有源电力滤波器拓扑结构及控制策略概述

<[p] >1 主电路拓扑结构分类<[p] >从不同的观点出发，有源电力滤波器具有不同的分类标准。<[p] >1.1 根据接入电网的方式分类<[p] >根据接入电网的方式，有源电力滤波器可以分为串联型、并联型和串-并联型三大类。<[p] >1.1.1 串联型有源滤波器<[p] >串联型有源滤波器经耦合变压器串接入电力系统，如图1所示，其可等效为一个受控电压源，主要是消除电压型谐波以及系统侧电压谐波与电压波动对敏感负载的影响。串联型有源电力滤波器应用在直流系统中时，耦合变压器的系统接入侧很容易出现直流磁饱和问题，所以只在交流系统中采用。与并联型有源电力滤波器相比，由于串联型有源电力滤波器中流过的是正常负荷电流，因此损耗较大;此外，串联型有源电力滤波器的投切、故障后的退出及各种保护也较并联型有源电力滤波器复杂。目前单独使用串联有源电力滤波器的例子较少，研究多集中在其与LC无源滤波器所构成的串联混合型有源电力滤波器上。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >1.1.2 并联型有源电力滤波器<[p] >并联型有源电力滤波器与系统并联等效为一个受控电流源，如图2所示。有源滤波器向系统注入与谐波电流大小相等方向相反的电流，从而达到滤波的目的。并联型有源电力滤波器主要适用于电流源型感性负载的谐波补偿，技术上已相当成熟，工业上已投入使用的有源电力滤波器多采用此方案。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >与串联型有源电力滤波器相比并联型有源电力滤波器通过耦合变压器并入系统，不会对系统运行造成影响，具有投切方便灵活以及各种保护简单的优点。但是当单独使用并联型有源电力滤波器来滤除谐波时，有源电力滤波器容量要求很大，这样会带来一系列的问题，如工程造价高、电磁干扰、结构复杂以及高的功率损耗等。<[p] >1.1.3 串-并联型有源电力滤波器<[p] >串-并联型有源电力滤波器如图3所示，相关文献称之为统一电能质量调节器(U[p] QC)。它综合了串联型和并联型两种结构，共同组成一个完整的用户电力装置来解决电能质量的综合问题。其中，直流侧电容器或电感储能装置是串联型和并联型有源滤波器所公用的，串联有源电力滤波器起到补偿电压谐波、消除系统不平衡、调节电压波动或闪变、维持系统电压稳定性或阻尼振荡的作用。并联变流器起到补偿电流谐波不平衡、补偿负荷的无功、调节变流器直流侧电压的作用。因此这种统一电能质量调节器可以实现短时间不间断供电、蓄能、无功补偿、抑制谐波、消除电压波动及闪变、维持系统电压稳定等功能，被认为是最理想的有源滤波器的结构。这种结构既可用于三相系统，又可以用于单相系统。但是其主要缺陷在于成本较高(需要较多的开关器件)和控制复杂。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >1.2 根据接入电网电压等级分类<[p] >根据接入电网电压等级来分类，有源电力滤波器还可以分为直接接入和通过无源滤波器间接接入电网两种方式。<[p] >1.2.1 直接接入型<[p] >图4 为直接接入型有源滤波主电路拓扑结构，它是有源滤波器和无源滤波器的组合结构。这种滤波器结构目前非常普遍，因为它并联的LC无源滤波器部分消除了大量的低次谐波，因而有源滤波器部分容量可以做到很小(负荷容量的5%左右)，这样大大减少了有源滤波器的体积和成本。它可以同时消除电压和电流谐波，而且成本相对较低，因而非常受欢迎。但是这种结构的滤波器的缺点在于只能针对特定负荷进行补偿，负荷运行状况变化较大的时候补偿性能不好。<[p] >1.2.2 间接接入型<[p] >图5为有源与无源滤波串联使用的混合型有源滤波器，在该方式中，谐波和无功功率主要由LC 滤波器补偿，而有源滤波器的作用是改善无源滤波器的谐波特性，克服无源滤波器易受电网阻抗的影响、易与电网发生谐振等缺点。