【文章內(nèi)容簡介】 PWM 控制信號波形 APF 的前景 [13] [21] [22][23][24] 有源濾波器作為改善電能質(zhì)量的一項關(guān)鍵技術(shù)，在日本、美國、德國等工業(yè)發(fā)達國家已得到了高度重視和日益廣泛的應(yīng)用。目前，世界上 APF 的 主要生產(chǎn)廠家有日本三菱電機公司、美國西屋電氣公司、德國西門子公司等。自 1981 年以來，僅在日本，已有 500 多臺 APF 投入運行，容量范圍由 50kVA 到 60MVA。從近年來的研究和應(yīng)用中可以看出 APF 具有如下的發(fā)展趨勢： 1 通過采用 PWM 調(diào)制可提高開關(guān)器件等效開關(guān)頻率的多重化技術(shù)，實現(xiàn)對高次諧波的有效補償。當 APF 的容量小于 2MVA 時，通常采用 IGBT 及 PWM 技術(shù)進行諧波補償。當容量大于 5MVA 時，通常采用 GTO 及多重化技術(shù)進行諧波補償； 2 當前大功率濾波裝置從經(jīng)濟上考慮，可以采用 APF 與 LC 無源濾波器并聯(lián)使用的混合型有源濾波系統(tǒng)，以減小 APF 的容量，達到降低成本、提高效率的目的。其中 LC 濾波器用來消除高次諧波， APF 用來補償?shù)痛沃C波分量； 3 從長遠角度看，隨著大量換流器用于變頻調(diào)速系統(tǒng)，其價格必然下降；同時，隨著半導體器件制造水平的迅速發(fā)展，尤其是 IGBT 的廣泛應(yīng)用，混合型有源濾波系統(tǒng)低成本的優(yōu)勢將逐漸消失，而串一并聯(lián) APF 由于其功能強大、性價比高，將是一種很有發(fā)展前途的有源濾波裝置； 4 可通過單節(jié)點單裝置的裝設(shè)達到多節(jié)點諧波電壓綜合治理的 APLC 的出現(xiàn)，表明電力系統(tǒng)諧波治理正朝著動態(tài)、智能、經(jīng)濟效益好 的方向發(fā)展。 5 器件容量的增大和開關(guān)頻率的提高。為實現(xiàn)電流的快速控制和提高補償效果，開關(guān)頻率是關(guān)鍵。此外，應(yīng)用多重化技術(shù)也能提高器件的等效開關(guān)頻率。從經(jīng)濟的角度考慮，應(yīng)使用高容量、大功率的器件，但這與使用高頻率產(chǎn)生矛盾。因為大容量受到頻率的限制，如何從兩者中找到一個折中，獲得最佳效果，是值得研究的問題； 6 降低裝置的價格并使其多功能化。 APF 能消除高次諧波還能提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，抑制閃變和補償無功，一機多用最為經(jīng)濟，也符合電力系統(tǒng)發(fā)展的需要。然而有源濾波器造價較高，與 LC 濾波器是不可比擬的。如何提高裝置 的性價比是電力電子器件制造技術(shù)面臨的問題； 7 降低損耗提高系統(tǒng)可靠性。這方面主要工作包括：采用合理的開關(guān)頻率；選擇適當?shù)奈栈芈芬蕴岣哐b置的使用效率；采用過流、過壓保護技術(shù)及故障診斷技術(shù)，使系統(tǒng)可靠工作； 8 APF 技術(shù)至今未在各國普遍使用的一個重要原因是補償電流的精度檢測等問題始終沒有很好解決。中國在研制 APF 時應(yīng)著力采用新理論和新方法，結(jié)合中國國情采用小額定值的 APF 配以無源濾波器的混合型電力濾波的方式是可行的。隨著電力有源技術(shù)的發(fā)展。 本文的主要工作 本文主要工作的內(nèi)容主要包括下面幾個方面： 1 介紹了電力有源濾波器的主要拓撲結(jié)構(gòu)、分析了其濾波原理； 2 對幾種諧波檢測方法進行概述，詳細分析了基于瞬時無功功率和無功電的實時檢測諧波電流檢測法； 3）對并聯(lián)電力有源濾波器的控制策略進行了概述，詳細分析了基于電壓空間矢量的滯環(huán)電流控制方式； 4）最后詳細分析了并聯(lián)電力有源濾波器直流側(cè)電壓控制策略； 5 給出仿真分析。 2 并聯(lián)有源濾波器結(jié)構(gòu) 單獨使用的并聯(lián)濾波器結(jié)構(gòu)簡單，但是，由于變流器直接和電網(wǎng)相連，電網(wǎng)電壓直接加在了變流器端， APF 就需要較大的容量。