APF有源電力濾波器

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，它能夠對不同大小和頻率 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 powerfilter所屬領域電學英文簡稱APF種類并聯(lián)型和串聯(lián)型目錄1、概述2、理論基礎3、工作原理4、標

2、準5、三電平?技術優(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APFAPF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，國家相關部門也要求以變壓器升壓的形式和有源濾波器結合，治理高壓諧波！3、工作原理Sato ns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)

3、部DSP計算，提取出負載電流中的諧波成分，然后通過PWM言號發(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器件的觸發(fā)脈沖，此脈沖經(jīng)驅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 P

4、WM逆變器構成。根據(jù)逆變器直 流側儲能元件的不同，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 需對直流側電容電壓控制，使直流側電壓維持不變，因而逆變器交流側輸出為PWMfe壓波。而電流型有源濾波器在工作時需對直流側電感 電流進行控制，使直流側電流維持不變，因而逆變器交流側輸出為 PWh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, IEC6

5、2040-3, IEC 50178:1997, AS 62040-3(VFI SS 111 ) , CISPR11國家標準GB/T14549-93電能質量：公用電網(wǎng)諧波GB/T15543-1995電能質量：三相電壓允許不平衡度GB/T15945-1995電能質量：電力系統(tǒng)頻率允許偏差GB/T12326-2000電能質量：電壓波動和閃變GB/T12325-2003電能質量：供電電壓允許偏差GB/T18481-2001電能質量：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

6、的分類5、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的各個領域。二極 管箝位三電平拓撲的優(yōu)勢在于，各個開關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技術優(yōu)勢（1）用電壓等級較低的開關管構成電壓等級較高的變流器，隨 著功率器件技術的不斷發(fā)展，

7、市場上已經(jīng)有 6500V的IGBT出售，但 是耐壓越高的IGBT其開關損耗越高，最高開關頻率也變得比較低。3300V以上的IGBT開關頻率最高不會超過5kHz,1200V的IGBT的開關 損耗遠大于600V的IGBT。采用低壓IGBT的三電平變流器的開關損耗 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

8、直 流母線電壓的一半，而兩電平的為直流母線電壓。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，或對輸出電流的能力產(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。隨著技術的不斷發(fā)展，三電平技術被越來越多的人所重視，同時 也將其從中壓大功率領域，引入到400V的低壓小功率應用之

9、中，各 個國際知名功率器件廠家推出了大量適應于 400V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BOOS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)

10、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FACT取術已經(jīng)達到了國際領先水平。5.2濾波器將二極管箝位三電平技術應用于有源電力濾波器領域，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，有可能是技術不夠成熟，控制算法過 于復雜，應用

11、成本高，也可能是企業(yè)界對此不夠重視，尚未認識到該 技術的優(yōu)勢。德州和能工業(yè)自動化有限公司通過對三電平技術的深入 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SPA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40卩s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，MODBU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SPA是諧波治理的完美

12、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、變壓器中的發(fā)熱應用范圍SPA適用于工業(yè)負載場合SPA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SPA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、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

13、本應用范圍三相四線適用于商業(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

14、無功補償?shù)挠绊懞艽螅?所以應以無功補償和諧波治 理同時處理作為目標。4. 有色冶金 有色冶金的負荷除電弧爐性質的負荷外，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，但是對于電能質量有很

15、高的要求，因此需要在高 精度自動化生產(chǎn)線的供電側安裝有源濾波器， 以降低諧波對生產(chǎn)線的 影響。8.辦公大樓、大型商業(yè)區(qū)等節(jié)能燈和空調集中場所 辦公大樓、 大型商業(yè)區(qū)等節(jié)能燈和空調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?，國內(nèi)知名生產(chǎn)廠家有：蘇州

16、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制，根據(jù)電工的基本原理，紋波電流決定 于開關頻率、直流母線電壓、輸出電感的大小，與電流環(huán)的控制無關。 開關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

17、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。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。在某些廠家的兩電平有源電力濾波器產(chǎn)品 的開關頻率已經(jīng)達到20kHz。但是，開關頻率的提高帶來的是更高的 開關損耗以及驅動損耗，有源電力濾波器的單機容量會受到限制， 而

18、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600V,直流母線電壓需