在这种方式中，有源滤波器不承受交流电源的基波电压，因此装置容量小。该方案由于注入变压器连接在Y 型连接的[p] F的中性点上，方便保护和隔离，因此更适合于高电压系统应用，但是该电路对电网中的谐波电压非常敏感。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >1.3 按有源电力滤波器中逆变器直流侧储能元件的分类<[p] >根据有源电力滤波器中逆变器直流侧储能元件的不同，有源电力滤波器又可分为电压型有源电力滤波器(储能元件为电容)和电流型有源电力滤波器(储能元件为电感)。<[p] >电流型有源电力滤波器如图6所示，它是由一个大电感充当一个非正弦的电流源来提供非线性负荷的谐波电流。电流型逆变器的最大缺点在于不能用于多电平场合，无法提高大容量时逆变器的性能;电压型由一个较大的电容作为直流侧的电压支撑。由于电压型结构轻便、便宜，并且可以扩展为多电平结构，使其在开关频率较低的情况下取得较好的性能，与电流型有源电力滤波器相比，电压型有源电力滤波器损耗较小、效率高，因此目前国内绝大多数有源电力滤波器都采用电压型逆变器结构。根据日本电气学会的调查结果，两者在实际应用中所占的比例分别是电压型93.5%，电流型6.5%。随着超导储能技术的不断发展，今后可能会有更多电流型有源电力滤波器投入使用。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >1.4 根据补偿系统的相数来分类<[p] >根据有源滤波器补偿系统的相数来分类，有源滤波器可分为单相和三相两种，三相系统又分为三相三线制和三相四线制。<[p] >单相有源滤波器一般用于小功率的场合，例如商业写字楼或者学校带有电脑负荷的教学楼以及小型工厂。在这些场合中电流谐波可以在公共耦合点补偿掉，因此可以将几个小功率的滤波器连接取代一个大的滤波器，这主要是由于在一个大楼中有好多的单相负荷并且中线上存在大量谐波电流会有较大的危害。这样可以根据运行条件的不同有选择地进行补偿。但另一方面，住宅性负荷并没有产生大量<[p] >的集中的谐波，而且由于缺少强制的谐波约束法规，住宅用户不可能投资于单相的有源滤波器。单相有源滤波器的主要优点在于处理小功率负荷，因此变流器的开关频率可以很高，从而提高整个装置补偿谐波的性能。<[p] >对于三相装置，滤波器及主电路的选择取决于三相系统是否平衡。在相对比较低的功率场合(100 kV·A)，三相系统可以采用三个单相有源滤波器或者单独的三相有源滤波器。对于平衡负荷而言，如果目标仅仅是消除电流谐波而不需要三相系统及补偿电压谐波，采用三个单相有源滤波器的结构是可行的。对于不平衡负荷电流或者不对称供电电压，主电路结构采用基于三个单相逆变器的三相有源电力滤波器是可行的。<[p] >大多数的单相负荷都是由带中线的三相系统供电的。它们给系统带来了大量的中线电流、谐波、无功以及三相不平衡。三相四线制有源滤波器的引入就是为了减少这类系统出现的问题。<[p] >2 有源滤波器构成及工作原理<[p] >无论有源电力滤波器如何分类，它都是由几个共同的部分构成，即谐波检测环节、控制系统、主电路、保护电路以及耦合变压器等主要部分构成，如图7所示。其基本工作原理为：首先通过谐波检测环节检测出系统中的谐波并给出需要补偿谐波的参考值，然后通过控制系统根据该参考值产生相应的脉冲，控制主电路产生补偿电流或者电压跟踪该参考值，起到补偿效果，有源电力滤波器通过耦合变压器接入系统。<[p] >下面对有源滤波器的四个部分进行介绍。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >2.1 谐波检测<[p] >谐波检测环节的原理框图如图8所示。