基于瞬时无功理论实现的有源电力滤波器设计与仿真文献综述

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文献综述

一、课题背景及意义

随着科学技术的发展,现代电力系统用电负荷的结构发生了重大的改变,各种电力电子装置广泛应用,由于它们冲击性、非线性以及不平衡的用电特性,会向公用电网中注入了大量谐波,导致电网污染越来越严重，使用电设备所处的环境恶化，造成供电质量严重下降。同时,电网中大部分负载的功率因数较低,这也给电网带来了额外负担。近三四十年来，随着电力电子设备的迅速普及,谐波已经成为污染电力系统的严重公害之一,谐波危害的严重性已经受到人们广泛关注。当下，如何治理谐波污染，最大限度减小电网的谐波危害，已经成为电力电子技术、电气技术及电力系统研究领域所面临的重大课题。

国际上公认的谐波含义为：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。传统同步发电机输出电压波形一般可认为是标准正弦波。但当电网中负载为非线性时，谐波会在电流中出现，使电流波形发生畸变。谐波主要来源于三个方面：发电质量不高产生谐波；输电网产生的谐波；用电设备产生的谐波。谐波对公用电网和其他系统的危害主要有以下几个方面：

（1）谐波可使电网中的设备产生大量损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，由于大量三次谐波的存在会导致线路过热甚至发生火灾。

（2）谐波可使电气设备无法正常工作，缩短使用寿命。谐波会使变压器局部过热;使电机产生噪声、机械振动和过电压。谐波还会造成电缆、电容器等绝缘老化、设备过热、寿命缩短甚至损坏。

（3）高次谐波可引起电力系统局部并联和串联谐振，放大谐波，使电容器出现过电流与过负荷，温度增高，寿命减少。

（4）谐波会导致自动装置和继电保护误动作,会使电气测量仪表计量失准，产生误差。

（5）谐波不仅会对电网设备及负荷产生危害，还会对通信系统和计算机系统产生较大影响。轻者产生噪声，降低通话的清晰度，重者导致信息丢失，使通信系统和计算机系统无法正常工作。

故此，世界各国都对谐波问题予以充分的关注,这就迫使我们对谐波问题进行更有效的研究,以治理谐波污染、改善供电质量。

有关谐波的研究主要有四个方面：（1）谐波的产生、危害及影响分析；（2）与谐波有关的功率理论的研究；（3）与谐波有关的测量问题和限制谐波标准的研究；（4）谐波的补偿和抑制技术。其中，最主要是研究谐波的补偿和抑制技术。

二、国内外有关有源电力滤波器的研究现状

解决谐波污染问题有两种基本思路:一是改造电力电子装置,使其控制功率因数接近1,即少产生或不产生谐波,该方法适用于谐波源是电力电子装置的环境,如增加整流相数、采用多重化拓扑结构、采用先进的控制技术等；二是装设谐波补偿装置对谐波进行补偿,这对所有谐波源都是有效的。

装设谐波补偿装置的谐波抑制技术，主要的研究方向是有源滤波器技术。传统的谐波补偿方法是采用LC调谐滤波器，它是由电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置，与谐波源并联，起旁路谐波的作用，还可兼顾无功补偿的需要。LC调谐滤波器具有结构简单、设备投资少、运行费用较低等优点。但这种方法有如下缺点：滤波效果受滤波器参数影响较大，只能补偿固定频率的谐波，且只能滤除可通过低阻通路的谐波；当电流中谐波分量过大时，会造成无源滤波器负载过重；它的补偿特性易受电网阻抗和运行状态的影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波过大，使LC滤波器过载甚至烧毁；不能动态跟踪谐波和无功功率补偿，补偿效果不太理想。目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器。

有源电力滤波器是一种新型主动抑制谐波和补偿无功的电力电子补偿装置,具有较好的动态性能,可以弥补传统无源滤波器补偿方法的不足。它的工作原理是利用可关断电力电子器件从补偿对象中检测出谐波电流，通过产生与电流中谐波分量大小相等、反相的谐波电流来消除谐波电流。有源电力滤波器能对幅值和频率都变化的谐波进行跟踪补偿,且电网阻抗不影响其补偿特性。有源电力滤波器具有快速响应和高度可控性,并具有的如下优点：

