电力电容器与无功补偿Vol.31 No.3
PowerCapacitor&ReactivePowerCompensationJun.2010
有源滤波器的研究现状及前景展望
尹 慧,许 彦
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(1.徐州工业职业技术学院,江苏徐州221000;2.徐州电力设计院,江苏徐州221000)
摘 要:总结了各种拓扑结构下有源滤波器的补偿原理、补偿对象、关键实施技术及其固有不
足的改进措施。对比了各种谐波检测方法的检测原理及其对基波、基波有功分量、正序基波有功分量的检测精度。分析了各种补偿电流控制方法的功能和优缺点,在现阶段各种智能控制方法仍不成熟的背景下,空间矢量控制和无差拍控制策略具有优势。展望了有源滤波器在智能控制、多电平、DSP控制方面未来的发展方向。关键词:谐波; 电能质量; 有源电力滤波器; 拓扑结构; 谐波检测方法; 电流控制方法
+
中图分类号:TN713.8 文献标识码:A 文章编号:167421757(2010)0320027206
CurrentResearchSituationandItsProspectsofActivePowerFilter
YINHui,XUYan
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(1.XuzhouIndustrialVocationalandTechnicalCollege,Xuzhou221000;2.XuzhouElectricPowerDesignInstitute,Xuzhou221000,China)Abstract:Principlesofcompensation,compensationtargets,theimplementationofkeytechnologyanditsinherentlackofimprovementmeasuresamongthetopologicalstructuresoftheactivepowerfilteraresummarizedinthispaper.Variousmethodsofharmonicdetectionandtheiraccuracyforfundamentalprinciples,fundamentalactivecomponentandpositivesequenceoffundamentalactivecomponentarecomparedrespectively.Thefunctions,advantagesanddisadvantagesamongvariousmethodsofcurrentcontrolarealsoanalyzed,thinkingthatunderthebackgroundofimmaturityofin2telligentcontrolmethods,spacevectorcontrolanddeadbeatcontrolstrategyaremoreadvanced.Atlast,thedevelopmentofintelligentcontrol,multilevelandDSPcontrolofthefutureofactivepowerfilterisprospected.
Keywords:harmonic;powerenergyquality;activepowerfilter;topologicalstructure;harmonicde2tectionmethod;currentcontrolmethod
0 引言
近年来,各种基于电力电子技术的非线性装置在电力系统中的应用日益广泛,使得谐波危害日益严重。为了保证电力系统的安全运行,必须对谐波污染进行治理,以改善电能质量。
就当前的工业现实而言,抑制谐波的基本手段是装设各类滤波补偿装置。无源滤波器的结构
收稿日期:2010203205
简单,经济性好,但易受电网阻抗和运行状态影响
