1  引言

　　隨著電力電子(PE)技術(shù)的飛速發(fā)展,，人們對電力系統(tǒng)供電的可靠性,、安全性以及電能的質(zhì)量,，提出了越來越高的要求。然而,，電網(wǎng)中存在包括化工,、冶金、煤礦及家用電器等大量非線性負(fù)荷與沖擊負(fù)荷,，尤其是大功率變流設(shè)備,、晶閘管整流裝置、電弧爐等負(fù)荷,，導(dǎo)致電網(wǎng)中暫態(tài)沖擊,、無功功率、高次諧波及三相不平衡等問題日趨嚴(yán)重,，對電網(wǎng)造成污染,，增大能量損耗，劣化供電質(zhì)量,，不利于電力系統(tǒng)發(fā),、供、用電設(shè)備的安全,、經(jīng)濟(jì)運行,。特別是高次諧波的干擾，已構(gòu)成當(dāng)前電網(wǎng)中影響電能質(zhì)量的一大“公害”,。因此,，解決電力系統(tǒng)諧波抑制及無功補償、確保供電的質(zhì)量,，已成為大家關(guān)注的熱門課題,。

　　2  高次諧波的危害及現(xiàn)代控制系統(tǒng)的要求

　　電力系統(tǒng)中三相交流發(fā)電機輸出的電壓，其波形基本為正弦波,，即波形中近似無直流及高次諧波分量,。就基波而言是對稱分量，三相向量之和為零,，對外不形成電磁場。但諧波電流分量則因三相向量之和不為零,，能形成較強的磁場,，對電網(wǎng)產(chǎn)生各種有害的影響。

　　2.1 對電能質(zhì)量的影響

　　非線性負(fù)荷是諧波源,，向電網(wǎng)注入整倍數(shù)于基波頻率的諧波電流分量,。這些諧波電流在電網(wǎng)上產(chǎn)生諧波壓降，從而引起電網(wǎng)電壓和電流的波形畸變,，導(dǎo)致電能質(zhì)量的劣化,。

　　2.2 對配電網(wǎng)的影響

　　在有色金屬導(dǎo)體中,，基波電流的分布可近似認(rèn)為在整個截面內(nèi)是均勻的。通過諧波電流時,，由于集膚效應(yīng)電流集中在導(dǎo)體表面薄層,，增大了諧波電流回路的電阻，使導(dǎo)體的有效電阻增加,，導(dǎo)致電網(wǎng)的功率損耗和能量損耗加大,。高次諧波還可能使電力系統(tǒng)發(fā)生電壓諧振，從而在線路上引起高電壓,，有可能擊穿線路設(shè)備的絕緣,。

　　2.3 對電力系統(tǒng)功率因數(shù)的影響

　　由于設(shè)備實際的功率因數(shù)小于設(shè)備在理想條件下的功率因數(shù)，故高次諧波增加了用電設(shè)備消耗的功率,，降低了系統(tǒng)的功率因數(shù),。

　　2.4 變頻調(diào)速系統(tǒng)的要求

　　變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)的變頻器，因具有高效節(jié)能的特點而成為交流傳動中的重要組成部分,，但變頻器的整流橋?qū)﹄娋W(wǎng)來說是非線性負(fù)荷,，其逆變器又大多采用PWM技術(shù)，當(dāng)工作于開關(guān)模式并作高速切換時會產(chǎn)生大量的耦合性噪聲,，EMI嚴(yán)重,，致使變頻器運行于惡劣的電磁環(huán)境，其輸入和輸出側(cè)的電壓,、電流含較多的高次諧波,。故變頻器運行時既要防止外界干擾它，又要防止它干擾外界,，即實現(xiàn)所謂的電磁兼容性(EMC),。

