KYAPF有源電力濾波器對電能質量的改善
1．引言
電力負載向複雜和多樣性的方向發展，特彆是非線性負載的日益廣泛的應用，電能質量有明顯惡化的趨勢。它與工業生產水平的不斷提高對電能質量的要求越來越高的需求之間的矛盾日漸突出，另一方麵，目前電力係統的可控性普遍較差，實現靈活、有效的電能控製還較為困難。近年來，電力電子技術的長足發展，利用大功率開關器件、高速計算機技術實現為電能的控製和改善電能質量提供了可能。電力電子技術在電力係統中的應用是電力係統可控化和電力電子裝置大功率化發展的必然趨勢。
電能質量涉及的範圍很廣，主要包括：基波無功、高次諧波、低頻閃變、電壓跌落、頻率偏移、尖峰電壓、EMI等，還包括對潮流、保護、援助等的有效控製。常見的電能質量問題的現象。
電能質量的每個方麵都應包含在FACTS（柔**流輸電係統）這一概念中（1，8，12，13）。它*初由美國電力科學研究院（EPRI）於80年代末提出，即在輸電係統中，利用電力電子技術（包括功率開關、高速計算、控製等）對電力係統的重要參數：如無功、諧波、電壓幅度、相間對稱度、頻率、電抗和功率流等進行調整和控製。FACTS係統將在功率潮流控製、負荷率、緊急功率支援、**與故障控製、新型電力市場等方麵發揮重要作用。
目前，電力電子在電力係統中的應用主要有：KYSVC、KYSVG（靜態無功補償裝置）、KYTCS（動態濾波補償裝置）、KYAPF（有源電力濾波器）、無觸點保護等。鑒於KYAPF有源電力濾波器功能的廣泛性，本文僅就KYAPF有源電力濾波器在電能質量中的部分應用作簡單介紹。但所討論的方法，適用於其它電能質量問題的應用。
顧名思義，“濾波”是針對諧波而言的，但有KYAPF有源電力濾波器在FACTS家族中具有廣義性。先，KYAPF有源電力濾波器具有多功能性，或者說電能質量的許多問題均可通過不同的控製手段由KYAPF有源電力濾波器來解決。如諧波抑製、無功補償、相間對稱校正等。其次，在時域和頻域分解的觀點上，電能質量的諸多問題與諧波是統一的，僅作用頻率不同，如：基波頻率整數倍的分量為通常意義上的諧波；分數倍、非整數倍分量分彆稱為閃變、間諧波；而基波無功、非周期量可以分彆看成是頻率為係統頻率和零頻率的分量等。第三，諸多電能質量問題的治理與諧波治理是不可分割的，如SVC／SVG設備如果采用相控方式，本身就會產生大量諧波，在實際係統中，僅考慮無功補償可能因諧波而導致係統不穩定（諧振）；此外，SVC／SVG與APF均具有FACTS單元的本質，因而，APF還廣泛地被稱為AF（ACTIVEFILTER）、APLC／PLC、APQC（有源電能質量控製）、IRPC（瞬時無功補償）等（1，8，15）。
2．KYAPF有源電力濾波器諧波抑製（APF）
2.1諧波問題及其危害
中大功率電力電子裝置，如調速係統、感應加熱、整流設備、電弧爐、開關電源等的大量應用，給電網引入大量諧波。這對供電係統及其它設備產生**影響，甚至可能造成電力係統癱瘓。
1989年3月，由於磁暴，加拿大魁北克係統中地磁感應電流導致係統主變飽和並產生大量諧波，造成SVC電容器組過載，SVC保護動作，係統增加了無功需求，係統電壓失穩，繼而導致整個魁北克係統的崩潰的大事故。1991年，在意大利阿爾俾斯山地區，發生兩次類似電力事故。一次是在一個2MW直流驅動的雙纜滑雪纜道工程的驗收測試時，引起電網癱瘓，直到一個12脈整流配電係統啟用才恢複正常。原因是：當地20KV的電網容量相對較小，諧波電流引起18％的電網電壓畸變。在美國，中西部電網也曾有過負載為諧波含量較高的調速係統雖冇有超過額定容量，仍引起主變失敗的報道。