与系统发生谐振,且仅能补偿固定频率的谐波。而有源滤波器则可以解决这些问题,并且可以自动跟踪补偿变化的谐波,具有高度可控性,因而具有极高的发展前景。
结合近几年国内外有源滤波器(ActivePowerFilter,APF)的研究情况,重点对其拓扑结构、谐波检测方法及补偿电流控制方法进行总结,在此
作者简介:尹 慧(1977—),女,硕士,讲师,从事电工与电子技术方面的教学研究。
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基础上对其发展前景进行了展望。有源滤波器的应用得到了推广,其主要思路是:用无源滤波器滤除谐波源中的主要谐波,用有源滤
波器提高总体补偿效果。
并联混合型有两种形式:其一,用APF滤除低次谐波,将无源滤波器选为高通滤波器来补偿较高次谐波,从而使APF主电路中的器件开关频率降低。由于无源滤波器只补偿了少部分谐波,所以其对降低APF容量的作用并不明显。但由于对器件的开关频率要求不高,所以实现大容量相对容易些;其二,用无源滤波器滤除大部分谐波,用APF改善整个系统的性能,因此APF的容量可以很小。但是电网与APF以及APF与无源滤波器之间存在谐波通道,特别是APF与无源滤波器之间的谐波通道,可能使APF注入的谐波又流入无源滤波器及电网中。因此,需对APF进行有效控制,以抑制可能发生的谐振。就并联混合型APF的控制方式而言,可采用综合了负载电流与电源电流的复合控制方式。另外,在大型的供配电站通常希望在滤除谐波的同时进行无功功率补偿,这时由于变压器的耦合作用,使所有的基波无功电流都流过有源电力滤波器。这样就迫使逆变器所需求的容量大大增加,必然增加逆变器实现的技术难度和成本,从而限制了有源电力滤波器在大型变电站的应用。于是文献[2]提出了一种新颖的谐波注入式电路,通过在无源环节和有源环节之间增加基波谐振电路来进一步减小有源滤波部分的容量,从而达到了工程应用的目的。在串联混合型APF中,大部分谐波由无源滤波器滤除,APF则被看作一个对基波呈现低阻抗而对谐波呈现高阻抗的可变阻抗,起到了谐波隔离器的作用(电网谐波电压不会加到负载和无源滤波器上;负载谐波电流也不会流入电网,而是被迫流入无源滤波器)。这种APF抑制了电网阻抗对无源滤波器的影响,防止了电网与无源滤波器之间可能发生的谐振。这种APF的缺点是:
1)在低次谐波及其他频率处,要使APF的等效阻抗远远大于无源滤波器的等效阻抗十分困难,因此该方案不能隔绝电网中的闪变分量。
2)当负载电流中存在无源滤波器不能滤除的谐波时,由于APF强制这部分谐波流入LC滤波器,将会在负载输入端产生谐波电压。
1 APF的拓扑结构和原理
接入电网方式分类的各种交流有源滤波器如图1所示。
图1 按接入电网方式分类的交流有源滤波器
并联型表现出电流源特性,向电网注入与谐波电流幅值相等、相位相反的补偿电流,抵消谐波源产生的电流谐波,使电源电流成为正弦波。主要用于补偿电流型谐波源,如直流侧为阻感负载的整流电路,也可以补偿三相不对称电流和供电点电压波动。其主要缺点是:交流电源的基波电压直接(或经变压器)施加到逆变器上,补偿电流基本由逆变器提供,因此对逆变器的容量要求较高
[1]
。
串联型有源滤波器作为受控电压源输出补偿电压,用来补偿电压型谐波源(如电容滤波型整流电路)或抑制电源电压畸变,使供电点电压变为理想正弦工频电压。其缺点主要有:
1)输出电压等于电网谐波电流乘以系数K。较大的K值会提高补偿性能,但却要求更大的容量,且可能引起系统不稳定,因而K值一般只能取2～8。
2)为使有源滤波器的输出频带较宽,要求开关器件工作在较高的开关频率下,增加了开关损耗并产生较严重的电磁干扰。
3)耦合变压器对各次谐波应有较高的线性度,增加了变压器设计的难度。
为了兼顾经济成本和滤波效果,各种混合型・28・
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3)由于APF串联在电路中,所以其绝缘困
难且安装维修不便。
