关键字 |
| 电力系统谐波，有源电力滤波器，谐波抑制，电能质量，控制策略 |
介绍 |
| 电力电子电器广泛应用于工业、商业和消费环境。这些设备在公用事业系统中产生谐波和无功功率。通过降低谐波来改善电能质量已成为当今的重要课题[1-4]。传统上，无源LC滤波器被用来消除线路电流谐波和提高功率因数。但无源滤波器存在补偿固定、体积大、谐振问题等缺点。为了解决上述问题，引入了有源电力滤波器。 |
| 电能质量可以定义为电能与电气设备的相互作用。如果电气设备运行正确可靠，没有损坏或受压，我们就说电力质量好。另一方面，如果电气设备在正常使用过程中出现故障、不可靠或损坏，我们就会怀疑电能质量差。电能质量决定了电力对消费设备的适用性。电力系统中谐波波形的存在是造成电能质量问题的主要原因。谐波对配电系统有许多不良影响。在电力系统中，它会导致电压过度失真、电阻损耗或电压应力增加、交流电机效率降低和产品质量降低等。随着谐波发电装置的广泛使用，控制谐波电流以维持高水平的电能质量变得越来越重要。采用有源电力滤波器进行谐波补偿是抑制谐波的有效方法。有源电力滤波器由于体积小，不需要调谐，运行稳定，被认为是降低电流谐波和无功功率的可行解决方案。 |
| 有源滤波器的基本补偿原理在1970年左右提出。它们作为谐波电流源，能有效消除谐波电流，补偿无功功率。 |
A.电力系统谐波 |
| 电力系统谐波是电力系统基本频率的整数倍。电力系统谐波是由连接到电力系统的非线性设备产生的。谐波是位于正常正弦电压和电流波形之上的电压和电流频率。谐波(电流和电压)的存在被视为影响电力系统运行的“污染”。 |
| 谐波失真最常见的来源是使用开关模式电源的电子设备，如计算机、可调速驱动器和高效电子光镇流器。谐波波形的特征是它们的振幅和谐波数。当正弦电压加到某种类型的负载上时，其中负载导致电流在每个周期内与电压不成比例地变化。这些被归类为非线性负载，他们所采取的电流将是非正弦波形。当从电源到非线性负载的路径中存在显著阻抗时，这些电流畸变也会在负载处产生电压波形畸变。波形失真可以通过数学分析来表明，它相当于在纯正弦波上叠加了额外的频率成分(图2.1)。这些频率是基频的谐波(整数倍)，有时会从非线性负载向外传播，在电力系统的其他地方引起问题。 |
| 最常见的非线性负载所产生的谐波具有以下特性: |
| •低阶谐波往往在振幅中占主导地位 |
| •如果波形具有半波对称性，则没有谐波 |
| •将增加大量同类型非线性负荷的谐波发射。 |
| 图2.1显示了谐波对正常电压或电流波形[5]的影响。奇次谐波波形对电力系统不稳定性的影响较大。在图中，组合波形显示了将谐波加到基波上的结果。 |
| 电力系统中的谐波可以成为各种不受欢迎的影响的来源。例如，谐波会导致信号干扰、过压、数据丢失、断路器故障等，也会导致设备发热、故障、损坏等。任何为现代电子设备服务的配电电路都会包含一定程度的谐波频率。非线性负荷所消耗的功率越大，产生的电压畸变程度就越大。由谐波引起的潜在问题(或问题症状)包括: |
| •敏感设备故障 |
| •断路器随机跳闸 |
| •闪烁的灯光 |
| •非常高的中性电流 |
| •过热的相位导体，面板和变压器 |
| •变压器和不间断电源(ups)过早失效 |
| •降低功率因数 |
| •降低系统容量(因为谐波产生额外的热量，变压器和其他配电设备不能承载全部额定负载) |
| 此外，由非线性负载产生的谐波电流可以与广泛的电力系统设备相互作用，最显著的是电容器、变压器和电机，导致额外的损耗、过热和过载。这些谐波电流还会对电信线路造成干扰，并导致计量设备出现错误。由于谐波对电能质量的不利影响，制定了谐波控制标准，以确定合理的谐波控制框架。可以采用不同的方法抑制配电系统中的谐波失真。其中之一就是使用有源电力滤波器。 |
B.有源电力滤波器(APF) |
| 抑制配电系统谐波失真的主要方法是无源滤波和有源滤波。无源滤波是消除谐波失真的最简单的常规方法。无源元件的使用并不总是正确地响应配电系统的动态。无源滤波器会引起谐振，从而影响配电系统的稳定性。配电系统的频率变化和元件值的容差影响无源滤波特性。随着监管要求越来越严格，无源滤波器可能无法满足未来修订的特定标准。这可能需要对新的过滤器进行改造。 |