　　2.5 現(xiàn)代交流電機控制系統(tǒng)的要求

　　隨著新的PE變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)，要求的計算量和控制功能大幅度增加,。隨著PE裝置高壓大容量化的發(fā)展,，DSP(數(shù)字信號處理器)控制技術(shù)的應(yīng)用將愈益廣泛。然而,，PE系統(tǒng)和電機控制系統(tǒng)的電磁環(huán)境往往較為復(fù)雜,，且因運行頻率很高，DSP的抗干擾能力通常比微處理器更弱,。因此,，提高DSP及周邊電路的抗干擾能力，對于保證系統(tǒng)的可靠運行密切相關(guān),，電網(wǎng)的“凈化”是現(xiàn)代PE系統(tǒng)及交流電機控制系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)用的重要前提,。

　　3  抑制高次諧波的主要指標(biāo)

　　3.1 加裝交流濾波裝置(無源濾波器)

　　在配電系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法是將無源電力濾波器與需補償?shù)姆蔷€性負(fù)荷并聯(lián),，為諧波提供一個低阻通路的同時,，也提供負(fù)載所需的無功功率,，這是最常見和實用的方法。該裝置利用電感和電容器貯能元件,。根據(jù)諧振原理,，通過濾波電路對需要消除的高次諧波進(jìn)行調(diào)諧，使之發(fā)生諧振,。以便其在諧振時得到阻抗最小的特性,，有效消除指定次數(shù)的諧波，并在諧波源附件就地吸收諧波電流,，從而不使其注入電網(wǎng)中去,。該裝置的優(yōu)點是投資少、效率高,、結(jié)構(gòu)簡單,。運行可靠及維護(hù)方便，運行費用也低,，不但起到濾波作用,，還能進(jìn)行無功補償。因此,，無源濾波器是目前廣泛采用的抑制諧波及無功補償?shù)闹匾侄?。但該方法的補償特性受電網(wǎng)阻抗、頻率和運行工況的影響,，只能起到對某幾次固定頻率諧波的抑制效果,，而很可能對其它次諧波有放大作用，使濾波器過載甚至燒毀,。另外,，LC濾波電路會因系統(tǒng)阻抗參數(shù)變化而產(chǎn)生與系統(tǒng)并聯(lián)諧振問題，影響和后果嚴(yán)重,。

　　3.2 有源電力濾波器的應(yīng)用

　　APF是一種新型可動態(tài)抑制諧波的PE裝置,。其濾波方式為:先從補償對象中檢測出諧波電流，再利用可控的功率半導(dǎo)體器件(補償裝置)向電網(wǎng)注入與諧波源諧波分量(I或U)幅值相等,、相位相反的諧波分量(I或U),，使電源的總諧波為零，達(dá)到實時補償諧波的目的,。經(jīng)經(jīng)驗證明,，APF是抑制諧波和補償無功的理想和靈活的可行方案，下面予以重點介紹,。

　　4  有源電力濾波器(APF)

　　APF是抑制電網(wǎng)諧波和補償無功功率、改善電網(wǎng)供電質(zhì)量的最有效PE裝置,。大多數(shù)APF拓?fù)渚秒妷涸茨孀兤?，并通常以電容器作為貯能器件如圖1所示,。以適當(dāng)選通可控的功率半導(dǎo)體開關(guān)，把直流電壓變換成交流電壓,。雖然,，為合成交流電壓能施加每半周的單脈沖，但對大部分應(yīng)用中要求的動態(tài)性能,，今天普遍采用的是脈寬調(diào)制(PWM),。

圖1 電壓源逆變器的APF拓?fù)?/p>

　　為產(chǎn)生任意波形的交流電壓，將PWM技術(shù)應(yīng)用到直流母線電壓斬波的電壓源逆變器上?，F(xiàn)有很多能組成正弦波或任意波形的PWM技術(shù),，利用PWM技術(shù)，不僅允許控制逆變器作為電壓源,，也可作為電流源以控制濾波器的交流輸出,。圖2為所利用的最普通的三角載波(TC)技術(shù)，這是最簡單的線性控制方法,，是將有固定幅值的和固定三角波的輸出電流誤差進(jìn)行比較,。迫使開關(guān)周期內(nèi)的輸出電壓Va限定于Vcar的載波周期內(nèi)，并等于調(diào)制波Varef的平均幅值,。正弦調(diào)制波的合成電壓含正弦基波分量Va(f)和不希望的諧波分量,，利用盡可能高的頻率載波，可使這些不想要的諧波成分減到最小,，但這取決于半導(dǎo)體功率器件(IGBT,、 GTO或IGCT)的最大開關(guān)頻率。