串联混合型滤波器目前主要有两种控制有源滤波器方法,一是串联有源滤波器作为受控电压源,输出电压等于电网谐波电流乘以系数K。与串联型一样,K值的选取同样存在稳定性和滤波效果的矛盾问题,为此有学者提出在逆变器的交流输出回路串联一个工频谐振电路的方法来解决K值的问题。另外一种的方法是基波磁通补偿法,该方法能使有源滤波器对谐波呈现变压器励磁阻抗。但要在变压器原边漏阻抗上产生基波压降,且该压降与系统基波电流成正比,特别是有源滤波器对基波电流跟踪不好的情况下,该系统容易出现稳定性问题。
串并联混合型是指将APF与无源滤波器相串联后再与电网并联,无源滤波器滤除特定次数的负载谐波电流,并提供一定的基波无功功率。而APF作为受控电压源,其输出电压既可用于补偿谐波电流流过无源滤波器时所产生的压降(其控制目的是为了使串联支路总的阻抗对各次谐波都为零,从而使所有的负载谐波电流全部流入无源滤波器),又可用于补偿电网电压中的谐波分量,起到把电网电压与负载谐波电流相隔离的作用,以改善无源滤波器的滤波效果,克服无源滤波器易与电网阻抗发生谐振的缺点。另外,为了减小APF的容量,使得有源滤波器只需承受很小部分的基波电压和基波无功电流,文献[3]增加了基波谐振支路,利用电感电容的谐振特性,有效地减少了APF的容量,同时改善了系统的滤波性能并增强了稳定性。
统一电能质量调节器(UnifiedPowerQualityController,UPQC)的思路是:串联APF将电源和负载相隔离,阻止电源谐波电压串入负载端和负载谐波电流流入电网。并联APF提供一个零阻抗的谐波支路,补偿负载中的谐波电流。该方案在电网与公共连接点之间实现了电压和电流的净化,这种有源滤波器兼有串、并联有源滤波器的功能,可解决配电系统发生的绝大多数电能质量问题,但是,由于需要两个APF,所以成本比较高。另外,当有不平衡负荷向共同耦合节点处注入不平衡电流时,不能修正线路的不平衡电流。
2 APF的谐波检测方法
2.1 基于频域的检测方法
利用模拟带通(或陷波)滤波器进行谐波检
测时他的缺点是:当电网频率波动时,所设计的滤波器中心频率会发生偏移,加上该中心频率易受器件参数及温度影响,会使检测出的谐波信号中含有大量基波分量,增加了APF的设计容量和有功损耗,因此,已基本不用。
随着计算机技术和芯片数据处理能力的不断进步,频域检测方法逐步实现了全数字化。文献[4]利用离散傅里叶变换的滤波算法实现了高精度带通滤波及谐波检测,但这种算法的滤波器阶次大于100,运算量较大。
频域检测法的另一个显著不足是不能单独分离出基波正序有功分量。2.2 基于矢量空间变换的检测法这类方法的基本思想是:通过变换得到功率,然后将功率中与所要检测的信号相对应的恒定分量滤除出来,再经反变换还原出所要检测的信号,因此,也可将此类方法称为功率法。这类方法以p-q法、ip-iq法、d-q法以及p-q-r法为代表。p-q法适用于电网电压对称且无畸变情况下的谐波电流检测;ip-iq法不仅在电网电压畸变时适用,在电网电压不对称时也同样有效;而d-q法可在电网电压不对称、畸变情况下精确地检测出谐波电流,其优点是当电网电压对称且无畸变时,各电流分量(基波正序无功分量、不对称分量及高次谐波分量)的检测电路比较简单;当电压畸变明显时,p-q-r法不能完全抑制谐波,但其对无功补偿和中线电流的抑制比较有效。
三相电压的畸变并不影响ip-iq法的谐波检测结果,但却影响APF的直流侧电压控制和基波
[5]
正序有功电流的提取。后者涉及到了最佳补偿电流的选择问题,由于目前国际上没有一个公认完善的功率理论体系,所以并没有一个确定最
[6]
合理补偿电流的产生方法。文献[5]将补偿电流定义为畸变电流中除基波正序有功分量外的全部电流分量,这样可使补偿后的电流对称且只含有基波。文献[7]则认为这种补偿方式导致电源电流较大,并不合理。为此,文献[6]依据通用瞬
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时功率原理,使补偿后的电源电流与电源电压呈线性关系。虽然在电源电压不对称或畸变的情况