上麵列舉的這些電力係統**事故表明，諧波的危害是不可忽視的。諧波的危害主要有：
①消耗無功、增加線路損耗；
②是激勵源，在一定條件下，可能使係統產生諧振；
③降低設備絕緣等級、加速絕緣老化；
④使電機產生附加力矩及損耗、影響計量準確度；
⑤對通信係統（包括計算機網絡）產生電磁乾擾（EMI）等；
⑥影響繼電保護等裝置的可靠運行；威脅用電設備及電網**。
在我國，雖然目前電力電子裝置的應用不如發達國家普及，但因感應加熱裝置、電弧爐、變頻器的諧波引起電網嚴重汙染，無法多台設備同網應用，測試儀器及計算機網絡在現場無法正常運行的事例也屢見不鮮。這一存在於電力係統的汙染，隨著精細用電要求的迅速發展勢必會變得日益嚴重。據報道，我國發電量仍有10％左右尚未得到充分利用，線路的損耗高達20％，加之電網波動而不得不采用裕量設計，係統效率較低，存在著很大的節能潛力。
工業變頻器和中頻感應加熱電源對電網具有嚴重的諧波汙染作用。其它非線性電氣設備同樣具有相似或其它特征的諧波汙染能力。
諧波對供電係統的危害已經引起了人們廣泛的重視。許多國家及地區已經製定了各自的諧波標準。我國也分彆於1984年及1993年通過了“電力係統諧波管理暫行規定”及GB／T－14549－93標準，用以限製供電係統及用電設備的諧波汙染（10，11）。
2.2諧波治理
對諧波治理，傳統的方法主要采用被動式的KYLB無源電力濾波器技術，相對於成熟的信號濾波它的主要區彆在於它要處理能量和濾波器阻抗的不匹配性。隨著電力電子、自動控製和高速計算機等技術的迅速發展，KYAPF有源電力濾波器成為電力係統諧波治理的主要方法。KYAPF有源電力濾波器通常要對電網和／或負載的諧波進行實時計算，通過不同的控製方案，利用高頻逆變器進行諧波功率放大後，將不同補償目的點的諧波電壓、諧波電流抑製到足夠小的水平。與KYLB無源電力濾波器相比，KYAPF有源電力濾波器具有下列優勢【1～8】：
①不會因製造誤差、設備老化、電網頻率變化造成濾波效果下降；
②不容易與電網產生諧振，而且具有諧振抑製作用，不會造成諧波放大；
③可以僅僅對諧波進行抑製而不引入大的無功，或兼有諧波補償和無功補償功能；
④適應於多種性質（阻、感、容性）的負載，並可利用現有無功補償設備容量；
⑤具有處理複雜頻譜諧波的能力。
2.3國內外APF研究和開發狀況
自80年代中期，發達國家在APF領域就取得係列進展。
並聯有源濾波器是*基本的有源濾波器拓撲。1986年，H。AKAGI提出用並聯KYAPF有源電力濾波器消除諧波。在這種裝置中APF相當於一個諧波電流發生器，它能自動跟蹤負載電流中的諧波分量，產生一個與之大小相等、相位相反的諧波電流，從而使電網側電流為正弦波。通過不同的控製、處理，該拓撲還可以對無功，不平衡等分量實現補償。
鑒於用戶對電力係統的電能質量日益苛刻的要求，而目前電力電子器件可控製的能量水平有限，與電力係統要求控製巨大能量之間存在著矛盾，各種不同的KYAPF有源電力濾波器方案和KYLB混合型有源電力濾波器成為現階段APF研究和應用的主流。
前者是針對係統和負載的特點及補償目的不同，采取相適應的結構和原理，以追求較好的單項性能。後者則是將APF和PPF相結合，共同達到良好的補償目的，同時又有效地減小了有源部分的容量。