由于電力電子器件額定電壓和電流的限制，以及大容量 電容涉及成本高的問題，就限制了此種情況下 APF的使用只能是需要補償容量不大的場合。如：小用戶端。 、無源混合型 APF 目前工程上應(yīng)用最多的還是無源 LC 濾波器，它結(jié)構(gòu)簡單，投資少，可靠性高，運行費用也比較低。它濾除諧波的原理實質(zhì)上是為電路中的諧波提供一條低阻抗路徑，即保留基波而使諧波短路，使諧波可通過濾波器不注入系統(tǒng)。無源濾波器 Passive Power Filter,簡稱 PPF ，通常是采用電力電容器、電抗器和電阻按功能要求組合而成，最簡單的是單調(diào)諧 LC 濾波器。要濾除若干個特征次諧波，就用若干個單調(diào)諧濾波 器并聯(lián)接到電網(wǎng)上。無源濾波器還可以設(shè)計成雙調(diào)諧的，它同時可以濾除兩種頻率的諧波；也可以做成多階的，但電路復(fù)雜，應(yīng)用較少。另外， PPF 還可以設(shè)計成高通濾波器，以濾除某一次以上的諧波。無源濾波器由于其結(jié)構(gòu)簡單、成本低，在吸收諧波的基礎(chǔ)上還可以補償無功，改善功率因數(shù)；同時無源濾波器又具有維護方便，以及有較成熟的技術(shù)、設(shè)計和制造經(jīng)驗，因此無源濾波方案是目前采用得最為廣泛的諧波抑制和補償無功的主要手段。 但 PPF 就存在以下缺點： 1 濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)與運行工況影響比較大，設(shè)計起來較困難，諧振頻率依賴元件參數(shù)； 2 電網(wǎng)的參數(shù)與 LC 可能產(chǎn)生并聯(lián)諧振使該次諧波分量放大，使電網(wǎng)供電質(zhì)量下降； 3 濾波要求和無功補償、調(diào)壓要求有時難以協(xié)調(diào)。 而 APF和 PF混合使用卻能在充分利用 PF結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點的基礎(chǔ)上，最大發(fā)揮 APF 的性能。 并聯(lián)型有源濾波器與 LC 濾波器混合使用的方式有兩種：一種是 APF 和 LC的串聯(lián)；一種是 APF 和 LC 的并聯(lián)，并聯(lián)結(jié)構(gòu)如下圖 。 在混合結(jié)構(gòu)中， LC 濾波器承擔了大部分的諧波補償， APF 的作用是對 LC 濾波器補償?shù)膬?yōu)化和補充，在這種情況下， LC 濾波器將不再受電網(wǎng)參數(shù)變化的影響而降低，如果采用串聯(lián)諧振來 分壓，則可以使 APF 的主電路不承擔基波電壓，從而大大降低了 APF 的容量。 圖 APF 與 PF 并聯(lián)使用結(jié)構(gòu) 無源和有源的串聯(lián)注入式拓撲結(jié)構(gòu) 論文仍然采用混合型濾波器結(jié)構(gòu)。達到的目的 : 1 降低 APF 容量； 2 抑制電網(wǎng)和 LC 濾波器可能的諧振； 3 APF 主電路不承受基波電壓。 基于以上目的論文采用如下結(jié)構(gòu)，如圖 所示： 圖 并聯(lián) APF 混合結(jié)構(gòu) 上圖中，諧波和無功功率主要由 LC 濾波器補償，而有源電力濾波器的作用是改善 LC 濾波器的濾波性能，克服 LC 濾波器易受電網(wǎng)阻抗的影響、易與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振等缺點 。這種方式下，有源電力濾波器不承受交流電源的基波電壓，因此裝置容量小。 另外，諸如注入式方式， APF 也不需要承受基波電壓，從而也有效的降低了有源濾波器的容量，但注入回路中并聯(lián)的基波串聯(lián) 或并聯(lián) 諧振支路在降低 APF承受基波電壓的同時，也使補償電流中的基波分量 包括有功、無功部分 分流，從而間接的增大了補償?shù)挠泄ǚ至?。而文中采用的拓撲結(jié)構(gòu)避免了上述缺陷。 