圖2 PWM載波技術(shù)(三角載波)

　　與傳統(tǒng)的無源LC濾波器相比,，APF具有以下優(yōu)點:

　　(1) 對各次諧波和分?jǐn)?shù)諧波均能有效抑制,，且可提高功率因數(shù);

　　(2) 作為高次諧波電流源，不受系統(tǒng)阻抗的影響;

　　(3) 無諧振現(xiàn)象,，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),、阻抗及頻率的變化不會影響補償效果;

　　(4) 原理上比LC濾波器更優(yōu)，起用1臺裝置就能完成各次諧波和基波無功的補償,，還可抑制閃變,，有1機多能的特點，性價比較合理;

　　(5)即使高次諧波的頻率變化也能準(zhǔn)確地補償;

　　(6)由于裝置本身能完成輸出限制,，故當(dāng)高次諧波量增大時也不會過載,。其主要特點是能對頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補償，且補償特性不受系統(tǒng)阻抗的影響,，具有自適應(yīng)功能,。同時對變化的無功功率有較好的預(yù)想補償效果。因此，APF是今后諧波抑制的首選方案,。

　　APF大體上可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型,，串聯(lián)型適合補償電壓型諧波源負(fù)荷;并聯(lián)型只適合補償電流型諧波源負(fù)荷。此外還有并聯(lián)和串聯(lián)組合的并－串結(jié)構(gòu),，而且在很多情況下還會與無源LC濾波器混合使用,，以取得更好的綜合效果。

　　4.1 并聯(lián)APF

　　圖3所示為并聯(lián)型APF產(chǎn)生的補償電流,，利用了電流源逆變器三種不同的調(diào)制技術(shù),，分別為周期采樣(PS)、三角載波(TC)和滯環(huán)控制(HB),。PS法是在固定(采樣)頻率的方波時鐘轉(zhuǎn)移時,，APF的功率晶體管開關(guān)動作。TC法利用一個三角波和高次諧波比較,，從而得到不同時刻逆變器的開關(guān)狀態(tài),。此法的響應(yīng)速度較快，但開關(guān)頻率不固定且較高,，產(chǎn)生噪音和較大的開關(guān)損耗與高頻失真,。HB法則是給定一個允許容差帶，只要高次諧波的大小超過這個容差帶,，逆變器開關(guān)動作,。但開關(guān)頻率、損耗及控制精度均受容差帶寬度的影響,，容差帶寬越小,，控制的精度越高。當(dāng)然,，開關(guān)頻率和開關(guān)損耗也加大了,。通常，HB可獲得較好的控制性能,，它兼有快速響應(yīng)和簡單易行的特點而被廣泛使用,。圖3顯示HB法是這一特定波形與應(yīng)用中最好的方法，但在要求正弦波形時,，TC法較優(yōu),。

圖3 不同調(diào)制技術(shù)下的電流波形

　　帶自控直流母線的并聯(lián)APF，有一類似于靜態(tài)補償器(STATCOM)的拓?fù)?，STATCOM是用于電力系統(tǒng)中補償無功功率的,。并聯(lián)的APF，以注入相等而反向的諧波電流對負(fù)荷電流的諧波進(jìn)行補償,。此時,，并聯(lián)APF是作為注入諧波分量的電流源而工作的,，諧波分量由負(fù)荷產(chǎn)生，但已移相180o,。圖4為并聯(lián) APF的接線圖,，圖5表示APF補償?shù)墓ぷ髟怼槟茌敵鰣D5所示濾波器電流波形的IF,，需要設(shè)置圖4中的控制電路，以便產(chǎn)生圖6所示的Vfab脈寬調(diào)制電壓圖,。