基本工作原理为：预处理环节将电压或电流互感器输出的电流信号转化为电压信号并进行适当的滤波与放大(实际中总存在一定的高频噪音，因此一般都要对信号进行一定的滤波及进行放大或缩小)，有源电力滤波器对谐波信号的时间同时性要求较高，因此一般情况下应该对所需信号进行同步采样，所以需要加采样保持电路，即在同一时刻对输入信号进行采样。<[p] >将采样信号保持起来，然后分别进行A/D转换，将模拟量转化为数字量。<[p] >目前用于谐波检测算法通常有两种，一种是快速FFT分析法，另外一种方法是瞬时无功功率理论，其中大多采用瞬时无功功率理论进行谐波检测。<[p] >&nbs[p] ; [[p] ] <[p] >&nbs[p] ;<[p] >2.2 控制系统及控制策略<[p] >有源电力滤波器的控制系统及选用的控制算法是其滤波效果好坏的关键。有源电力滤波器的控制系统主要有模拟控制系统、数字控制系统以及数字模拟混合控制系统三类。近年来随着微电子技术的快速发展，各种数字处理芯片的性能大大提高，因此有源电力滤波器的控制系统逐步由模拟控制系统转化为模拟数字混合控制系统及纯数字控制系统。下面主要介绍有源电力滤波器的数字模拟混合控制系统与数字控制系统。<[p] >2.2.1 数字模拟混合控制系统<[p] >有源电力滤波器的控制系统一般由两个部分组成，即控制算法部分和触发脉冲产生部分。其中控制算法处理部分对谐波检测环节送来的数字信号进行处理，采用谐波检测算法，快速检测出需要的谐波与有源滤波器产生的谐波进行比较，根据其差值采用一定的控制方法产生触发脉冲信号送给触发脉冲发生部分。而触发脉冲发生部分根据该信号产生适当的驱动脉冲去驱动有源电力滤波器的变流器，使其产生的谐波电流或电压与所需的谐波电流或电压相同，从而达到谐波补偿的效果。所谓数字模拟混合控制就是通过数字电路检测并产生所需补偿的参考谐波信号，获得参考谐波信号后，通过模拟电路实现谐波跟踪(通常为比例积分[p] I 控制)，[p] WM脉冲控制具有更快的速度和更高的分辨率。<[p] >2.2.1.1 滞环控制<[p] >此类控制器中滞环比较器由于产生的补偿电流参考信号能够快速准确地跟踪谐波电流变化，具有很好的实时性，所以在有源滤波器中得到了广泛的应用。滞环比较器的控制框图如图9所示，图10为滞环比较示意图。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >滞环比较控制采用滞环比较器，把检测出的补偿电流信号ie 与实际产生的补偿电流ic进行比较，两者的偏差作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的[p] WM 信号，从而控制补偿电流ic的变化。此类控制器中由于滞环比较器产生的补偿电流参考信号能够快速准确地跟踪谐波电流变化，具有很好的实时性，所以在有源滤波器中得到了广泛的应用。滞环比较控制的特点可归结为：硬件电路十分简单;属于实时控制方式，电流响应很快;不需要载波，输出电压中不含特定频率的谐波分量;属于闭环控制方式;若滞环的宽度固定，则电流跟随误差范围是固定的，但是电力半导体器件的开关频率是变化的。<[p] >在采用滞环比较器的瞬时值比较方式中，滞环的宽度通常是固定的，由此导致主电路中电力半导体器件的开关频率是变化的。尤其是当ic变化的范围较大时，一方面，在ic 值小的时候，固定的环宽可能使补偿电流的相对跟随误差过大;另一方面，在ic值大的时候，固定的环宽又可能使器件的开关频率过高，甚至可能超出器件允许的最高工作频率而导致器件损坏。另外，由于开关频率不固定，增加了高通滤波器及连接电抗器参数设计的难度。<[p] >针对采用滞环比较器的瞬时值比较方式在环宽固定时的这一缺点，一种解决的方法是将滞环比较器的宽度H 设计成可随ic 的大小而自动调节的;另一种方法是采用定时控制的瞬时值比较方式，该方式中，用一个由时钟定时控制的比较器代替滞环比较器。