APF有源電力濾波器(000001)

1、有源電力濾波器有源電力濾波器（APF：Active power filter）是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Σ煌笮『皖l率的諧波進行快速跟蹤補償，之所以稱為有源，是相對于無源LC濾波器，只能被動吸收固定頻率與大小的諧波而言，APF可以通過采樣負載電流并進行各次諧波和無功的分離，控制并主動輸出電流的大小、頻率和相位，并且快速響應，抵銷負載中相應電流，實現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補償，而且可以既補諧波又補無功和不平衡。中文名 有源電力濾波器 所屬學科物理外文名 Active power filter 所屬領(lǐng)域電學英文簡稱 APF種 類并聯(lián)型和串聯(lián)型 目錄1、概述2、理論基礎3、工作

2、原理4、標準5、三電平 技術(shù)優(yōu)勢 濾波器 基本應用 主要應用場合 其他 優(yōu)勢6、性能說明7、配件選型1、概述三相電路瞬時無功功率理論是APF發(fā)展的主要APF；APF有并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種，前者用的多；并聯(lián)有源濾波器主要是治理電流諧波，串聯(lián)有源濾波器主要是治理電壓諧波等引起的問題。2、理論基礎有源濾波器同無源濾波器比較，治理效果好，主要可以同時濾除多次及高次諧波，不會引起諧振，但是價位相對高！實際應用安全系數(shù)很低，國際普遍做法是以變壓器升壓，來保證可靠性，國家相關(guān)部門也要求以變壓器升壓的形式和有源濾波器結(jié)合，治理高壓諧波！3、工作原理Satons有源電力濾波器通過電流互感器檢測負載電流，并通過內(nèi)部

3、DSP計算，提取出負載電流中的諧波成分，然后通過PWM信號發(fā)送給內(nèi)部IGBT,控制逆變器產(chǎn)生一個和負載諧波電流大小相等，方向相反的諧波電流注入到電網(wǎng)中，達到濾波的目的。指令電流檢測電路的功能主要是從負載電流中分離出諧波電流分量和基波無功電流，然后將其反極性作用后發(fā)生補償電流的指令信號。電流跟蹤控制電路的功能是根據(jù)主電路產(chǎn)生的補償電流，計算出主電路各開關(guān)器件的觸發(fā)脈沖，此脈沖經(jīng)驅(qū)動電路后作用于主電路。這樣電源電流中只含有基波的有功分量，從而達到消除諧波與進行無功補償?shù)哪康?。根?jù)同樣的原理，電力有源濾波器還能對不對稱三相電路的負序電流分量進行補償。有源電力濾波器的主電路一般由PWM逆變器構(gòu)成。根據(jù)

4、逆變器直流側(cè)儲能元件的不同，可分為電壓型有源濾波器(儲能元件為電容)和電流型有源濾波器(儲能元件為電感)。電壓型有源濾波器在工作時需對直流側(cè)電容電壓控制，使直流側(cè)電壓維持不變，因而逆變器交流側(cè)輸出為PWM電壓波。而電流型有源濾波器在工作時需對直流側(cè)電感電流進行控制，使直流側(cè)電流維持不變，因而逆變器交流側(cè)輸出為PWM電流波。電壓型有源濾波器的優(yōu)點是損耗較少，效率高，該電流在電感內(nèi)阻上將產(chǎn)生較大損耗。圖 電壓型有源濾波器圖 電流型有源濾波器圖 控制原理4、標準國際標準EN 50091-3, EN 61000-6-2, EN55011, EN 50178:1997, IEC 62040-3, IEC

5、 50178:1997, AS 62040-3（VFI SS 111）, CISPR11國家標準GB/T14549-93電能質(zhì)量：公用電網(wǎng)諧波GB/T15543-1995 電能質(zhì)量：三相電壓允許不平衡度GB/T15945-1995 電能質(zhì)量：電力系統(tǒng)頻率允許偏差GB/T12326-2000 電能質(zhì)量：電壓波動和閃變GB/T12325-2003 電能質(zhì)量：供電電壓允許偏差GB/T18481-2001 電能質(zhì)量：暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓GB/T15576-1995 低壓無功功率靜態(tài)補償裝置總技術(shù)條件GB7625.11998 低壓電氣電子產(chǎn)品發(fā)出的諧波電流限值GB4208-93 外殼防護等級的分類5、

