【正文】 從單純的補償電氣設(shè)備的諧波向提高電網(wǎng)電能質(zhì)量的方向發(fā)展。研究有源電力濾波器主要在電力電子新器件的選用和控制策略上的進行改進。電壓型有源濾波器的變流器直流側(cè)所采用的貯能元件為電容，它在正常工作時保持電壓恒定，其優(yōu)點是線路損耗較小、經(jīng)濟實用、效率高，可以用于對電網(wǎng)的諧波進行抑制。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，采用電容作為變流器直流側(cè)貯能元件的電壓型 APF 更具現(xiàn)實意義。 諧波電壓檢測模塊檢測出電網(wǎng)中存在的諧波電壓成分，控制APF 以輸出與諧波電壓大小相同、 方向相反的補償電壓，從而補償系統(tǒng)中存在的諧波電壓。但由于串聯(lián)型 APF 所需的功率和產(chǎn)生的損耗都比較大，所以目前很少被單獨使用。 諧波電流檢測模塊檢測出負載中存在的諧波電流，控制 APF 以輸出與諧波電流大小相同、方向相反的補償電流，以達到對諧波電流進行抑制的目的，并聯(lián)型 APF 也可以同時對負載的無功功率進行補償。并聯(lián)型 APF 也可以分為獨立并聯(lián)型和混合并聯(lián)型兩類， 其拓撲結(jié)構(gòu)如圖 13 所示： （a）獨立并聯(lián)型APF （b）混合并聯(lián)型APF圖13并聯(lián)型APF拓撲結(jié)構(gòu)并聯(lián)型有源電力濾波器作為一種新型的補償諧波和無功的電力電子設(shè)備，己經(jīng)過專家和學(xué)者幾十年的討論、研究和總結(jié)，APF的關(guān)鍵技術(shù)在于它的三個重要組成部分[3]：諧波和無功電流的實時檢測技術(shù)、補償電流跟蹤控制策略和直流側(cè)電容電壓控制技術(shù)。近年有關(guān)檢測技術(shù)發(fā)表了大量的論文[4]，主要有：基于傅里葉分析的時域變換法及基于傅里葉變換改進的方法、瞬時無功功率理論及基于瞬時無功功率理論改進的算法、小波變換、同步檢測法、自適應(yīng)檢測法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、重復(fù)控制等智能控制算法。(2)補償電流跟蹤控制策略通過良好的檢測技術(shù)得到實時準(zhǔn)確的補償電流指令信號后，APF能否產(chǎn)生與諧波和基波無功的幅值等大、相位反向的電流對系統(tǒng)補償，以達到濾波效果，與補償電流對期望電流的跟蹤情況緊密相關(guān)。目前應(yīng)用較多的補償電流跟蹤控制策略主要有[5]：三角波比較方式、滯環(huán)比較器的瞬時值比較方式、周期采樣控制、無差拍控制等。(3)直流側(cè)電容電壓控制技術(shù)電壓型并聯(lián)有源電力濾波器的直流側(cè)采用直流電容作為儲能元件，由于功率器件、電容電感元件的損耗及負載電流變化影響系統(tǒng)對有功能量的需求變化，使電容過壓或欠壓，引起直流側(cè)電容電壓的突變，影響對諧波電流的補償效果，嚴(yán)重時危及濾波器的穩(wěn)定運行，因此確保直流側(cè)電容電壓的恒定是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。而現(xiàn)實情況中，我們只需要對主電路采用適當(dāng)?shù)目刂扑惴?，就能穩(wěn)定直流側(cè)電容電壓，因此，為電容單獨提供電源沒有必要。為得到良好的補償效果，需要選擇適合的積分和比例系數(shù)，這兩個系數(shù)的選擇需在調(diào)試過程中根據(jù)工程經(jīng)驗逐步調(diào)整。以前基本停留在穩(wěn)態(tài)諧波檢測上，目前電力電了設(shè)備受非穩(wěn)態(tài)諧波的影響己不容忽視。隨著DSP的出現(xiàn)，因其運算處理能力優(yōu)勢而成為首選可編程器件。瞬時無功功率、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波變換檢測法等新檢測法將得到廣泛應(yīng)用。