| 电力电子技术的显著进步激发了人们对有源电力滤波器(APF)的兴趣。主动滤波是一项相对较新的技术，实际上只有不到四十年的历史。有源滤波器的基本原理是利用电力电子技术产生特定的电流分量，抵消非线性负载引起的谐波电流分量。 |
| 有源滤波器与无源滤波器相比有许多优点。首先，它们不仅能抑制电源谐波，还能抑制无功电流。此外，与无源滤波器不同，它们不会与配电系统产生有害的共振。因此，有源滤波器的性能与配电系统性能无关。主动滤波是一项相对较新的技术，实际上只有不到四十年的历史。目前还需要进一步的研究和开发，以使这项技术得到完善。 |
C. APF的工作 |
| 图2.2显示了一个典型APF系统的组件及其连接。来自估计器的补偿参考信号驱动整个系统控制器。这反过来为门控信号发生器提供了控制。门控信号发生器的输出通过合适的接口[6]控制电源电路。 |
| 最后，广义方框图中的功率电路可以并联、串联或并联/串联配置，这取决于所使用的接口电感器/变压器。有源滤波器的一个不利但不可分割的特点是必须在有源滤波器的功率电路中快速切换大电流。 |
| 有源电力滤波器可以看作是电力系统谐波的补偿器。有源电力滤波器的工作主要由[7]三个级组成。它们是: |
| 1.信号调节 |
| 2.补偿信号的推导。 |
| 3.产生门控信号。 |
| 信号调理是指对配电网中的谐波进行检测或感应。如图2.2所示，控制器要处理的参考信号是保证有源滤波器正确工作的关键部件。 |
| 通过检测基本电压/电流信号来启动参考信号估计，以收集准确的系统变量信息。电力系统中的电压和电流变量是通过电位器、电流互感器、隔离放大器等来检测的。所测电压变量为交流源电压、有源滤波器直流母线电压、接口变压器电压。典型的电流变量有负载电流、交流源电流、补偿电流和有源滤波器的直流链路电流。基于这些系统变量反馈，在频域或时域估计电压/电流电平的参考信号。 |
| 下一阶段是由包含基波和谐波成分的中断波推导补偿信号。有两种不同的方法:频域法和时域法。频域方法采用傅里叶变换方法。而时域方法则采用了瞬时无功功率定理、同步参考系定理、同步检测定理、正弦乘法定理、陷波滤波器等方法。 |
| 第三阶段是产生抑制谐波的门控信号。因此，空间矢量PWM、重复控制、滞后电流控制、单周期控制、死拍控制、滑模控制、模糊控制和人工神经网络方法等控制技术被引入并应用于各种配置的有源电力滤波器。有源滤波器总框图中的门控信号发生器就是用于此目的的。 |
D. APF的分类 |
| APF可以连接在图2.3所示的框图中所示的几种功率电路配置中。一般分为三大类，即分流型有源滤波器、串联型有源滤波器和混合型有源滤波器[6][8]。 |
| 1)并联型有源电力滤波器 |
| 这类过滤器配置是主动过滤应用程序中最重要和最广泛使用的类型。与主电源电路连接，如图2.4单线图所示。 |
| 目的是消除输入到电源的负载电流谐波。如上所述，它还可以用于无功补偿和三相电流平衡。并联滤波器的优点是只携带补偿电流加上少量有源基波电流来补偿系统损耗。也可以并联连接几个滤波器以获得更高的电流，这使得这种类型的电路适用于广泛的额定功率。 |
| 2)系列有源电力滤波器 |
| 该配置中的有源滤波器产生PWM电压波形，该电压波形在瞬时基础上与电源电压进行加减，以在负载上保持纯正弦电压波形。主电源电路配置如图2.5所示。 |
| 伴随这种系统的逆变器配置是没有任何电流控制回路的电压馈电逆变器。串联有源滤波器在工业上不如并联有源滤波器普遍。这是因为串联电路的主要缺点，即它们必须处理高负载电流，与并联滤波器相比，这大大增加了它们的额定电流，特别是在耦合变压器的二次侧。 |
| 串联滤波器相对于并联滤波器的主要优点是，它们是消除电压波形谐波和平衡三相电压的理想选择。这实际上意味着，这类滤波器是用来改善系统电压的质量，以造福于负载。它为负载提供纯正弦波形，这对电压敏感器件很重要。 |
| 3)混合有源电力滤波器 |
| 混合有源滤波器可以克服传统有源滤波器的技术限制。它们通常是基本有源滤波器和无源滤波器的组合。混合apf继承了无源滤波器和apf的优点，提供了更好的性能和成本效益的解决方案。该方案的思想是同时降低开关噪声和电磁干扰。 |
| 混合有源滤波器的思想是由许多研究者提出的。该方案在传统有源滤波器的基础上，采用了低成本的无源高通滤波器(HPF)。谐波滤波任务在两个滤波器之间进行分配。有源滤波器消除低阶谐波，而高阶滤波器过滤高阶谐波。因此，混合有源滤波器的主要目标是提高高阶谐波的滤波性能，同时提供经济有效的低阶谐波抑制。 |