6、三電平二極管箝位三電平拓撲由日本學者Nabae. A 等人在1980 年提出，經(jīng)過近30年的發(fā)展，廣泛應用于電力電子技術(shù)的各個領(lǐng)域。二極管箝位三電平拓撲的優(yōu)勢在于，各個開關(guān)管承受的反向電壓為直流母線電壓的一半，可以用較低電壓等級的開關(guān)管，組成較高電壓等級的變流器。已經(jīng)廣泛應用于4.2kV電動機傳動系統(tǒng)。通常三電平技術(shù)一般應用于電壓較高、功率較大的系統(tǒng)中，正是由功率器件耐壓有限與變流器系統(tǒng)需求電壓較高的矛盾現(xiàn)實決定的。但是我們應該看到二極管箝位三電平拓撲本身固有的一些優(yōu)勢。5.1 技術(shù)優(yōu)勢（1） 用電壓等級較低的開關(guān)管構(gòu)成電壓等級較高的變流器，隨著功率器件技術(shù)的不斷發(fā)展，市場上已經(jīng)有6500V的

7、IGBT出售，但是耐壓越高的IGBT其開關(guān)損耗越高，最高開關(guān)頻率也變得比較低。3300V以上的IGBT開關(guān)頻率最高不會超過5kHz,1200V的IGBT的開關(guān)損耗遠大于600V的IGBT。采用低壓IGBT的三電平變流器的開關(guān)損耗遠低于同樣電壓等級采用高壓IGBT的兩電平變流器，同時前者可以達到的開關(guān)頻率也高于后者。（2） 能夠輸出三種電平。二極管箝位三電平變流器能夠輸出正母線電壓、負母線電壓以及零電壓（簡稱P、N、O）,一般情況下輸出電壓在P-O、O-N之間跳變，特殊情況下會出現(xiàn)P-N跳變，而兩電平變流器只能在P-N之間跳變。也就是說三電平的電壓跳變幅度為直流母線電壓的一半，而兩電平的為直流母

8、線電壓。高的電壓跳變幅度對并網(wǎng)逆變器或有源電力濾波器帶來的是較高的紋波電流，為了抑制紋波電流，需要較大的輸出電感和濾波電容，由此帶來了較高的紋波電流損耗。同時由于輸出濾波電感電容也降低了電流響應速度，或?qū)敵鲭娏鞯哪芰Ξa(chǎn)生了一定的限制。對于變頻器帶來的則是對電機的沖擊以及較大的軸電流，嚴重影響著電機的壽命。另外，較高的電壓跳變幅度也會產(chǎn)生嚴重的電磁干擾，對周邊電子設備產(chǎn)生也重危害。而三電平以其固有的優(yōu)勢，在很大程度上解決了上述問題。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，三電平技術(shù)被越來越多的人所重視，同時也將其從中壓大功率領(lǐng)域，引入到400V的低壓小功率應用之中，各個國際知名功率器件廠家推出了大量適應于400V

9、系統(tǒng)應用的集成二極管箝位三電平功率模塊，并有逐漸取代傳統(tǒng)兩電平變流器的趨勢。應用于400V領(lǐng)域的成功的三電平產(chǎn)品如下：（1）2008年日本安川電機推出了Varispeed G7系列通用矢量變頻器，其400V產(chǎn)品采用三菱的三電平功率模塊，并在應用中取得了巨大成功。（2）2009年德州和能工業(yè)自動化有限公司在自主開發(fā)的三電平變流器控制技術(shù)的基礎上，推出了HEINV系列三電平光伏并網(wǎng)逆變器，前端采用對稱BOOST進行最大功率點跟蹤，逆變器采用二極管箝位三電平拓撲，兩者相互配合，采用Semikron的三電平功率模塊，各項指標均優(yōu)于同類兩電平產(chǎn)品。（3）2006年上海交通大學與上海信元瑞電氣有限公司（當

10、時的上海飛平電子有限公司）合作推出了國內(nèi)唯一一個以能量算法為基礎的有源電力濾波器（APF）NEWSINE系列產(chǎn)品，大大的提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，隨著此后該產(chǎn)品在我國137個大型項目中的實際應用情況反饋，證明和標志了中國FACTS技術(shù)已經(jīng)達到了國際領(lǐng)先水平。5.2 濾波器將二極管箝位三電平技術(shù)應用于有源電力濾波器領(lǐng)域，國內(nèi)外很多文獻都有涉及，國內(nèi)外許多專家學者對此都進行了比較深入的研究，也提出了很多新的算法。但是，三電平有源電力濾波器始終沒有從實驗室走向市場。究其原因，有可能是技術(shù)不夠成熟，控制算法過于復雜，應用成本高，也可能是企業(yè)界對此不夠重視，尚未認識到該技術(shù)的優(yōu)勢。德州和能工業(yè)自動化有限公司通