采用PWM調(diào)制和多重化技術(shù)來提高開關(guān)器件的效率，降低開關(guān)損耗，實現(xiàn)對高次諧波的有效補償。諧波電流檢測、電流跟蹤控制和主電路脈沖信號的產(chǎn)生等是有源電力濾波器補償性能的重要因素。增加補償裝置的容量。(3)降低有源電力濾波器的制造成本。目前，APF裝置的成本較高，可以采用APF與LC無源濾波器相并聯(lián)的裝置，減小APF的容量，從而降低濾波裝置的成本并且提高補償效率。1）諧波電壓國際電工委員會（IEC）制定了 IEC 61000 系列標(biāo)準(zhǔn)文件，其中 IEC 6100022《公用低壓供電系統(tǒng)中低頻傳導(dǎo)干擾和信號的兼容性標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定了中、低壓電網(wǎng)電壓各次諧波允許值。國家標(biāo)準(zhǔn)中，將奇次諧波和偶次諧波分開限定，偶次諧波的限定更嚴(yán)格，基本為奇次限定值的 50%。表1 GB/T145491993公用電網(wǎng)電壓（線電壓）限值電網(wǎng)標(biāo)稱電壓/KV電網(wǎng)總諧波畸變率奇次諧波電壓含有率偶次諧波電壓含有率%%%6%%%10%%%35%%%66%%%110%%%2）諧波電流電壓的畸變是由于諧波電流作用在系統(tǒng)阻抗或線路阻抗上引起的，因此各標(biāo)準(zhǔn)對諧波電流的限定更加詳細。IEEE Std. 5191992 標(biāo)準(zhǔn)在標(biāo)稱電壓 120V VN?69kV 時對諧波電流進行了規(guī)定。表2 注入公共連接點的諧波電流允許值標(biāo)準(zhǔn)電壓/KV基準(zhǔn)短路容量234567891011121310786239622644192116281324標(biāo)準(zhǔn)電壓/KV基準(zhǔn)短路容量141516171819202122232425101112101891689714612 （11）式（11）中，為公共連接點的最小短路容量（MVA），為基準(zhǔn)短路容量（MVA），為表12中的第h次諧波電流允許值（A），為短路容量為時的第h次諧波電流允許值。通過三相三線并聯(lián)型有源電力濾波器的數(shù)學(xué)模型，討論了主電路參數(shù)的設(shè)計方法及確定參數(shù)的大小，包括：功率開關(guān)器件的選取、直流側(cè)電容、直流側(cè)電壓、交流側(cè)電感。通過無差拍控制方法得出的電壓信號經(jīng)SVPWM調(diào)制產(chǎn)生控制主電路開關(guān)器件的通斷的PWM脈沖，產(chǎn)生補償電流。仿真結(jié)果表明采用無差拍與SVPWM相結(jié)合的控制方法能快速的跟蹤補償電力系統(tǒng)中的諧波電流，具有良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。概括的說APF是由：指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路兩大部分構(gòu)成。主電路采用PWM變流器，當(dāng)產(chǎn)生補償電流時，PWM變流器作為逆變器產(chǎn)生正弦電流；當(dāng)電網(wǎng)向APF直流側(cè)電容充電時，作為整流器工作，它既工作于逆變又工作于整流狀態(tài)，因此稱之為變流器。 當(dāng)補償諧波電流時，APF檢測出負載電流中諧波電流為，將其反極性后，作為補償電流指令信號，由補償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的與幅值大小相等、方向相反的實際補償電流，因此，電源電流中只含有基波成分。這樣電源電流與的基波有功分量相。有源濾波器主要包括諧波檢測和無功電流檢測，有源濾波器性能的好壞取決于是否能精確的檢測出需要補償?shù)闹C波分量，并能動態(tài)跟蹤。當(dāng)三相電流不對稱時，需要檢測出除基波正序有功分量之外的諧波電流。因此，電網(wǎng)中的諧波和無功進行檢測、抑制及補償是治理電網(wǎng)中諧波污染的途徑。