的影響較大，且只能消除特定次數(shù)的諧波，還可能與系統(tǒng)發(fā)生串、并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使設(shè)備過載甚至燒毀，而且裝置笨重，體積大，有效材料消耗多。

3.2 有源電力濾波器

與PPF相比，有源電力濾波器（Active Power Filter，簡稱 APF）[6,7]具有明顯的優(yōu)越性能，具體表現(xiàn)在：

（1）不僅能補償各次諧波，還可同時補償無功功率、抑制閃變、調(diào)節(jié)和平衡三相不平衡電壓等；

（2）濾波特性不受系統(tǒng)阻抗和頻率的影響，可消除與電網(wǎng)阻抗發(fā)生串、并聯(lián)諧振的危險，且對外電路的諧振具有阻尼作用

（3）具有自適應(yīng)能力，能對變化的諧波進(jìn)行迅速的動態(tài)跟蹤補償；

（4）不存在過載問題，當(dāng)負(fù)載諧波電流較大時，控制電路易實現(xiàn)限流保護(hù)以提高系統(tǒng)的安全性。

由于上述優(yōu)點，APF作為綜合治理電網(wǎng)污染、提高電網(wǎng)穩(wěn)定性和改善電能質(zhì)量的一項關(guān)鍵技術(shù)得到廣泛的關(guān)注，成為研究的熱點。對APF的研究主要分為以下幾個方面：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，諧波檢測方法，直流電壓控制，電流跟蹤控制，PWM 調(diào)制方法，將在本文依次進(jìn)行綜述介紹。

3.2.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

目前投入使用的APF種類繁多，其分類方法也多種多樣[8,9]。根據(jù)應(yīng)用場合的不同，APF可分為有源直流濾波器和有源交流濾波器兩大類。前者主要用來消除高壓直流系統(tǒng)中換流器直流側(cè)的電壓，后者則應(yīng)用于交流電力系統(tǒng)；根據(jù)APF的逆變電路儲能元件的不同，分為電流型和電壓型兩種，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。電壓型濾波裝置（圖 1（a））效率高、初期投資小，可任意并聯(lián)擴容，易于單機小型化，經(jīng)濟，適用于電網(wǎng)級諧波補償。目前實用裝置90%以上為電壓型，技術(shù)相對成熟、完善。電流型濾波裝置（圖 1（b））作為非正弦電流源來滿足非線性負(fù)載的諧波電流要求，其結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，但損耗較大，不適用于大容量系統(tǒng)。

圖1 有源電力濾波器逆變電路結(jié)構(gòu)圖

比較具有應(yīng)用價值的分類方法是通過 APF與電網(wǎng)的連接方式來進(jìn)行，則APF可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型。并聯(lián) APF并聯(lián)接入電網(wǎng)，如圖 2(a)所示，其主要功能是消除負(fù)載引起的諧波電流，也可以補償無功和平衡三相電流。并聯(lián)型APF的優(yōu)點是它只流過補償電流和小部分基波有功電流，方便多臺并聯(lián)使用，可以適用于多種容量場合的應(yīng)用。串聯(lián)型APF，如圖2(b)所示，通過向電網(wǎng)中加上或從電網(wǎng)電壓減去一個瞬時電壓，使負(fù)載側(cè)電壓維持一個純正弦波。與并聯(lián) APF相比，其主要缺點是流過很高的負(fù)載電流，使得變壓器的額定參數(shù)上升，體積變大。它的主要優(yōu)點是能補償電網(wǎng)諧波電壓和三相不平衡電壓，對電壓敏感性負(fù)載尤為適用。目前，實際應(yīng)用裝置中并聯(lián)型APF占了大多數(shù)。

雖然 APF能實現(xiàn)大容量和低損耗以及多功能，但由于受開關(guān)器件的限制，容量的增大往往有限，而且造價隨之增大，性價比大大降低。而PPF具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉等特點，人們便提出各種由APF和PPF相結(jié)合的混合型APF來減小APF的容量，提高裝置的經(jīng)濟性。

PPF和小容量串聯(lián)型APF混合使用，如圖2(c)所示。PPF仍起主要的濾波和無功補償作用，APF主要用來增大電源和PPF間串聯(lián)和并聯(lián)諧振的阻尼，改善PPF濾波特性。另外，APF還能抑制因電源電壓中可能存在的諧波電壓而產(chǎn)生流向PPF的諧波電流。該電路對APF的容量要求不高，不超過負(fù)載容量的 1.6%，總損耗約為負(fù)載容量的0.2%。但由于APF串聯(lián)于電路中，當(dāng)負(fù)載過載時APF也將過載；很難把APF與電網(wǎng)隔離開，易發(fā)生短路。APF一旦發(fā)生故障也將危及電網(wǎng)；對電網(wǎng)電壓的閃變沒有作用。