11、過對三電平技術(shù)的深入研究以及對市場趨勢的正確把握，在業(yè)界首先推出了三電平有源電力濾波器產(chǎn)品。三電平有源電力濾波器與傳統(tǒng)兩電平有源電力濾波器相比有以下優(yōu)勢：5.3 基本應用SPA3系列有源電力濾波器性能描述可同時濾除2次到60次諧波40s內(nèi)響應負荷變化，全響應時間小于10ms(1/2周波)單相動態(tài)補償，不受系統(tǒng)不平衡的影響3.8 英寸QVGA顯示屏，MODBUS 通訊接口有源電力濾波器采用速度高達20KHz的IGBT，完美消除諧波并聯(lián)安裝方式，安裝簡單、方便，易于擴展，最多可10臺并聯(lián)優(yōu)勢SPA3是諧波治理的完美解決方案動態(tài)電流補償消除諧波和提高功率因數(shù)減少諧波在電纜、開關(guān)、變壓器中的發(fā)熱減少諧

12、波引起的停電故障和時間提高電源利用率減少運營成本應用范圍SPA3適用于工業(yè)負載場合SPA4系列有源電力濾波器性能描述有效消除因零序諧波產(chǎn)生的中性線電流可以同時濾除225次范圍內(nèi)的全部或選定次數(shù)的諧波單相動態(tài)補償，不受系統(tǒng)不平衡的影響并聯(lián)安裝方式，安裝簡單、方便，易于擴展，最多可4臺并聯(lián)設計選型簡單，不需要進行詳細的電網(wǎng)分析，只需測量諧波電流的大小體積輕巧，可壁掛安裝標準的通訊接口，方便的接入用戶現(xiàn)有的通訊系統(tǒng)優(yōu)勢SPA4系列是諧波治理的完美解決方案動態(tài)電流補償消除諧波和提高功率因數(shù)減少諧波在電纜、開關(guān)、變壓器中的發(fā)熱減少諧波引起的停電故障和時間提高電源利用率減少運營成本應用范圍三相四線適用于商

13、業(yè)建筑負載場合5.4 主要應用場合1.變頻設備的應用場合隨著技術(shù)的進步，變頻設備大量應用于各類場合，變頻設備會產(chǎn)生大量的諧波，因此，這類場合是有源濾波器主要的目標市場之一。2.不穩(wěn)定負荷的應用場合不穩(wěn)定負荷不是有源濾波器的主要市場，但它是電力系統(tǒng)一個極其重要的方面，因為不穩(wěn)定的負荷雖然所占比例不大，但是它們對電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響卻遠遠大于其它負荷所造成的影響，因此對于該類應用場合也應作為有源濾波器的主要市場方向之一。3.鋼鐵廠鋼鐵廠的電弧爐、軋鋼機等是主要的諧波發(fā)生設備，且主要是沖擊性負荷，對鋼鐵廠附近的其它負荷有很大影響。同時，諧波問題對鋼鐵廠無功補償?shù)挠绊懞艽螅詰詿o功補償和諧波治理同時

14、處理作為目標。4.有色冶金有色冶金的負荷除電弧爐性質(zhì)的負荷外，還由于采用直流濕法冶金而產(chǎn)生大量的直流成分。5.港口機械港機是大型的提升設備，一般都采用很大的變頻器，因此是港口機械主要的諧波發(fā)生源，因此對于該類應用場合也應作為有源濾波器的市場方向之一。6.電氣化鐵路電氣化鐵路一般使用直流電機拖動，因此是一個市政方面的主要諧波源。根據(jù)現(xiàn)有上海、北京等地電氣化鐵路的運行情況，大多數(shù)系統(tǒng)都安裝了濾波器。預計本產(chǎn)品可以達到電氣鐵路濾波器國產(chǎn)化的作用。 7.高精度自動化生產(chǎn)線高精度自動化生產(chǎn)線本身不產(chǎn)生諧波，但是對于電能質(zhì)量有很高的要求，因此需要在高精度自動化生產(chǎn)線的供電側(cè)安裝有源濾波器，以降低諧波對生產(chǎn)

