郭瑞宙，李衛(wèi)國，劉瑤

(華北電力大學(xué)高電壓與電磁兼容北京市重點實驗室，北京 102206)

1 引言

隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)中的非線性負荷大量增加，使電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題正變得越來越嚴峻。與此同時，生產(chǎn)過程的自動化和智能化以及各種復(fù)雜的精密設(shè)備，對電能質(zhì)量也提出了更高的要求。如何抑制電網(wǎng)諧波，改善電能質(zhì)量成為近年來研究的熱點。為了抑制電網(wǎng)中的諧波，人們開始利用各種濾波器對諧波進行抑制，以保證設(shè)備乃至整個電網(wǎng)的正常工作。有源電力濾波器是一種能夠動態(tài)抑制諧波和補償無功的新型電力電子裝置。它具有響應(yīng)速度快、能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)連續(xù)實時補償?shù)奶攸c，因此廣受關(guān)注，并出現(xiàn)了眾多的電路拓撲結(jié)構(gòu)和控制方案。而無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、運行可靠性較高、運行費用較低等優(yōu)點，至今仍是應(yīng)用廣泛的被動諧波治理方法。

2 有源電力濾波器

2.1 有源電力濾波器

傳統(tǒng)應(yīng)用的諧波補償裝置是無源濾波器，但無源濾波器存在體積龐大，濾波效果差等缺點。電力電子元件組成的有源電力濾波器最近得到了快速發(fā)展。電力有源濾波器(APF)是一種用子動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置［1］。采用諧波和無功快速實時測量，能對變化的諧波進行迅速的動態(tài)跟蹤補償，利用電力電子技術(shù)進行波形的實時補償，可以克服無源濾波器受系統(tǒng)阻抗影響的缺點，更有效地治理諧波污染，但電力有源濾波器(APF)目前仍存在實現(xiàn)復(fù)雜、成本較高、單臺補償容量低、不易消除高次諧波、在實現(xiàn)上仍需LC濾波器的輔助等問題。

促使有源濾波器得以迅速發(fā)展主要因素有兩個:一是大功率可關(guān)斷器件的研制和應(yīng)用，如大功率門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和場控晶閘管(MCT)等器件的逐步應(yīng)用，使逆變器產(chǎn)生大功率電流電壓成為可能;二是瞬時無功功率理論為三相系統(tǒng)畸變電流的實時檢測提供了理論依據(jù)。

電力有源濾波器(APF)的主電路原理圖如圖1所示，它的基本工作原理是檢測補償對象的電流和電壓，經(jīng)諧波和無功電流檢測電路計算得出補償電流的指令信號，該信號經(jīng)補償電流發(fā)生電路放大，得出補償電流，補償電流與負載電流中要補償?shù)闹C波及無功等電流相抵消，最終得到期望的電源電流。

圖1 有源電力濾波器原理圖

2.2 有源電力濾波器的拓撲結(jié)構(gòu)

電力有源濾波器［2］(APF)可分為電壓型和電流型。從與補償對象的連接方式來看，電力有源濾波器(APF)又可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型，以并聯(lián)型占實用裝置的大多數(shù)。

2.2.1 并聯(lián)型有源電力濾波器

并聯(lián)型APF(如圖2)相當(dāng)于一個諧波電流發(fā)生器，它跟蹤諧波源電流中的諧波分量，產(chǎn)生與之相反的諧波電流，從而抵消諧波源產(chǎn)生的諧波電流。通過不同的控制作用，可以對諧波、無功、不平衡分量等進行補償。幾個有源濾波器還可以并聯(lián)起來使用，來補償大容量的諧波電流。但因電源電壓直接加在逆變器上，對開關(guān)器件電壓等級要求高;負載諧波電流含量高時，有源濾波裝置的容量也必須很大，投資也大。故它只適合于電流型諧波源的治理。