| 目前电子工业中使用的各种混合式有源滤波器，其中最突出的两种如图2.6所示。图2.6 (a)是混合分流APF的系统配置。并联型有源滤波器和无源滤波器均与非线性负载并联。混合式有源滤波器的功能可分为两部分:低阶谐波由并联有源滤波器抵消，高频谐波由无源高频滤波器滤波。这种拓扑结构适用于现有分流型有源滤波器的改造应用。 |
| 图2.6(b)显示了混合式串联有源滤波器的系统配置，串联有源滤波器通过接口变压器[4]耦合到配电线路上。并联无源滤波器由一个或多个单调谐LC滤波器和/或一个HPF组成。 |
参考信号估计技术 |
| 有源滤波器的软件部分(在DSP实现的情况下)讨论最多的是谐波检测方法。简而言之，它表示通过使用特殊的数学算法从输入信号(可以是电压、电流或两者都是)中确定特定信号属性的部分。 |
| 针对谐波检测出现了不同的算法，在检测精度、检测速度、滤波稳定性、易于实现、成本低廉等方面引起了科学界的广泛争论。这些方法的分类可以相对于开发数学模型的领域来完成。因此，本文介绍了时域方法和频域方法两个主要方向。 |
| 表3.1说明了考虑的参考信号估计技术[9]。它们不能被认为属于控制循环，因为它们通过为控制器提供进一步处理所需的参考来执行独立的任务。本节介绍了所考虑的参考信号估计技术，并对每种技术的基本特征进行了简要描述。 |
A.频域法 |
| 频域参考信号估计既适用于单相系统，也适用于三相系统。它们主要是由傅里叶分析原理推导出来的。 |
| 原则上，傅里叶变换(常规或快速傅里叶变换(FFT))应用于捕获的电压/电流信号。捕获的电压/电流信号的谐波分量首先通过消除基本分量来分离。然后应用傅里叶反变换对补偿参考信号进行时域估计。 |
| 这种技术的主要缺点是在系统变量采样和傅里叶系数计算中伴随的时间延迟。这使得具有动态变化负载的实时应用程序不切实际。因此，这种技术只适用于缓慢变化的负载条件。为了使计算速度更快，后来提出了一些改进并付诸实践。在这种改进的傅里叶级数格式中，只计算了电流的基波分量，从而将总谐波信号从采样的负载电流波形中分离出来。 |
B.时域方法 |
| 时域方法是基于从畸变和谐波污染的电压和电流信号中瞬时估计电压或电流信号形式的参考信号。这些方法均适用于单相系统和三相系统，但同步检测定理和同步参考系定理仅适用于三相系统[9]。 |
| 1)瞬时功率理论 |
| 瞬时功率理论(及其变体)从三相系统的瞬时功率计算中确定谐波失真，这是电流和电压的瞬时值的乘法。计算可在αβ坐标下进行，如下式所示。 |
 (1） |
| 瞬时功率p和q的值分别为实虚功率，包含dc和ac分量，这取决于系统中现有的有功功率、无功功率和畸变功率。p和q的直流分量代表有功功率和无功功率，必须用高通滤波器(切割频率在5hz - 35hz之间)去除，以仅保留交流信号。根据瞬时无功功率理论，将p和q分别分解为瞬时实功率和虚功率。计算回abc坐标系的交流分量表示谐波失真，作为电流控制器的参考。数值滤波器的存在对整个有源滤波器[9][11]的动态和精度也有影响。 |
| 如果系统由于存在不平衡而出现零序列分量，则此方框图中的计算可能会受到影响。因此，还必须添加p0分量以提供完整的分析。基于相同原理的其他技术改进了不同的其他特性，如取消中性电流，最小化能量存储元件，对输入电压进行预处理以保持仅为正序列。 |
| 2)同步dq帧 |
| 同步基频dq坐标系是由输入信号的空间矢量变换而来，最初在传感器的abc坐标系(平稳参考系)中实现，然后通过Park变换(下式)转换为dq坐标系(基频旋转参考系)。这里dq坐标系以基本角频率旋转。在这个坐标系中，基电流表现为直流分量，谐波表现为交流信号[9][12]。 |
| 设id, iq, ia, ib, ic分别为dq坐标系和abc坐标系中的电流;θ是参考角。那么，id和iq可以表示如下图所示， |
 （2） |
| 三相系统的有功分量和无功分量分别用直接分量和正交分量表示。在该定理中，基分量转化为直流分量，通过滤波可以很容易地分离出来。因此，谐波的检测变成了用高通滤波器去除直流信号的问题(切割频率在25 Hz - 120 Hz之间)。 |
| 这个定理只适用于三相系统。由于控制器主要处理直流电量，因此系统非常稳定。计算是瞬时的，但在滤波直流量时会引起时间延迟。 |