并聯(lián)濾波器主電路的工作原理 把逆變電路中的 SPWM 控制技術(shù)用于整流電路，就形成了 PWM 控制整流電路，通過對 PWM 整流電路的適當控制，就可以達到對交流側(cè) 輸入電壓及其相位的控制，亦可以通過間接方法達到控制交流側(cè)輸出電流的目的，而本文正是通過對電壓控制而間接控制電流，這將在控制方法中介紹。 圖 變流器主電路 三相橋式整流電路可以工作于逆變和整流兩種工作狀態(tài)，當在整流狀態(tài)時屬于升壓型整流電路，其輸出的直流電壓理論上可以高出交流側(cè)峰值電壓的許多倍，通過適當?shù)目刂凭湍茉诮涣鱾?cè)得到期望的電壓電流波形。 并聯(lián)有源濾波器主電路的數(shù)學模型 主電路圖 23 三相電壓源整流器的數(shù)學模型是根據(jù)它的拓撲結(jié)構(gòu)在三相靜止坐標系 a， b， c 中、利用電路基本定律對三相電壓源整流 電路的一種數(shù)學描述。進行數(shù)學描述時，通常進行以下假設(shè)： 1 電網(wǎng)電壓為三相穩(wěn)定的正弦波電壓 ， ； 2 網(wǎng)側(cè)電感是線性的、不考慮飽和。 根據(jù)三相電壓源整流器的特性分析需要，其數(shù)學模型一般有兩種： 1 采用開關(guān)函數(shù)描述的一般數(shù)學模型； 2 采用占空比描述的一般數(shù)學模型。 開關(guān)函數(shù)描述的數(shù)學模型 采用開關(guān)函數(shù)描述的數(shù)學模型方便對電壓源整流器 voltage source rectifor,for short： VSR 開關(guān)過程的精確描述，較適用于 VSR 的波形仿真，常用于校正控制系統(tǒng)設(shè)計的惡性能指標。 現(xiàn)以圖 23 所示的拓撲結(jié)構(gòu)建立用開關(guān)函數(shù)描述的 VSR 數(shù)學模型。 當時， VSR 可運行于逆變狀態(tài)也可運行于整流狀態(tài)。為方便分析，先對主電路的開關(guān)邏輯進行定義： 忽略功率器件的損耗，根據(jù)基爾霍夫電壓定律建立三相 VSR 的三相回路方程為： 現(xiàn)確定 ,和的關(guān)系：我們知道，在任何情況下，總有三個功率開關(guān)器件導通，即相對于三個橋臂的上下橋臂必用一個導通，不乏廣泛性，現(xiàn)在取一組開關(guān)組合狀態(tài)，且假定三相的電流方向： ,相電流從 ,點流出 相對變流橋 ，相電流點流進。那么， ,點同電位且和直流側(cè)電容的正極 上端 同電位，而點與直流側(cè)電容的負極 下端 同電位。此狀態(tài)簡化后的電路如圖 ： 圖 變流器簡化運算電路圖 根據(jù)圖 ，可以得到如下方程： 上式中的 ,以點位參考點。 由于是三相對稱系統(tǒng)，則： 式 24 和式 25 聯(lián)立可得： 由式 23 和式 26 可得： 以上假設(shè)各種開關(guān)運行狀態(tài)中的一種，但無論那種運行狀態(tài)，在以簡化電路的表示形式中必有兩相電壓相同，且相同相的電壓的絕對值必為，而另一相的電壓的絕對值為。觀察主電路圖 的運行狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)，若不考慮交流側(cè)電流流出時的電壓極性，在圖 所示電流流向時，開關(guān)狀態(tài)共有兩種，換句 話說，對應(yīng)每種電流流向就會有相對應(yīng)的兩種開關(guān)組合。而此時的電壓可以用相應(yīng)的開關(guān)組合函數(shù)來表示為 如相 ： 如圖 對應(yīng)兩種開關(guān)組合、恰和、對應(yīng)，那么，對于 ,相： 另外，對直流側(cè)電容正極節(jié)點處應(yīng)用基爾霍夫電流定律，得： 把以上式 28， 29， 210 式代入式 22 式整理得： 采用占空比描述的 VSR 數(shù)學模型 為簡化 VSR 的數(shù)學模型，可忽略開關(guān)函數(shù)中的高頻分量，只考慮低頻分量，從而獲得采用占空比描述的低頻數(shù)學模型。 