15、線的影響。8.辦公大樓、大型商業(yè)區(qū)等節(jié)能燈和空調(diào)集中場所辦公大樓、大型商業(yè)區(qū)等節(jié)能燈和空調(diào)集中場所的諧波情況也非常嚴重，治理方法宜采用集中治理方法，以節(jié)省成本。5.5 其他正是基于上述優(yōu)點，德州和能工業(yè)自動化有限公司在本公司三電平變流器控制技術(shù)的基礎上，緊密跟蹤行業(yè)發(fā)展趨勢，推出三電平有源電力濾波器產(chǎn)品。同時，我公司愿與業(yè)內(nèi)同行企業(yè)合作，共同推進三電平有源電力濾波器的應用，為中國電能質(zhì)量事業(yè)做出貢獻。國外知名的有源電力濾波器的生產(chǎn)廠家有：ABB、施耐德、西門子、NOBLE等，國內(nèi)知名生產(chǎn)廠家有：蘇州和順、盛弘電氣、南京亞派科技、思源電氣、上海雙電、英納仕電氣、西安賽博、Satons等。5.6

16、優(yōu)勢（1）低紋波電流，高電流響應速度紋波電流和電流響應速度是矛盾的兩個指標。作為有源電力濾波器，其基本原理是檢測負載諧波，注入反相諧波，以諧波的相互抵消達到濾波的目的。一般的有源電力濾波器是一個電流模式控制的電壓源逆變器。輸出電流是通過逆變器輸出的電壓作用在輸出電感上產(chǎn)生的。逆變器采用脈沖寬度調(diào)制，根據(jù)電工的基本原理，紋波電流決定于開關(guān)頻率、直流母線電壓、輸出電感的大小，與電流環(huán)的控制無關(guān)。開關(guān)頻率越高紋波電流越小、直流母線電壓越高，紋波電流越大；輸出電感越大，紋波電流越小。而逆變器期望的輸出電流是由電流環(huán)所控制。有源電力濾波器輸出諧波電流，如果按基波50Hz，補償50次諧波計算，最高諧波頻率

17、將達到2.5kHz。有源電力濾波器對電流響應速度有很高的要求。電流響應速度與直流母線電壓和輸出電感大小有關(guān)。直流母線電壓越高，電流響應越快；輸出電感越大，電流響應越慢。我們期望輸出紋波電流越小越好，電流響應速度越快越好，這是一對矛盾。從上述分析可以看出，兩電平有源電力濾波器解決這個矛盾的辦法只能是提高開關(guān)。在某些廠家的兩電平有源電力濾波器產(chǎn)品的開關(guān)頻率已經(jīng)達到20kHz。但是，開關(guān)頻率的提高帶來的是更高的開關(guān)損耗以及驅(qū)動損耗，有源電力濾波器的單機容量會受到限制，而對于更高電壓等級的有源電力濾波器，高壓的IGBT根本就不允許那么高的開關(guān)頻率。然而，三電平有源電力濾波器從原理上就是一個解決上述問題

18、的方案。三電平逆變器可以輸出正、負、零三種電壓，在計算紋波電流時，只需按直流母線電壓的一半計算。由此，在相同開關(guān)頻率、相同直流母線電壓、相同紋波電流要求的前提下，三電平的輸出電感為兩電平的一半，同時器件的開關(guān)損耗和電感上的紋波損耗也會降低。在計算電流響應速度時，起作用的將是全部直流母線電壓，而輸出電感的減半，將加快電流的響應速度，增強濾波效果，提高單機容量。（2）提高系統(tǒng)耐壓，應用于較高電壓系統(tǒng)通常國內(nèi)低壓電網(wǎng)為400V，但是對于某些行業(yè)，其低壓電網(wǎng)會比較高，例如石油鉆機傳動采用的是600V，礦山用電可能是690V或1140V，而某些行業(yè)的電壓等級可能更加多樣，但一般都是500V以上。如何解決這些行業(yè)諧波治理需求，是一個問題。通常為了提高電流響應速度、保證補償效果，處理諧波的有源電力濾波器比處理基波的變頻器或并網(wǎng)逆變器需要更高的直流母線電壓。通常兩電平逆變器的直流母線電壓是交流電網(wǎng)電壓有效值的2倍。對于380V應用，直流母線電壓一般在700V750V，而對于