下,电源电流也会不对称或畸变,但却可以使电源的功耗最小。
两种选择方式考虑问题的角度不同,均有各自的合理性。文献[5]的出发点在于使电源电流接近理想电流(高功率因数的工频对称电流),此时APF必须发出一部分有功功率。而理想的APF是“任意谐波发生器”,即只产生广义上的无功功率。所以这种选择方式对APF的要求较高。文献[627]的出发点在于减少电源功耗。在目前尚无完善的功率理论情况下,应根据实际情况来选择补偿电流。例如,变电站的谐波治理应采用文献[5]的选择方式。虽然会增加功耗,但净化了系统电流。该系统电流不会在系统内阻上产生谐波电压,那么,加在各个负荷上的电压就会比较理想;反之,若采用文献[7]的补偿方式,则会使系统电压的不对称或畸变加剧,影响所有的负荷用户。单个负荷用户的谐波治理采用文献[7]的补偿方式较好,其结果是降低了功耗。2.3 有功分离法该方法将被检测量分解为理想传输量(即从公共供电点上看去,负荷是三相对称且纯阻性的,该负荷只消耗有功能量)和另一分量之和,简单明了、易于实现。但该方法以平均有功功率理论为基础,至少存在一个工频周期的延时,实时性较差;并且当电源电压存在畸变时,与电压谐波同次的谐波电流(有功部分)将被淹没一部分。另外,该方法不能单独分离出基波有功分量。2.4 自适应检测法
自适应检测法是一种将自适应干扰对消信号处理技术用于谐波检测的方法。其自适应检测单元可以采用模拟电路或者人工神经网络(ANN)来实现。使用这种方法的关键在于自适应系数的选择与调整。该方法的主要缺点是计算量大,动态响应速度慢。2.5 同步测定法针对三相不平衡系统提出了同步测定法,可分为等功率法、等电流法和等电阻法3类,即把补偿分量分配到三相中去,分别使补偿后的每相功率、每相电流或每相电阻相等。该方法的缺点是・30・
计算量大、时间延迟大。2.6 特定消谐技术
文献[8]提出了适用于单相及三相电路的特
定消谐检测技术。该方法只需要一个乘法器,硬件成本较低。2.7 其他的谐波检测方法文献[9]和文献[10]分别利用神经网络和小波变换进行谐波检测。文献[11]基于最小二乘原理进行谐波提取,动态响应快且跟踪性好,但该方法不能单独分离出电流的基波正序有功分量。
3 APF的补偿电流控制方法
3.1 三角载波控制
将电流实际值与参考值之间的偏差经PI调制后与高频三角载波相比较,所得矩形脉冲作为逆变器开关元件的控制信号,从而在逆变器输出端获得所需波形。其优点是动态响应好,开关频率固定,实现简单,缺点是输出波形中含有与三角载波相同频率的高频畸变分量,开关损耗较大,在大功率应用中受到限制。3.2 滞环比较控制
制的原理为:将补偿电流参考值与逆变器实际电流输出值之差输入到具有滞环特性的比较器中,通过比较器的输出来控制开关动作,使逆变器输出值实时跟踪补偿参考值。与三角载波控制相比,滞环比较控制具有开关损耗小、动态响应快、鲁棒性好、控制精度高等特点。其缺点是系统的开关频率、响应速度及电流的跟踪精度均受滞环带宽影响。当带宽固定时,开关频率会随补偿电流的变化而变化,从而引起较大的脉动电流和开关噪音。为了解决开关频率变化的问题,文献[12]提出了基于电压矢量的滞环电流控制法。3.3 变结构控制
变结构控制对系统的变化和外部干扰不敏感,具有很强的鲁棒性。本质上可视为带宽等于零的滞环比较控制,所以他同样存在开关频率高、变化范围大的缺点。3.4 无差拍控制与差拍控制
无差拍控制是一种在电流滞环比较控制技术上发展起来的全数字化控制技术。他利用前一时刻补偿电流的参考值和实际值,计算出下一时刻
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的电流参考值及各种开关状态下的逆变器电流输出值,然后选择某种开关模式作为下一时刻的开