(1)基于頻域分析的傅立葉變換（FFT）檢測法。通過電網(wǎng)系統(tǒng)中負載電流信號的FFT分析，得到負載電流中各次諧波分量。FFT檢測方法的不足可以概括為，當(dāng)信號不是周期性信號時，用FFT分析就會帶來較大誤差；需要進行FFT變換及反變換兩次變換，計算量大；當(dāng)電網(wǎng)電壓畸變或者頻率波動時，非同步采樣誤差變大，從而產(chǎn)生柵欄效應(yīng)和頻譜泄漏效應(yīng)，降低檢測精度。大多數(shù)情況用50Hz的帶通或帶阻濾波器濾除負載電流中的50Hz基波分量，獲得諧波電流分量。缺點:濾波器可能相移致使輸出信號畸變，出現(xiàn)檢測誤差；元件參數(shù)影響濾波器的中心頻率，很難獲得理想的幅頻、相頻特性；當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生波動時，過多的基波分量會在檢測的諧波電流中，影響檢測精度，相應(yīng)的需要增加APF的補償容量；不能單獨分離基波有功和無功電流。這種方法是將負載電流分解為與電網(wǎng)電壓波形一致的有功電流分量和垂直于電壓波形的無功電流分量兩個正交分量。(4)基于三相瞬時無功功率的諧波檢測方法。這兩種方法都能準(zhǔn)確地檢測出三相三線制對稱電路中的諧波電流。當(dāng)三相電壓或三相電流畸變時，方法或運算方法都存在檢測誤差，不能實現(xiàn)無功分量和諧波電流的完全補償。這種方法的缺點是需要用到很多模擬乘法器，計算量大，對參數(shù)依賴性大，調(diào)整困難，易產(chǎn)生誤差。(5)自適應(yīng)諧波檢測方法。此檢測系統(tǒng)是一個閉環(huán)連續(xù)調(diào)節(jié)的系統(tǒng)，其運行特性幾乎不受元件參數(shù)的影響，對器件特性依賴不大；因此，當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生頻率波動和波形畸變時，檢測系統(tǒng)仍能正常工作，具有比較強的自適應(yīng)能力，能較好地跟蹤信號，但需要得到電網(wǎng)電壓的相位，因此動態(tài)響應(yīng)速度較慢。這種算法的局限性：它需要選擇合適的步長，在動態(tài)響應(yīng)速度與穩(wěn)態(tài)精度之間進行折衷選擇。由瞬時無功功率理論計算出瞬時有功電流和瞬時無功電流，經(jīng)過低通濾波器得到直流分量、后，再經(jīng)反變換得出基波有功分量、與負載電流相減得出諧波分量、。 圖22 法的檢測過程框圖諧波檢測方法的發(fā)展趨勢：由上分析可得，諧波檢測方法的發(fā)展趨勢可以歸結(jié)為以下幾點：（1） 諧波檢測算法向智能化、實用化發(fā)展，求解方法也將從函數(shù)解析向信號處理過渡；（2）隨著硬件的精度、速度和可靠性的不斷提高，高性能檢測算法將會應(yīng)用到檢測方法中；（3）諧波檢測效果主要體現(xiàn)在精度、速度和實時性。研究新的諧波特性辨識方法，提高檢測精度；（4）諧波檢測、分析與控制集成在一起，實現(xiàn)測量、分析與控制一體化；（5）完善現(xiàn)有的諧波檢測理論體系，提出新的更過高效諧波檢測方法。最后通過對常用的諧波檢測技術(shù)的分析，給出了諧波檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢。元器件的參數(shù)的合適與否不僅關(guān)系到有源濾波系統(tǒng)能否正常運行，而且還會影響有源濾波器的補償性能指標(biāo)以及濾波器的成本因素。有源電力濾波器容量與補償對象容量大小和補償目的有關(guān)。由上式可得，與的大小和U有關(guān)。當(dāng)有源電力濾波器只補償諧波時，有。當(dāng)系統(tǒng)中負載電阻為10Ω時，不接入有源電力濾波裝置時測得系統(tǒng)中負載電流約為55A。直流側(cè)電壓的穩(wěn)定是保證系統(tǒng)正常運行的條件之一，如果直流母線電壓不穩(wěn)定，就會導(dǎo)致補償?shù)臒o功電流和諧波電流不準(zhǔn)確，還有可能造成電壓過高，使開關(guān)器件擊穿。