為消除開關(guān)函數(shù)描述的 VSR 一般數(shù)學模型中的高頻分量，在開關(guān)函數(shù)模型中引入傅里葉變換： 當開關(guān)頻率遠高于電網(wǎng)頻率時，可用規(guī)則采樣法代替自然采樣法 自然采樣法中 PWM 波形不對稱 ，此時在一個開關(guān)周期內(nèi)， PWM 開關(guān)函數(shù)波形圖 所示，波形是對稱的。 圖 PWM 及開關(guān)函數(shù)波形 在圖 中，其中，為 PWM 開關(guān)頻率，為對應(yīng)的相的 PWM 占空比，且。 開關(guān)函數(shù)及占空比間的關(guān)系為： 根據(jù)上式求得傅里葉系數(shù)整理得： 式 27 和 214 215 關(guān)系表明： PWM 占空比實際上是一個開關(guān)周期上開關(guān)函數(shù)的平均值 顯然： 把式 216 、式 218 代入 式中為高頻分量，在設(shè)計中可以忽略。 并聯(lián)濾波器濾波原理分析 有源濾波裝置是一個高阻抗電流源，它的接入對系統(tǒng)阻抗不會產(chǎn)生影響，同時又能抑制電網(wǎng)和無源濾波部分產(chǎn)生諧振。并聯(lián) APF 在系統(tǒng)中相當于一個電流受控電流源，受負載諧波電流的控制。其原理可以用以下的原理電路來解釋： 受控電流源變換支路阻抗 如下圖 所示，在原支路上并聯(lián)一個受控電流源，由于有源單元的加入，其支路等效阻抗為： 上式可以看出支路阻抗由原來的增大為。 圖 變阻抗原理 阻抗變換應(yīng)用于 APF 的濾波原理 圖 的單相等效電路如圖 所示，不考慮電壓源諧波的影響，負載可看作一個諧波電流源，同時 APF 可以看作一個受負載諧波源，控制的受控電流源。 根據(jù)基爾霍夫電流定律和電壓定理： 圖 APF 的簡化運算圖 消去： 而當沒有接入 APF 時的 : 比較上式 221 、式 222 、式 221 的等效電路可以由式 222 通過變換得到，如下圖 ： 圖 阻諧波原理圖 通過以上分析可知：這種控制策略實質(zhì)上等效通過控制有源電力濾波器改善無源濾波器的諧波阻抗特性的同時，又增大了電網(wǎng)諧波阻抗，從而可極大提高濾波效果，抑制了電網(wǎng)和 LC 無源濾波器可能產(chǎn)生的諧振。 小結(jié) 介紹 了有源濾波器的功能特點，詳細敘述了電力有源濾波器的數(shù)學模型，介紹分析電力有源濾波器和 PF 的混合結(jié)構(gòu)，從而選擇了一種滿足設(shè)計目的的拓撲結(jié)構(gòu)，并對其特點進行了分析。最后在簡化電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上分析了電力有源濾波器濾波原理。 3 并聯(lián)有源濾波器諧波算法及直流側(cè)電壓控制策略 有源電力濾波器系統(tǒng)由兩大部分組成 ,即指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路 由電流跟蹤控制電路 ,驅(qū)動電路和主電路三部分構(gòu)成 如圖 所示 。其中 ,指令電流運算電路的核心是檢測出補償對象電流中的諧波和無功等電流分量 ,因此有時也稱為諧波和無功電流檢測 電路。補償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號 ,產(chǎn)生實際的補償電流 ,補償電流與負載電流中要補償?shù)闹C波及無功等電流抵消 ,最終得到期望的電源電流。主電路目前均采用 PWM 變流器。 圖 并聯(lián)有源濾波器的基本拓撲結(jié)構(gòu) 諧波電流檢測法 諧波檢測的方法 [30] 諧波檢測的方法較多。如快速傅里葉變換 FFT 、瞬時無功功率理論與廣義旋轉(zhuǎn)坐標變換、小波變換 WT 、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等． 目前， FFT 技術(shù)已成熟。但也有局限性： 1 需要信號是穩(wěn)態(tài)的； 2 沒有反映隨時間變化的頻率，當需要在任 意頻率范圍產(chǎn)生頻譜信息時， FFT不一定適用； 3 FFT 需要一定時間的采樣值，計算量大，計算時間長，致使檢測時問長，實時性差； 4 即使信號是穩(wěn)態(tài)的，當信