（1）滤波次数为2-50次谐波及间谐波，滤波范围很广；

（2）能对幅值和频率都变化的谐波电流进行跟踪补偿,频率宽且动态响应速度快；

（3）电网频率发生变化,它也能准确的跟踪频率变化进行有效的补偿；

（4）对谐波进行补偿时,不需要很大的贮能元件；

（5）不会轻易发生并联或串联谐振,受电网阻抗影响不大；

（6）补偿谐波电流过大时，有源滤波器也不会过载，补偿效果良好；

（7）可同时补偿谐波和无功功率,消除负序功率,调节和平衡三相不平衡电；

（8）既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可多台组合以扩充容量。

有源电力滤波器由交流环节和直流环节组成，交流环节与系统相连接，先将系统的交流电能经变流器转换成直流并保存在直流侧的储能器内，同时直流侧的电压电流经过变流器变成交流电压电流输送到系统。有源电力滤波器是目前唯一能够全面动态补偿谐波功率的补偿装置。

有源电力滤波器的分类方法有很多。从使用的主电路形式来看，APF的主电路分为电压型和电流型，目前实用的装置90%以上为电压型。从拓扑结构或与补偿对象的连接方式来看，有源电力滤波器可分为并联型、串联型和串并联型以及有源电力滤波器与无源LC滤波器混合使用的混合型。一般说来，并联型APF适合补偿直流侧电感滤波的整流电路，即电流型谐波型；串联型APF适合补偿直流侧电容滤波的整流电路，即电压型谐波型；混合型APF有源滤波部分功率相对比较小，但总的体积大。混合型优点在于适合大容量补偿，缺点是系统安装比较复杂，同时用户担心APF的可靠性会造成系统停电。

瞬时无功功率理论是当前在谐波和无功电流检测领域应用最为广泛的方法。该方法与有源电力滤波器联合使用，可实时检测出电路中的谐波电流、无功电流等分量。

有源电力滤波器作为改善供电质量的一项关键技术，在日本、美国等工业化国家已得到高度重视和日益广泛应用，从使用的情况来看，其发展趋势如下：

a)为了实现对高次谐波的有效补偿，就需要开关器件工作在较高的频率。

b)大功率补偿装置往往从经济角度考虑，采用与LC滤波器混合使用的方法。

c)近年来，日本投入运行的APF中控制装置大多基于瞬时空间矢量理论。但由于电力系统及补偿器的非线性多变量特点，以及APF广阔的应用前景，研究新的互不干扰的多变量控制方式己成为当务之急。

相比较国外,我国在有源滤波方面起步较晚，与发达国家有一定的差距，目前有源电力滤波技术还处在实验阶段。

三、发展前景

随着大功率电力电子器件技术的高速发展，未来的功率器件容量将逐步提高，研究有源电力滤波器具有重要意义。从目前的研究现状和应用水平来看,有源电力滤波将有以下的发展趋势:(l)采用PWM调制技术以及可提高开关器件等效开关频率的多重化技术对高次谐波进行补偿。(2)对于大功率滤波装置,可以通过采用LC无源滤波器和有源电力滤波器并联使用的混合型滤波器装置,以达到降低有源电力滤波器的容量、减少成本的目的。但随着电力电子技术的不断发展,以及半导体制造工艺的逐渐成熟,电力电子器件的价格必然下降,尤其是IGBT的广泛应用,混合型有源滤波器在成本上的优势将逐渐消失,而串一并联型有源电力滤波器由于性价比高、功能全面的优点,将在工业上得到广泛的应用。(3)降低有源电力滤波器的损耗。

目前，提高系统的可靠性方面研究:采用适当的吸收电路以及选择合适的开关频率,以提高滤波装置使用效率；采用过电压、过电流保护技术和故障诊断技术以使系统稳定可靠等都是有待发展的方向。有源电力滤波器作为抑制谐波、改善电能质量的关键技术,其开发和应用将得到全世界的重视。

随着我国经济的迅速发展,对电能质量的要求越来越高,传统的无源滤波已经无法满足要求,这就需要对有源电力滤波器进行深入的研究与应用。随着我国改善电能质量工作的深入开展,利用有源电力滤波器进行谐波治理将会具有巨大的市场应用潜力,而有源滤波技术必将得到广泛的应用。

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