每个时钟周期对ic 变化量判断一次，使得[p] WM信号需要至少一个时钟周期才会变化一次，器件的开关频率最高不会超过时钟频率的一半。这样时钟信号的频率就限定了器件的最高工作频率，从而可以避免器件开关频率过高的情况发生。该方式的不足是，补偿电流的跟随误差不是固定的，从波形上看，就是毛刺忽大忽小。<[p] >2.2.1.2 三角波控制<[p] >图11为三角波比较器的控制框图，图12 为三角波比较示意图。其中图12给出了在并联型有源电力滤波器中经常采用的一种数字模拟混合控制器的模拟部分。其中参考电流信号由微处理器通过D/A转换变成模拟信号送到模拟控制部分。有源电力滤波器的补偿电流与参考电流进行比较，通过比例积分环节后成为调整信号，与三角波发生电路产生的作为载波信号的三角波进行比较，获得驱动有源滤波器逆变器的[p] WM驱动脉冲。图12中，当控制信号大于锯齿波，则[p] WM脉冲信号为高电平;相反，则为低电平。与瞬时值比较方式相比，该方式具有的特点：硬件较为复杂;跟随误差较大;输出电压中所含谐波较少，但是含有与三角载波相同频率的谐波;器件的开关频率固定，且等于三角载波的频率;电流响应比瞬时值比较方式的慢。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >由以上可知，瞬时值比较方式和三角波比较方式各有优缺点，不能孤立地说孰优孰劣，实际应用时可根据系统要求选择。日本电气学会的调查结果也表明了这一点，两种方法在实际应用中大体上各占一半，基本相当。<[p] >2.2.2 数字控制系统<[p] >随着微电子技术的快速发展，产生[p] WM脉冲的数字电路和具有可编程功能的器件快速发展，因而通过专门电路或通过可编程逻辑器件实现[p] WM 脉冲发生器已非常方便，而且在速度和分辨率方面也有着显著的提高，因此有源电力滤波器的控制系统已经逐步变成纯数字的控制系统。与其他的电力电子装置类似，根据有源滤波器控制算法的复杂性我们可以选择不同的数字控制系统来实现。通常的控制系统一般有基于单数字信号处理芯片的带有[p] WM信号的控制系统。由于DS[p] 本身带有[p] WM脉冲产生部分，因此采用单片的DS[p] 就可以实现有源电力滤波器的控制系统。当然，由于DS[p] 芯片既要处理控制算法又要产生脉冲，因此只能实现简单的控制算法。如果要实现更加复杂与先进的算法，可采用多DS[p] 芯片的控制系统或者DS[p] +F[p] GA(现场可编程逻辑阵列)的通用控制系统。采用双DS[p] 或DS[p] +F[p] GA结构，其中一个DS[p] 处理器用来完成数据处理、控制与高层保护功能;另一个DS[p] 处理器或F[p] GA用来产生高精度[p] WM脉冲。<[p] >2.3 主电路<[p] >有源电力滤波器的主电路型式多种多样，有很多种分类方法。具体分类方法见上所述。<[p] >2.4 保护电路<[p] >保护系统采用快速硬件保护(与功率单元直接连接)和高速DS[p] 的软件保护相结合的方式，实现双重保护机制，使得系统安全，运行可靠。<[p] >2.5 耦合变压器<[p] >前面讲到的两种主电路结构都通过连接电抗器直接接入系统，但对于电压较高的情况，由于各种开关器件耐压水平的限制，变流器输出电压不可能太高，因此通常采用变压器接入方式。采用耦合变压器接入电力系统的好处有：<[p] >1)可以灵活地改变逆变器的输出电压和电流，从而充分利用开关器件的电压与电流容量;<[p] >2)可以提供绝缘隔离，变压器的电气与一、二次侧的绝缘隔离可以防止出现不必要的电气连接，可以提高有源电力滤波器的可靠性，还可以防止电力系统中的各种干扰直接进入到有源电力滤波器中。<[p] >虽然变压器带来了很大的好处，但是在有源电力滤波器中采用耦合变压器本身也存在一些缺点。