混合有源濾波器的基本結構主要有：1987年TAKEDA等提出的並聯APF加並聯PPF的混合有源電力濾波器（HAPF）；1988年，F。Z。PENG等提出的串聯APF加並聯PPF的HAPF；1990年，H。FUJIT等提出的APF與PPF相串聯的HAPF；1994年，H。AKAGI等提出的串聯APF1和並聯APF2的HAPF等。
其中，F。Z。PENG的方案可以用較小容量的APF（典型值為補償功率的5～10％）對諧波呈現高阻抗，而對工頻呈低阻，它可以看成是一個電源和負載之間的諧波隔離裝置，電網的諧波電壓既不會加到負載和PPF上，而負載的諧波電流也不會流入電網。
在日本，迄今至少有500多台APF已在現場應用。其中，用GTO實現的APF（20MVA）於1990年用於電弧爐的諧波抑製；用SITH實現的VVVF諧波抑製的APF（200KVA）於1988年投入使用；用IGBT實現的100KVA的APF於1988年用於對建築物中的供電係統進行補償。據資料統計，在日本APF的應用領域可用圖6表示。
KYAPF有源電力濾波器在我國的應用需求廣泛存在於冶金、石化、水處理、電信和其他輕、重工業中（3－6）（13－16）。但目前除少數深受其害、又具有技術和經濟實力的企業外，廣大用戶對諧波存在、危害認識還比較缺乏。
實際上，有源濾波技術具有多種電能質量的改善作用，如：高次諧波的抑製、無功補償、防止諧振、不對稱補償、電壓跌落控製等。以下就其原理簡要加以說明。
一個補償係統可用一個三支路簡化結構圖說明，如圖7所示，即由電網側支路、負載側支路和並聯支路組成。圖8是一個稱為“統一（UNIFY）電能調節器”，從圖8可見，它是由一個串聯APF和一個並聯APF複合而成，具有多功能的電能質量控製功能。下麵分彆以圖7、圖8為例，討論有源濾波技術的改善電能質量的多種功能。
3.1諧波抑製原理
在圖7中，通過控製設法增加電源支路的諧波阻抗（保持基波阻抗近似為0）、減小並聯支路的諧波阻抗或二者同時進行，則可阻止諧波在電源和負載之間的傳遞，電網的諧波電壓不會加到負載和並聯支路上，而負載的諧波電流也不會流入電網。電網支路、並聯支路的阻抗控製則可以由無源、有源或其組合實現，如圖5所示各種APF的基本類型等。
IL、IF、IS分彆為負載、並聯和電網支路電流、VC為串聯APF輸出電壓
圖9為一個串聯有源濾波器的工作原理仿真波形圖。從圖9可見，在串聯HAPF中，負載產生的諧波電流在APF的作用下，基本流向並聯PPF支路。而APF輸出中基本上不含基波，在負載變動相對固定的場合，APF的容量可以隻要**負載總容量的5～10％，成本可以大大降低；這時，電網電流中基本上不含諧波，達到了抑製諧波電流的目的。
3.2無功補償與諧波抑製【16】
在並聯型APF電路中，並聯PPF支路可以通過精心設計（或對有源的控製），具有基波無功補償功能的原理是直觀的。事實上，在串聯有源濾波器中，通過較為複雜的控製，串聯在電網支路的有源裝置，同樣可具有無功補償的功能。
負載無功功率在有源濾波裝置的控製下，在直流儲能環節和負載之間進行交換。如上所述，諧波電流基本通過並聯支路自成環路，電網與裝置（包括負載及APF濾波裝置）僅存在有功能量的交換。同時具有無功補償與諧波抑製的APF裝置的原理波形。
3.3諧振阻尼【15】
如果並聯支路用無源裝置以減小有源裝置容量，或負載端存在功率因數校正電容的話，無源裝置與電網之間則有諧振可能，對係統**十分不利。這時串聯有源濾波器實際上可視為一個可控電抗，正的等效阻抗可起到諧振阻尼作用。
圖11為某一混合有源濾波器的網絡傳輸特性仿真示意。