有源电力滤波器控制技术 |
| 有源滤波器控制的目的是根据估计的补偿参考信号为开关晶体管产生合适的门控信号。控制技术的选择对有源滤波器的性能影响很大。因此，控制技术的选择和实现对于获得满意的有源滤波器性能非常重要。针对有源滤波器的应用，实现了线性控制、数字无差拍控制、迟滞控制等多种控制技术。本节简要介绍所考虑的控制技术及其基本特征。 |
A.线性控制技术 |
| 有源滤波器的线性控制采用负反馈系统，如图4.1(a)[4]所示。在该控制方案中，补偿电流(if)或电压(vf)信号通过补偿误差放大器与其估计的参考信号(ifref或vfref)进行比较，产生控制信号。 |
| 然后通过脉宽调制(PWM)控制器将得到的控制信号与锯齿信号进行比较，从而为开关晶体管产生适当的门控信号。重复锯齿信号的频率决定开关频率。在线性控制技术中，该频率保持恒定。如图4.1 (b)所示，当控制信号的数值高于锯齿信号时，门控信号被设置为高值，反之亦然。 |
| 通常，利用奈奎斯特稳定性判据和波德图来确定反馈回路中所需稳态响应和瞬态响应的适当补偿。采用模拟PWM电路，响应速度快，实现简单。然而，由于模拟电路固有的问题，线性控制技术的谐波补偿性能并不理想。这主要是由于补偿误差放大器的可达到带宽的限制。 |
B.滞后控制技术 |
| 利用滞后控制技术可以实现有源滤波器的控制。它施加了一种砰砰式的瞬时控制，迫使APF补偿电流(if)或电压(vf)信号在一定的公差带内跟随其估计的参考信号(ifref或vfref)。该控制方案以框图形式如图4.2所示。在该控制方案中，设计了一个信号偏差(H)，并对ifref或vfref施加信号偏差(H)，以形成迟滞带的上下限。然后测量if或vf，并与ifref或vfref进行比较;所产生的误差受滞后控制器影响，以确定当超过(估计参考信号+ H/2)或(估计参考信号- H/2)设置的上限或下限时的门控信号。只要误差在滞后带内，就不采取开关动作。当错误到达迟滞带时，就会发生切换。 |
| 因此，APF的开关方式是将峰峰间补偿电流/电压信号限制在由H决定的指定频带内，如图4.2 (a)所示。采用固定H的磁滞电流控制器[4]是比较流行的。为了获得开关波纹尽可能小的补偿电流(if)，可以降低H的值。但它会导致开关频率升高和开关晶体管损耗增加。采用迟滞电流控制器的优点是具有良好的动态性能和在指定迟滞带内峰值电流纹波的可控性。其主要缺点是开关频率不均匀。因此，被动高功率滤波器的设计出现了困难。此外，配电系统还可能产生不必要的共振;不规律的开关也影响有源滤波器的效率和可靠性。 |
结论 |
| 在现代电力供配电系统中，引起谐波干扰的单相和三相非线性负荷的使用急剧增加。有源电力滤波器是一种新兴的谐波消除设备。首先利用传感器检测电力线路的谐波干扰，然后利用参考信号估计技术将谐波波形从基本正弦波中分离出来。然后使用任意一种控制信号生成方案生成用于控制目的的PWM信号。因此，有源滤波器为消除谐波提供了较好的控制方法。 |
| 本文首先简要讨论了谐波失真问题及其对电力系统的影响。然后对有源电力滤波器中常用的谐波检测和控制信号产生方法进行了评价。对这项工作的回顾和分类表明，人们对有源滤波器和相关控制方法的兴趣显著增加。控制电路只占有源滤波器总成本的很小一部分。这是由于人们越来越关注电力质量和合适的电源开关设备的可用性。 |
表格一览 |
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| 表1 |
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数字一览 |
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| 图1 |
图2 |
图3 |
图4 |
图5 |
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| 图6 |
图7 |
图8 |
图9 |
图10 |
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参考文献 |
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