<[p] >这主要是因为有源滤波器对耦合变压器存在较高的要求，因此在设计选择耦合变压器时要注意：<[p] >1)工作频带耦合变压器要有较宽的工作频带;<[p] >2)铁心材料的选择鉴于有源滤波器工作时的频率范围，耦合变压器的铁心材料一般选薄硅钢片或非晶合金磁性材料;<[p] >3)铁心结构选择由于有源滤波器输出的三相电压或电流是相互独立的，因此要求耦合变压器三相独立或三相之间相互影响小，所以有源滤波器的耦合变压器采用五铁心柱结构或采用三单相变压器，这样三相绕组之间的影响很小或三相完全独立。<[p] >3 有源滤波器设计步骤及参数选择<[p] >3.1 设计有源滤波器一般步骤<[p] >1)应该根据所需要补偿的负荷谐波次数及容量确定有源滤波器补偿电流谐波的最高次数及谐波的容量。<[p] >2)根据补偿效果及谐波就地补偿等原则确定有源滤波器的接入点。<[p] >3)根据接入点的电压等级及负荷的结构确定有源电力滤波器的电压等级及相应的主电路结构。对于380 V 系统，一般选择通过电抗器直接接入三相系统。而对于10 kV的系统，通常选择通过耦合变压器接入系统。<[p] >4)根据选择的电压等级及谐波电流的次数、容量以及所选择的主电路结构，参照开关器件的开关频率、电压等级、电流等级等选择合适的开关器件，确定有源滤波器直流侧合理的工作电压及连接电抗器的参数。<[p] >3.2 参数选择<[p] >3.2.1 电感选型<[p] >对于并联型有源电力滤波器，其主要功能是补偿电流ic(t)快速跟踪负荷电流中的谐波电流，从而使流入配电系统的谐波电流很小，避免对系统的污染。为了使ic (t)能够快速跟踪要补偿的电流，需要有源滤波器产生的ic(t)具有两个条件：首先，ic(t)的大小要满足补偿电流的要求，即逆变器补偿的电流必须大于等于补偿电流，也即有源滤波器的补偿容量满足负荷补偿的要求;其次，有源滤波器输出电流的变化率即dic(t)/dt 要大于等于补偿电流的变化率，只有这样有源滤波器才能快速跟踪补偿电流的变化。<[p] >第一个条件在设计有源滤波器时通过考虑容量即可满足，而第二条常常是衡量有源滤波器性能好坏的关键。因为非线性负荷种类很多，需要补偿电流的变化率可能完全不一样，为了保证有源电力滤波器的跟踪能力，在设计时必须非常重视其电流变化率。因此为了提高dic(t)/dt，要么减小有源滤波器的等效电感L，要么提高逆变器输出电压U(c t)。有源滤波器的等效电感L 越小，其电流跟踪能力越强，但是L 过小，有源滤波器输出电流中基于开关频率的特征谐波会很大，而且一旦有源滤波器本身出现故障，会产生较大的过电流，从而影响系统。因此有源滤波器的等效电感不能选择过小。通常，如果以有源滤波器的电流容量作为电流基值，接入电压作为电压基值，则等效电感对应的基波电抗的标幺值约为20%，电感值通常为mH级别。<[p] >3.2.2 直流母线电容<[p] >因为提高直流侧电容电压Ud c(t)可以提高有源电力滤波器电流跟踪能力。因此设计有源滤波器时，应该根据最恶劣的条件估算出需要补偿的负荷电流的最大变化率，选择合适的直流侧电压。直流侧电压选定后，在保证安全裕度的前提下选择开关器件的电压、电流等级。直流侧电容容量在允许的范围内(电容容量应避免与电抗产生谐振)当然越大越好，但电容过大增加了装置的成本。直流侧电容容量的选择主要是防止直流电容电压的波动，计算电容电压波动时必须考虑谐波引起的电容电压波动。<[p] >4 应用情况及前景展望<[p] >目前，有源滤波技术已在日本、美国等少数工业发达国家得到应用，有许多工业装置投入运行;国内对有源电力滤波器的研究尚处于起步阶段。<[p] >近年来，在电力电子工程师和研究人员的不断努力下，有源电力滤波技术取得了长足的发展，有源电力滤波器的价格也不断降低。随着人们对谐波污染认识的不断加深，有源电力滤波器的应用前景是相当光明的，在国内的应用也将越来越广泛。