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        有源電力濾波器的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)

        2009-06-29 02:50:18
        新媒體研究 2009年19期
        關(guān)鍵詞:檢測

        朱 念

        [摘要]詳細(xì)論述有源電力濾波器的發(fā)展以及發(fā)展到當(dāng)今的一些關(guān)鍵技術(shù)。

        [關(guān)鍵詞]諧波有源電力濾波器無功補償電流檢測

        中圖分類號:TM-9文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1 671—7597(2009)1010129—01

        一、引言

        隨著電力電子裝置和非線性負(fù)載的普遍使用,使諧波電流和無功電流大量注入電網(wǎng),嚴(yán)重威脅了電網(wǎng)和電氣設(shè)備的正常使用。我國僅由電能質(zhì)量問題造成的年電能損失就高達400多億元,對電力系統(tǒng)的諧波無功進行濾波和補償已成為現(xiàn)在的研究熱門。

        二、有源電力濾波器的發(fā)展

        目前,在電力系統(tǒng)中抑制或減少諧波主要從兩個方面進行:一方面是從產(chǎn)生諧波的諧波源裝置本身入手。但是由于諧波源的多樣性,要完全濾除諧波是根難實現(xiàn)的。第二個重要的方面就是研究對系統(tǒng)中的諧波進行有效濾波和補償?shù)姆椒ê痛胧?。主要采用無源濾波及有源濾波兩種方法對諧波進行治理。由于無源濾波器的設(shè)計大多針對特定頻率的諧波,只能濾除特定次數(shù)諧波,存在著與電網(wǎng)發(fā)生諧振的可能性。70年代以來,由此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的有源電力濾波器成為一個研究熱點。它是一種動態(tài)抑制諧波和補償無功的電力電子裝置,它能對頻率和大小都變化的諧波和無功進行補償,可以彌補無源濾波器的缺點,是一種理想的補償諧波裝置。

        1971年,h.sasaki和T.Machida首次完整地描述了有源電力濾波器的基本原理,但當(dāng)時是采用線性放大的方法產(chǎn)生補償電流,其損耗大,成本高,因而僅在實驗室研究,未能在工業(yè)中實用。1976年,1.gyugyl等人提出了用四象限PWM變流器構(gòu)成的有源電力濾波器,正式確立了有源濾波的概念,并提出了相應(yīng)的主電路基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法。其基本原理是通過向電網(wǎng)注入與原有諧波和無功電流大小相等方向相反的補償電流,使電網(wǎng)的總諧波和無功電流為零,從而達到凈化電網(wǎng)的目的。PWM變流器是一種理想的補償電流發(fā)生電路,但由于當(dāng)時電力電子技術(shù)的發(fā)展水平還不高,因而有源電力濾波器仍局限于實驗研究。70年代后半期沒有得到大的進展。1983年,日本長岡科技大學(xué)的akagth等人基于瞬時實功率p和瞬時虛功率q分解理論,提出了三相電路瞬時無功功率理論,為解決三相電力系統(tǒng)畸變電流的瞬時檢測提供了理論依據(jù)。與此同時新型電力電子器件的出現(xiàn)、PWM控制技術(shù)的發(fā)展以及瞬時無功功率理論的提出,極大地促進了有源電力濾波器技術(shù)的發(fā)展。1986年akagih,提出了并聯(lián)型APF單獨使用方式,它是最早期的有源濾波裝置。1987年takedam,等人提出用并聯(lián)型APF和并聯(lián)PF相結(jié)合的混合型APF。1994年,akagih,等提出一種將串聯(lián)型APF和并聯(lián)型APF進行混合的方式,也稱為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器。

        目前有源電力濾波器在美國、日本等發(fā)達工業(yè)國家已廣泛用于國民經(jīng)濟的各個生產(chǎn)部門,并且諧波補償?shù)拇螖?shù)逐步提高(典型值達25次),單機裝置的容量也逐步提高(APF的最大容量可達50mva),其應(yīng)用領(lǐng)域正從補償用戶自身的諧波向改善整個電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的方向發(fā)展。國內(nèi)有源濾波器的研制始于20世紀(jì)80年代中期,1989年華北電力科學(xué)研究所研制出中國第一臺有源濾波器。此外,西安交通大學(xué)、清華大學(xué)等高校也陸續(xù)有新產(chǎn)品通過試制。20世紀(jì)90年代末期,電力濾波器在我國開始實質(zhì)性應(yīng)用,20世紀(jì)初,電力濾波器開始逐漸普及。2006年,電力濾波器的發(fā)展開始加速,無源濾波器,組合濾波器,有源濾波器都已開始實際應(yīng)用。目前,國內(nèi)有源濾波器的技術(shù)和產(chǎn)品還不完善,時機應(yīng)用也不成熟。

        目前電力諧波器主要應(yīng)用的行業(yè)領(lǐng)域有:冶金行業(yè);化工及電解化行業(yè);機械行業(yè);金屬、紙類、塑料加工行業(yè);交通行業(yè)。汽車制造行業(yè)。2005年全球電力濾波器收入為4.167億美元,估計到2012年市場規(guī)模將達8.89億美元,年平均增長率在10%左右。

        從無功補償?shù)慕嵌瓤?,在我國每年新增的無功補償有7000Mvar左右,新增市場容量約為50億元人民幣,保守估算,電力諧波器占有其中10%的市場份額。那么每年因無功補償?shù)男枰娏V波器市場新增容量約為5億元人民幣,再加上專項諧波治理的需求,每年電力濾波器的市場總量大概在7-8億元人民幣,估計到2010年,電力濾波器的市場規(guī)模將達到10億元左右。

        三、有源電力濾波器的關(guān)鍵技術(shù)

        有源電力濾波器存在許多待解決的問題為:諧波理論的進一步研究;進一步降低補償裝置的容量(減小制造成本和損耗);控制系統(tǒng)的簡化和數(shù)字化(提高裝置的可靠性);電力系統(tǒng)諧波的精密檢測與控制技術(shù)。

        指令電流的檢測和補償電流的產(chǎn)生是有源電力濾波器的兩個關(guān)鍵技術(shù):電流的檢測是能檢測出基波有功電流、基波無功電流、基波負(fù)序電流、諧波電流以及任意次諧波電流等。諧波電流的檢測有以下幾種方法:

        (1)模擬濾波器:

        (2)基于Fryze傳統(tǒng)功率定義的諧波電流檢測法;

        (3)基于快速傅立葉變換(FFT)的諧波電流檢測方法;

        (4)基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測法;

        (5)基于FBD法的諧波電流檢測法;

        (6)自適應(yīng)諧波電流檢測法;

        (7)基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)諧波電流檢測方法。

        APF控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是根據(jù)電流檢測電路得到的指令電流信號,合理地控制逆變器開關(guān)器件的動作,使實際輸出補償電流能夠?qū)崟r跟隨指令電流。顯然,當(dāng)APF主電路結(jié)構(gòu)和電流檢測方法均已確定后,控制系統(tǒng)成為APF性能和效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。APF控制系統(tǒng)主要包括兩個方面:

        (1)APF出補償電流的控制;

        (2)APF直流母線電壓的控制。

        補償電流的產(chǎn)生通常采用基于PWM的電壓源逆變器,其電流控制方法主要有以下幾種;

        (1)滯環(huán)電流控制;

        (2)三角波調(diào)制控制;

        (3)空間矢量調(diào)制控制;

        (4)無差拍控制;

        (5)滑模變結(jié)構(gòu)控制;

        (6)單周控制;

        (7)預(yù)測控制。

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