关状态,从而达到电流误差等于零的目标。该方法的优点是动态响应快且易于计算机执行,缺点是计算量大、对系统参数依赖性较大、鲁棒性差、瞬态响应的超调量大。3.5 单周控制(又称积分复位控制)单周控制技术具有调制和控制的双重性,通过复位开关、积分器、触发电路及比较器达到跟踪指令信号的目的。其基本思想是控制开关占空比,在每个周期内强迫开关变量平均值与控制参考量相等或成比例。单周控制能在一个周期内自动消除稳态、暂态误差,前一周期的误差不会带到下一周期。这种控制方法具有反应快、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实现、控制电路简单等优点。3.6 空间矢量调制
SVM(SpaceVectorModulation)技术具有以下优点:直流侧电压的利用率比SPWM提高15%;采用不连续开关方式调制时,开关器件的损耗降低1/3;调制方法便于数字实现。文献[13]提出一种基于最优瞬时电压矢量控制的新方法,他通过辨识最优瞬时电压矢量的区域来确定控制开关模型,避免了复杂计算和APF的不必要开关,而且快速准确。3.7 模糊控制
模糊控制在APF中主要用于优化占空比和电压外环的跟踪控制(即直流侧电压控制)。文献[14]认为:将模糊控制应用于开关占空比的优化和控制,能从开关本身的特性出发解决电流跟踪问题,提高系统的动态性能;也可以在其他的控制方法中引入模糊的概念以改善其他控制方法的不足。
3.8 人工神经网络控制
满足“无源性”条件下达到性能的要求,从而简化了控制器设计,提高了系统的鲁棒性。无源性控
制在APF中的应用主要集中在获得补偿信号和获得调制的占空比两个方面。
4 前景展望
目前,我国对APF的研究还主要集中在试验研究阶段,离实用化还有较长的距离。从近年来的研究可以看出APF具有以下的发展前景:
1)将智能控制引入传统控制方法中。现在的智能控制方法虽然已经逐渐应用到有源滤波器的研究中,如无差拍控制、神经网络控制等,但现阶段还没有真正用于实际的例子。因此,建立统一的、能用于实际工程的有源滤波器模型是智能控制需要解决的问题。
2)采用多电平或多重化主电路来实现大容量APF。近几年,多电平逆变技术以及多电平并联技术由于其在输出波形质量、开关损耗、器件应力等方面的突出优点,引起了广泛的关注。随着门极可关断高压半导体器件的发展和多电平逆变器技术的不断发展,可以预见,APF将会有更大的发展前途。另外还可以尝试多台APF并联运行的可能性。
3)随着DSP技术数字信号处理专用高速芯片控制技术的不断发展,实现APF控制的全数字化,将更有利于降低成本、全面工业化。
5 结语
1)并联型APF主要补偿电流源型谐波源,
串联型APF主要补偿电压源型谐波源。各种混合型APF兼顾了经济成本和滤波效果,主要补偿电流源型谐波源。
2)在各种谐波检测方法当中,基于矢量空间变换的方法发展比较成熟,应用较广,且能分离出基波有功分量和正序基波有功分量。基于小波变换的谐波检测法和基于神经元的自适应谐波电流检测法等目前仍停留在仿真阶段,有待进一步研究和实用化。
3)在补偿电流的控制方法中,比较常用的是实现简单的三角载波控制和滞环比较控制,象空间矢量调制和无差拍控制,这些控制精度高、动态
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人工神经网络除用于谐波电流的检测之外,
还可以用于控制变换器的开关状态以实现对给定电流的跟踪。因为采用神经网络逼近的方法能够充分考虑系统的未知动态,提高控制精度,简化控制方法。3.9 无源性控制
无源性理论是一种能量“整型”方法,通过重新分配系统的能量和注入非线性阻尼,使系统在
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响应好的算法具有更广阔的发展前景。
4)主要从有源滤波器的拓扑结构、谐波检测方法、补偿电流的控制方法3个方面进行了对比分析,并对APF的发展前景做了展望。
目前,我国对APF的研究还处于探索阶段,如何将其进一步完善并用于实际中,以提高电网的电能质量,值得我们认真思考。参考文献:
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