并聯(lián) APF和 PPF混合并聯(lián)使用，如圖 2(d)所示。APF只消除少部分諧波，而PPF則消除大部分諧波，這樣就可以在增加很少的功率開關(guān)費用的條件下，對大功率系統(tǒng)進(jìn)行補償。其主要缺點是PPF與APF之間會存在環(huán)流電路，影響諧波補償效果。

并聯(lián)型APF也可以與PPF混合串聯(lián)使用，如圖2(e)所示，通常將其稱為并聯(lián)混合APF。此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，APF主要不是用來直接補償諧波和無功功率，而是用來抑制PPF與電網(wǎng)阻抗之間的并聯(lián)諧振，即所謂的諧波放大(與電網(wǎng)諧振)現(xiàn)象，以改善PPF的諧波補償特性，其中逆變器因不承受基波電壓而使其容量大大減小。同時APF通過的電流為PPF流過的基波無功和諧波電流，不存在過電流的危險；APF發(fā)生的故障也不會危及電網(wǎng)。目前，此類混合APF應(yīng)用比較廣泛，性能價格比比較好。

另外，為了充分發(fā)揮并聯(lián) APF和串聯(lián) APF優(yōu)點，可以將二者組合起來使用，這就是統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC)，如圖2(f)所示。串聯(lián)APF通過變壓器接入主電路中，具有諧波隔離、電壓調(diào)節(jié)以及電壓閃變和不平衡的補償?shù)茸饔?；并?lián)APF直接與主電路相連，起諧波和負(fù)序電流消除、無功電流補償和直流母線電壓調(diào)節(jié)作用。兩個APF都采用電壓型逆變器結(jié)構(gòu)，共用直流電容器，損耗低，效率高；整個裝置可以消除非線性負(fù)載引起的電源電壓諧波畸變，調(diào)節(jié)負(fù)載端電壓，消除負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流。但是因為串并聯(lián)兩個逆變器的開關(guān)模式互相依賴，因此控制起來比較復(fù)雜，而且裝置成本較高。

為了進(jìn)一步降低APF承受的基波電壓，降低APF的容量，可以考慮采用LC串聯(lián)或并聯(lián)諧振電路作為注入電路，如圖 2(h)和2(g)所示。串聯(lián)諧振注入式APF中，LC電路在基波頻率處發(fā)生串聯(lián)諧振，阻抗近似為零，迫使無功電流流入LC電路，逆變器基本不承受基波電壓及基波無功電流，所以此類型混合APF比較適用于無功補償量大的場合；而對于諧波而言，LC電路阻抗很大，相當(dāng)于開路，APF產(chǎn)生的補償電流都注入電網(wǎng)，不會進(jìn)入LC電路。并聯(lián)諧振注入式APF的LC電路在基波頻率處發(fā)生并聯(lián)諧振，阻抗很大，基波電壓絕大部分降落在 LC電路上，對于諧波成分，LC電路阻抗極小，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于支路中的另一個電感的諧波阻抗，保證APF產(chǎn)生的諧波電流順利注入電網(wǎng)，達(dá)到補償諧波電流的目的。

綜上所述，APF及其派生的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)種類非常多，功能側(cè)重點不同，但是目前混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較實用，而且其中的并聯(lián)混合APF應(yīng)用最為廣泛，如圖2（e）所示，實際應(yīng)用中，其無源部分一般由一個單調(diào)諧PPF或者若干個單調(diào)諧加一個高通PPF組構(gòu)成。

圖2 各種派生的電力有源濾波器電路結(jié)構(gòu)圖

3.2.2有源電力濾波器的控制策略

控制策略是有源電力濾波技術(shù)的核心問題，對有源濾波器的控制包括對直流側(cè)電容電壓的控制和對有源濾波器輸出電流的跟蹤控制。一般說來，可以分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩大類。由于開環(huán)控制方法實現(xiàn)簡單，在APF的發(fā)展初期多采用這種策略，但是這類系統(tǒng)補償性能一般。目前應(yīng)用中的APF基本上都采用第二類控制方法。閉環(huán)控制策略檢測需要控制的目標(biāo)量與參考值進(jìn)行比較，形成反饋回路，它的補償效果遠(yuǎn)好于開環(huán)控制。有源電力濾波器的閉環(huán)控制策略中最常用的是PI控制，另外還有變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制、單周控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等現(xiàn)代新型控制方法，但是由于隨著控制器性能的提高，其復(fù)雜性也相應(yīng)提高，所以其實用性還有待于進(jìn)一步提高。

4 結(jié)論

現(xiàn)今，電力電子技術(shù)的發(fā)展掀開了科技史上的新篇章，也帶來很多需要不斷解決的問題。比較典型的就是引起電力系統(tǒng)中的諧波污染問題，必須再利用電力電子技術(shù)對其進(jìn)行有效的治理。

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