圖4 并聯(lián)型APF的拓?fù)?/p>

圖5 產(chǎn)生的濾波器電流用以補償負(fù)荷電流諧波

　　圖5中:is為電網(wǎng)電流;iL為負(fù)荷電流;iF為補償電流;iL＝基波分量iL1+高次諧波分量iLh+無功分量iLq,。

　　圖5中各電流滿足關(guān)系式:is=iF+iL，如果由APF提供的補償電流iF=-iLh-iLq,，則is=iL1,，即電網(wǎng)電流只含基波分量，起到濾波作用,。并聯(lián)型APF主要適用于電流型非線性負(fù)荷諧波電流的抵消以及補償無功和三相不平衡等,。

圖6 為補償負(fù)荷諧波的電流波形和PWM電壓

　　4.2 串聯(lián)APF

　　串聯(lián)型APF是從1980年未引用于電網(wǎng)的，它主要作為電壓調(diào)節(jié)器及電網(wǎng)與非線性負(fù)荷之間的諧波隔離器而工作的,。圖7為串聯(lián)APF的接線圖,，通過匹配變壓器將APF串聯(lián)于電源和負(fù)荷之間，以消除電壓諧波,、平衡或調(diào)正負(fù)荷的端電壓,，可確保用戶供電的電壓質(zhì)量，尤其適合于補償交流電源及小功率應(yīng)用中的電壓不平衡與電壓的下陷,。因不需能量貯備(蓄電池),，元器件的總定額較小，對UPS更為經(jīng)濟(jì)有效,。串聯(lián)APF注入與電源電壓串聯(lián)的電壓分量,，故可視為一可控的電壓源，補償負(fù)荷側(cè)的電壓下陷和上凸,。但串聯(lián)型APF損耗較大,，且各種保護(hù)電路也較復(fù)雜，故很少單獨使用,。經(jīng)常用它與無源LC濾波網(wǎng)絡(luò)組成混合型APF,。如圖 7所示，無源LC濾波器與負(fù)荷并聯(lián),，串聯(lián)型APF的工作如同一臺諧波隔離器,，迫使負(fù)荷電流諧波主要通過無源濾波器循環(huán)，而不經(jīng)過配電系統(tǒng),。此方案的優(yōu)點是:串聯(lián)APF的額定功率僅為負(fù)荷定額(KVA)的一小部分,，通常為5％,。但在電壓補償時，串聯(lián)APF的視在功率定額可能增加,。圖8是串聯(lián)濾波器為補償負(fù)荷側(cè)電壓諧波的工作原理圖,。串聯(lián)APF還可用于抗基波電壓的干擾。圖9所示為電源電壓偶然跌落時串聯(lián)APF所起的作用,。如圖8所示,，負(fù)荷電壓幾乎保持恒定，僅在電源電壓跌落的起始和最后瞬間,，出現(xiàn)了很小的不穩(wěn)定和振蕩,。

圖7 帶并聯(lián)無源濾波器的串聯(lián)型APF拓?fù)?/p>

圖8 用于補償電壓干擾的濾波器電壓

圖9 電源電壓干擾時，串聯(lián)APF的補償功能

　　4.3 串－并型APF

　　串－并型APF為串聯(lián)APF與并聯(lián)APF之組合,，圖10為其組合拓?fù)?。并?lián)APF配置在負(fù)荷側(cè)，能用于補償負(fù)荷諧波,，而串聯(lián)APF置于電源側(cè),，可起到諧波的阻隔過濾作用。該拓?fù)溆址Q為萬能APF或統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC),。串聯(lián)部分補償電源電壓諧波及電壓不平衡,，作為諧波的閉鎖過濾器，并抑制電力系統(tǒng)的振蕩,。并聯(lián)部分補償負(fù)荷電流諧波,、無功功率以及負(fù)荷電流的不平衡。此外,，它能調(diào)節(jié)直流線路的電容電壓,。由并聯(lián)部分提供或吸收的功率是串聯(lián)補償器所要求的功率及為補償損耗需要的功率。該類APF的主要問題是控制復(fù)雜,、造價高,。

圖10 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC)

　　4.4 利用多級逆變器的新拓?fù)?/strong>