從圖11可見：（1）僅投入無源裝置時，隻對裝設PPF的有限個固定頻率，如5次、7次的諧波有較大的抑製作用，而對電網中的某些頻率則起放大作用（發生諧振），這是由於PPF儲能元件的加入使係統傳遞函數會產生多個極值點，它們與電網參數（阻抗）密切有關，因此無源裝置的設計非常困難。（2）投入APF後，對所有頻率段的諧波都有較大的抑製作用。且與諧波源的頻率、分布和變化無關。（3）具有係統諧振阻尼能力（42、54），阻尼作用使得傳遞函數中的多個極值點被平滑。當然，傳遞特性是與控製參數密切相關的，要有效地阻尼諧振，需要正確的控製設計。
3.4電壓幅度控製【1，8，12，13，15】
圖8所示統一（UNIFY）電能調節器，除了具有前述功能以外，還具有電網電壓幅度的調節能力，這包括：相間不對稱、電壓跌落等。這是因為，串聯APF在一定控製下，可產生幅度、相位可控的基波電壓。當然，這時需要處理基波，APF必須具備更大的功率容量或更大的直流儲能能力，因對有功分量的補償能力依賴於直流環節的儲能能力。
4．有源濾波的高壓大功率技術（2，14，17）
當前電力電子技術對電力係統應用的一個*新發展動向是中高壓大功率應用技術。中高壓大功率係統，是電力係統一般現實，如6KV甚至更高等級電壓是廣泛存在的。這一方麵依賴於高壓大功率器件的發展；另一方麵，在電路結構上，變壓器電壓等級變換是常用的辦法，但目前，一種稱為“多電平變流器”的拓撲結構對電力電子（有源）裝置的高壓大功率應用具有重要的現實意義。
多電平變流器的優點是：降低單個功率管耐壓和功率、輸入和輸出諧波隨級數增加而減小（一般5～9級就可得到滿意的輸入輸出純度）、無須變壓器或輸入／輸出濾波、適合於高壓大功率應用等。
多電平變流器有許多拓撲，如中線箝位三電平、二極管箝位多電平、電容器箝位多電平以及組合式和疊層式等。其中，疊層結構的多電平變換器，是將多個單相逆變器串聯構成多電平變換器，其結構原理圖如圖12所示。
還有所謂“混合調製”的多電平變換器，即采用高壓大容量低頻（如GTO）器件與較高速度而耐壓和容量較低（如IGBT）器件組合，充分利用各自特點的方法以簡單的拓撲實現更高電壓和容量的能量的有源控製。
5．KYAPF有源電力濾波器應用
上海坤友電氣有限公司對KYAPF有源電力濾波器進行了多年的深入研究，在理論、新結構，特彆是在應用技術等方麵取得了一係列成果。
通過長期嚴格運行試驗，結果表明：性能良好、運行可靠。以下就此裝置簡要加以介紹。50KVA串聯KYAPF有源電力濾波器安裝於某一重要工業現場，實現對變頻調速裝置產生的諧波進行補償。安裝KYAPF有源電力濾波器前、僅安裝無源裝置和串聯KYAPF有源電力濾波器投入運行的三種情況下，同一台非線性負載的向電網吸取的電流波形分彆示於圖15、16和17。
×諧波抑製效果十分顯著；
×峰值電流大幅度下降；
×有效值電流顯著下降；
×大範圍負載變化下的功率因數改善。
6．結論
KYAPF有源電力濾波器具有廣義性，具有多項電能質量調整和控製功能，它由電力電子裝置組成，是FACTS的重要內容。KYAPF有源電力濾波器的諧波抑製、無功補償、諧振阻尼、電壓補償和電力電子裝置的高壓大功率應用等原理進行了介紹。並介紹了一台混合有源濾波器實驗樣機在工業現場應用結果。
KYAPF有源電力濾波器對電能質量多功能控製的能力，並已達到處理數KV電壓和MVA級功率的水平。大力發展電力電子技術KYAPF有源電力濾波器在電力係統中的應用的時機已趨成熟，加緊對此研究和推廣應用，必將對提高電力係統的可控性和電能質量帶來巨大作用。