當(dāng)APF正常工作時，實際補償電流跟隨指令電流 的呈鋸齒波形狀變化，相對于原理圖，以A相為例則： （32）式中，Ka是開關(guān)系數(shù)，表31中是主電路中各個工作模式相應(yīng)的開關(guān)系數(shù)，1”表示上橋臂導(dǎo)通，下橋臂截止；0”表示上橋臂截止，下橋臂導(dǎo)通。由上式得出，直流側(cè)電容電壓的取值應(yīng)該是電網(wǎng)系統(tǒng)相電壓峰值的3倍。但是相應(yīng)的對開關(guān)耐壓的要求越高，成本也將增加，因此在選擇直流側(cè)電壓時要綜合考慮。在有源電力濾波器的主電路中，功率開關(guān)器件的選擇要求決定了有源濾波器諧波補償電流的跟蹤能力，功率開關(guān)器件的選擇需要綜合考慮直流側(cè)電壓以及補償電流等相關(guān)參數(shù)。參考有源濾波器容量以及逆變器直流側(cè)電壓來決定IGBT的型號。器件工作頻率的選擇應(yīng)根據(jù)實際要濾除負荷電流最高次諧波的次數(shù)來確定，根據(jù)采樣定理，開關(guān)頻率必須為最高次諧波頻率的 2 倍以上。 理論上，器件的開關(guān)頻率越高，有源濾波器對諧波的補償能力越強，補償諧波的效果越好， 但隨著開關(guān)器件開關(guān)頻率的增高，開關(guān)損耗也會增加，器件工作時對散熱的要求也越高，同時器件的價格也會越高。目前普遍應(yīng)用的電力電子開關(guān)器件主要有三 類 ：MOSFET 器件、IGBT 器件和 GTO/IGCT 器件，MOSFET 器件具有很高的開關(guān)頻率，且容量較小，而 IGBT 器件具有較高的開關(guān)頻率， 且容量也較大，而 GTO/I GCT 器件工作頻率在 1000Hz 以下，在有源電力濾波器中不適用。IGBT是一種N溝道增強型場控(電壓)復(fù)合器件，兼有功率MOSFET和雙極性器件的優(yōu)點：電壓驅(qū)動、輸入阻抗高、開關(guān)速度快、安全工作區(qū)寬、飽和壓降低、耐壓高、電流大。目前，IGBT最大容量可達6500V/600A，開關(guān)頻率可達2KHz。器件電壓的選擇決定于APF直流母線電壓，一般取IGBT耐壓為的2倍左右即可以滿足要求。開關(guān)頻率取決于所要補償?shù)淖罡叽沃C波的頻率。有源電力濾波器要對50 次諧波有較好的補償效果，開關(guān)器件的工作頻率最好在 7 2500Hz = 17 500Hz 以上。主電路直流側(cè)電容的作用是來維持的穩(wěn)定，維持變流器直流側(cè)和交流側(cè)的能量互相變換。如果選擇的電容值大，那么電容的重量和體積就會增大，成本也相應(yīng)的增加；如果選擇的電容小，則波動就會很大，那么APF的補償效果不理想。設(shè)電容直流側(cè)平均電壓為 ，APF運行時電容上的最大電壓設(shè)為，最小電壓設(shè)為，那么直流側(cè)電壓的脈動率可以定義為： （37）由上式（37）可以將和 表示為： （38） (39)假設(shè)電容完成一次充放電的最大時間將正好是一個PWM周期，在這段時間內(nèi)，電容以最大補償電流充放電，那么電容的容量計算如下式： （310） （311）上式中，表示PWM脈沖頻率，它的取值大小決將定了APF補償諧波的最高次數(shù)，對電力電子開關(guān)器件工作頻率的要求。針對本文直流側(cè)電容值取1mF。補償電流通過電感兩側(cè)的電壓的變化率產(chǎn)生，如果補償電流的變化率過大，那么有源濾波器的輸出的補償電流相對于檢測的指令電流存在很大的超調(diào)。忽略SAPF交流側(cè)電阻： （312）由上式得A相電感的取值是， （313）上式中， （314）當(dāng)并聯(lián)型有源濾波器運行的時間足夠長，那么交流側(cè)電壓的平均作用為零，為1/3的概率為2/3，為2/3的概率為1/3，因此，的期望值為4/9，代入式(313)得： （315）輸出的補償電流需要跟蹤指令電流的變化，那么在每一個PWM波形周期內(nèi)補償電流的變化率要求大于指令電流的變化率。由式（317）、（318）、