有源滤波器在改善电能质量方面的应用

1引言

电力负载向复杂和多样性的方向发展，特别是非线性负载的日益广泛的应用，电能质量有明显恶化的趋势。它与工业生产水平的不断提高对电能质量的要求越来越高的需求之间的矛盾日渐突出，另一方面，目前电力系统的可控性普遍较差，实现灵活、有效的电能控制还较为困难。近年来，电力电子技术的长足发展，利用大功率开关器件、高速计算机技术实现为电能的控制和改善电能质量提供了可能。电力电子技术在电力系统中的应用是电力系统可控化和电力电子装置大功率化发展的必然趋势。

电能质量涉及的范围很广，主要包括:基波无功、高次谐波、低频闪变、电压跌落、频率偏移、尖峰电压、EMI等，还包括对潮流、保护、援助等的有效控制。常见的电能质量问题的现象如图1所示(1-8)。

电能质量的每个方面都应包含在FACTS(柔性交流输电系统)这一概念中(1,8,12,13)。它最初由美国电力科学研究院(EPRI)于80年代末提出，即在输电系统中，利用电力电子技术(包括功率开关、高速计算、控制等)对电力系统的重要参数:如无功、谐波、电压幅度、相间对称度、频率、电抗和功率流等进行调整和控制。FACTS系统将在功率潮流控制、负荷率、紧急功率支援、安全与故障控制、新型电力市场等方面发挥重要作用。

目前，电力电子在电力系统中的应用主要有:SVC/SVG(静态无功补偿/发生)、TCSC(晶闸管控制切换电容)、APF(有源电力滤波)、PFC(功率因素校正)、EMC(电磁兼容)、HVDC(高压直流输电)、洁净/分布式能源、APLC/PLC(有源/电力线路调整)、UAPLC(多功能电力线路调整)、无触点保护等。鉴于有源滤波功能的广泛性，本文仅就有源滤波在电能质量中的部分应用作简单介绍。但所讨论的方法，适用于其它电能质量问题的应用。

顾名思义，“滤波”是针对谐波而言的，但有源滤波(APF)在FACTS家族中具有广义性。首先，有源滤波具有多功能性，或者说电能质量的许多问题均可通过不同的控制手段由有源滤波装置来解决。如谐波抑制、无功补偿、相间对称校正等。其次，在时域和频域分解的观点上，电能质量的诸多问题与谐波是统一的，仅作用频率不同，如:基波频率整数倍的分量为通常意义上的谐波;分数倍、非整数倍分量分别称为闪变、间谐波;而基波无功、非周期量可以分别看成是频率为系统频率和零频率的分量等。第三，诸多电能质量问题的治理与谐波治理是不可分割的，如SVC/SVG设备如果采用相控方式，本身就会产生大量谐波，在实际系统中，仅考虑无功补偿可能因谐波而导致系统不稳定(谐振);此外，SVC/SVG、PFC和PLC等与APF均具有FACTS单元的本质，因而，APF还广泛地被称为AF(Active Filter)、APLC/PLC、APQC(有源电能质量控制)、IRPC(瞬时无功补偿)等(1,8,15)。

2有源电力谐波抑制(APF)

2.1谐波问题及其危害

中大功率电力电子装置，如调速系统、感应加热、整流设备、电弧炉、开关电源等的大量应用，给电网引入大量谐波。这对供电系统及其它设备产生不良影响,甚至可能造成电力系统瘫痪。

1989年3月，由于磁暴，加拿大魁北克系统中地磁感应电流导致系统主变饱和并产生大量谐波，造成SVC电容器组过载，SVC保护动作，系统增加了无功需求，系统电压失稳，继而导致整个魁北克系统的崩溃的大事故。1991年，在意大利阿尔俾斯山地区，发生两次类似电力事故。一次是在一个2MW直流驱动的双缆滑雪缆道工程的验收测试时，引起电网瘫痪，直到一个12脉整流配电系统启用才恢复正常。原因是:当地20kV的电网容量相对较小，谐波电流引起18%的电网电压畸变。在美国，中西部电网也曾有过负载为谐波含量较高的调速系统虽没有超过额定容量，仍引起主变失败的报道。

上面列举的这些电力系统安全事故表明，谐波的危害是不可忽视的。谐波的危害主要有:

①消耗无功、增加线路损耗;

②是激励源，在一定条件下，可能使系统产生谐振;

③降低设备绝缘等级、加速绝缘老化;

④使电机产生附加力矩及损耗、影响计量准确度;

⑤对通信系统(包括计算机网络)产生电磁干扰(EMI)等;

⑥影响继电保护等装置的可靠运行;威胁用电设备及电网安全。

在我国，虽然目前电力电子装置的应用不如发达国家普及，但因感应加热装置、电弧炉、变频器的谐波引起电网严重污染，无法多台设备同网应用，测试仪器及计算机网络在现场无法正常运行的事例也屡见不鲜。这一存在于电力系统的污染，随着精细用电要求的迅速发展势必会变得日益严重。据报道，我国发电量仍有10%左右尚未得到充分利用，线路的损耗高达20%，加之电网波动而不得不采用裕量设计，系统效率较低，存在着很大的节能潜力。

图2、图3分别为