2.2.2 串聯(lián)型有源電力濾波器

圖2 并聯(lián)單獨有源電力濾波器

串聯(lián)型APF通過變壓器串聯(lián)于輸電線路中(如圖3)，是另一種基本的APF形式，它相當(dāng)于一個電壓控制電壓源，跟蹤諧波源電壓中的諧波分量，產(chǎn)生與之相反的諧波電壓，從而隔離諧波電壓。有源裝置容量小，運行效率高，對電壓型諧波源有較好補償特性。故串聯(lián)型APF既可用于改善系統(tǒng)的供電電壓，為負載提供基波正弦供電電壓;又可用于治理電壓型諧波負載。但串聯(lián)型APF存在絕緣強度高，難以適應(yīng)線路故障條件以及不能進行無功功率動態(tài)補償?shù)热秉c，且負載的基波電流全都流過連接用的變壓器，其工程實用性受到限制。負載諧波含量較大時串聯(lián)型APF裝置容量很大，初投資大。

圖3 串聯(lián)單獨使用的有源電力濾波器

2.2.3 有源電力濾波器與無源濾波器的組合拓撲

單獨使用的并聯(lián)型和串聯(lián)型APF由于存在有源裝置容量較大、開關(guān)器件的等級較高、初投資大、效率低的缺點;因此，在研究APF多功能化的同時，人們也致力于使有源裝置容量降低的混合補償方案研究?；旌闲陀性礊V波器HAPF可分為兩類，一是與無源濾波器PF的混合，目的是降低成本，充分發(fā)揮APF和PF的優(yōu)勢;二是與其他變流器的混合，目的是完善HAPF的功能，一般其中一個主要負責(zé)補償無功，而另一個主要負責(zé)治理諧波。一般有并聯(lián)型APF和并聯(lián)PF相結(jié)合的混合型有源電力濾波器和串聯(lián)型APF和并聯(lián)型PF相結(jié)合的混合型濾波器。

3 無源濾波器

現(xiàn)在雖然提出了有源濾波等新興的技術(shù)來抑制諧波，但由于其容量較小，成本較高，因此實際工程應(yīng)用中大多數(shù)仍然采用技術(shù)較為成熟的無源濾波器，相對來說價格便宜，容易實現(xiàn)。常用的無源濾波器［3］有單調(diào)諧、二階高通和C型高通三種［4］。

單調(diào)諧濾波器的結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，包括電容器C、電抗器L、電阻R。其對n次諧波的阻抗為:

式中:ω為基波角頻率。工作原理:單調(diào)諧濾波器是利用串聯(lián)L、C諧振原理構(gòu)成的，諧振次數(shù)n為:

圖4 單調(diào)諧濾波器、二階高通濾波器、C型高通濾波器的結(jié)構(gòu)

在諧振點處，Z=R，因R很小，n次諧波電流主要由R分流，很少流入電網(wǎng)中，對于其他次數(shù)的諧波，Z遠遠大于R，諧波分流很少。因此，只要將濾波器的諧振次數(shù)設(shè)定為與需要濾除的諧波次數(shù)一樣，則該次諧波將流入無源濾波器，從而起到濾除該次諧波的目的。

二階高通濾波器(如圖4(b))的一個重要參數(shù)是截止頻率f，高通濾波器之所以稱為高通就是因為在頻率大于截止頻率以后其呈現(xiàn)低阻抗，對截止頻率以后的諧波有濾波作用;當(dāng)頻率低于f時，濾波器阻抗明顯增加，使低次諧波電流難以通過。截止頻率的計算式為:

C型高通濾波器(如圖4(c))也是在截止頻率f之后表現(xiàn)出較低的阻抗，對高次諧波濾波。為了降低濾波器的損耗，它采用了電容器C和電抗器L在工頻發(fā)生串聯(lián)諧振，則C型高通濾波器的基波損耗理論上可以為0。

一般無源濾波器除了濾除諧波的作用外，還要補償基波無功功率。設(shè)負荷的容量為SMVA，補償前的功率因數(shù)角為α，補償后的功率因數(shù)角為β，則需要補償?shù)目偀o功功率為:

當(dāng)濾波器由多個濾波器組成時，要將需要補償?shù)目偀o功功率分配到各個濾波器作為各個濾波器要補償?shù)臒o功功率。單調(diào)諧濾波器之間進行功率分配時為了使各個單調(diào)諧濾波器的電容器承受諧波電壓基本一致，其分配的功率與其諧振次數(shù)的諧波電流和諧振次數(shù)的比值成正比。而高通濾波器則可能要濾除幾次諧波電流單調(diào)諧分配公式。

4 諧波檢測的方法

諧波抑制的基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產(chǎn)生出一個與該諧波電流大小相等，極性相反的補償電流。補償特性取決于由負載電流中提取諧波電流的算法。因此，有源濾波器控制的關(guān)鍵問題之一就是找到一種算法，該算法可以精確的從負荷電流中提取欲補償?shù)闹C波電流分量的幅值和相位，從而為控制提供參考。諧波檢測的算法很多，其中在有源濾波器中應(yīng)用最廣的是“基于瞬時無功理論”的瞬時空間矢量法。應(yīng)用這種方法檢測諧波除低通濾波消除直流分量外，其他是瞬時計算，響應(yīng)速度很快。一般來說，諧波的檢測方法有p－q檢測方法、ip－iq檢測方法、d－q檢測方法。這里主要介紹p－q檢測方法和d－q檢測方法。

4.1 p－q檢測方法

p－q檢測框圖如圖5所示。

圖5 p－q檢測方法原理圖

此法根據(jù)定義算出p、q，經(jīng)過低通濾波器(LPF)得到p、q的直流分量ˉ。市電電壓波形無畸變時為基波有功電流與電壓的作用產(chǎn)生為基波無功電流與電壓的作用產(chǎn)生。于是，由ˉˉ即可檢測出電流ia、ib、ic的基波分量 iaf、ibf、icf。

將 iaf、ibf、icf與 ia、ib、ic相減得到 ia、ib、ic的諧波分量 iah、ibh、ich。

對于三相三線制電路，只要市電電壓波形發(fā)生畸變，不論三相電壓、電流是否對稱，p－q法檢測的結(jié)果都有誤差，只是誤差情況有所不同。

4.2 d－q檢測方法

d－q法是目前諧波實時計算的主要方法，此方法的特點是不僅簡化了對稱無畸下的電流增量檢測，而且也適用于不對稱有畸變的市電電壓檢測，其原理如下:

瞬時三相電流或電壓通過如下的變換，變換到d－q坐標上。

式中:

d－q檢測法的原理如圖6所示。

圖6 d－q檢測方法原理圖

圖5中ia、ib、ic為三相輸入電流，iaf、ibf、icf為計算基波輸出電流，它們之差即為三相諧波電流 iah、ibh、ich。d－q變換是將靜止坐標系中的相量變換到以基波角速度旋轉(zhuǎn)的坐標系中，變換后的信號與原信號頻率相差一個基波頻率，即50Hz。如果信號為典型的三相特征諧波1st(基波)、5th、7th等，則分別對應(yīng)于dq坐標系中的直流、4th、6th等。低通濾波器濾除所有交流諧波后，其直流成分通過d－q反變換即可得到基波電流。

5 結(jié)束語

為了更好地解決輸電網(wǎng)絡(luò)中的諧波問題，既需要合理地組合使用有源電力濾波器和無源濾波器，也需要繼續(xù)去改善一些諧波抑制、濾波的算法，以保證電能質(zhì)量以及精密設(shè)備的安全正常運行。

［1］張院春.談電力系統(tǒng)的諧波及其抑制措施［J］.安徽電氣工程技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2006，11(1):33－35.

［2］王躍球，唐杰.有源電力濾波器拓撲結(jié)構(gòu)比較研究［J］.船電技術(shù)，2006，4:35－38.

［3］袁川，阮廣，賈玲.無源濾波器設(shè)計及其在諧波治理中的作用［J］.四川電力技術(shù)，2005，1.

［4］張喜驗，童陸園，耿俊成，等.無源濾波器在抑制電網(wǎng)諧波中的應(yīng)用［J］.山東科學(xué)，2006，19(5):62－65.