有源電力濾波課件

1、有源電力濾波有源電力濾波 黃瀟嶸黃瀟嶸 隨著工業(yè)電力電子器件廣泛地應(yīng)用，配電網(wǎng)中整流器、變頻調(diào)速裝置、工業(yè)電源以及各種以開關(guān)方式工作的電力電子裝置不斷增加，這些負(fù)荷的非線性、沖突性和不平衡性的用電特性，使電力系統(tǒng)的電壓、電流發(fā)生畸變，對供電質(zhì)量造成嚴(yán)重污染，諧波不僅影響電氣設(shè)備正常工作，還給電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來隱患。 治理諧波的方法，有兩大類 改造諧波源和采用濾波補(bǔ)償裝置。電力電子變換裝置與電力系統(tǒng)連接是存在如下問題：1.由于功率器件的非線性工作引起了波形的失真，因此，成為諧波電流的發(fā)生源。2.由于系統(tǒng)電壓波形發(fā)生畸變，使功率因素下降，因此，又成為無功功率的發(fā)生源。 為改善非線性負(fù)載對電網(wǎng)質(zhì)

2、量的嚴(yán)重影響,抑制諧波技術(shù)措施主要包括以下幾種： ( 1 ) 增大供電系統(tǒng)容量。 ( 2 ) 采用特殊變壓器相角差變換。( 3 ) 增加多橋式整流器的整流脈動(dòng)數(shù)。 ( 4 ) 串聯(lián)電抗器。 ( 5 ) 無源濾波器。( 6 ) 有源濾波裝置。 有源電力濾波器的發(fā)展最早可以追溯到本世界60年代。1969年Bird和Marsh發(fā)表的論文中已有了有源電力濾波器的基本思想。1971年Sasaki和Machida首次完整的描述了有源電力濾波器的基本原理。自1980 年起，已有大量論著論述了有源電力濾波器的研究工作。 其中包括并聯(lián)型、串聯(lián)型及混合型。與無源濾波器混合使用的串聯(lián)型、并聯(lián)型有源電力濾波器是其中的

3、典型裝置。 構(gòu)有源電力濾波器可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和兩者混合使用的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器。串聯(lián)有源和并聯(lián)無源混合使用的濾波器被稱作復(fù)合型濾波器。 根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類 大多數(shù)APF 采用并聯(lián)或混合型補(bǔ)償方案 , 單獨(dú)使用APF 時(shí)由于交流電源的基波電壓是直接施加到變流器上的，所要求的裝置容量較大 。 與LC濾波器并聯(lián)與LC濾波器串聯(lián)與LC濾波器混合使用 與LC并聯(lián)：共同補(bǔ)償諧波，LC（單個(gè)高通濾波器或多組單調(diào)濾波器和高通濾波器）后者承擔(dān)絕大多數(shù)的補(bǔ)償諧波和無功的任務(wù)。（LC濾波器與電網(wǎng)發(fā)生諧振） 與LC串聯(lián)：主要由LC補(bǔ)償諧波和無功功率。該方案中串聯(lián)型 APF 作用是對電力系統(tǒng)和負(fù)載之間

4、的諧波起隔離作用，并在電壓波動(dòng)時(shí)進(jìn)行電壓調(diào)整，同時(shí)它還可以防止電力系統(tǒng)的內(nèi)阻和無源濾波器之間發(fā)生并聯(lián)諧振,不直接承受系統(tǒng)基波電壓作用。適合于高壓系統(tǒng)應(yīng)用 ,但對電源的諧波電壓非常敏感 ,不適合大容量的無功補(bǔ)償。 與與LC 濾波器兩種并列方式濾波器兩種并列方式 與與LC 濾波器濾波器串串列方式列方式 根據(jù)使用的變流器類型分類根據(jù)使用的變流器類型分類 有源電力濾波器的主電路有兩種類型的變流 器 , 即電流型 PWM 逆變電路和電壓型 PWM 逆變電路。它的作用是產(chǎn)生非正弦電流來補(bǔ)償非線形負(fù)載的諧波電流。電流型有源電力濾波器雖有較高的可靠性 , 但卻有較高的損耗并且在交流側(cè)需要并聯(lián)數(shù)值較大的電感 ,

5、 因此在一般場合下使用較少。而電壓型PWM 變流器在它的直流側(cè)帶有一個(gè)大電容 , 因?yàn)槠漭p便且特性較好 , 所以現(xiàn)在主要使用的是這種裝置。電壓源型電壓源型PWM變流器變流器（主電路）（主電路） 有源濾波裝置通過檢測補(bǔ)償對象的電壓和電流，得出與負(fù)載電流中的諧波電流大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)的電壓、電流恢復(fù)為正弦波形。 hfLiiiqpfiiihciifsii補(bǔ)償電流指令值的檢測方法補(bǔ)償電流指令值的檢測方法Lici1.利用陷波法 首先接測出電流 ，然后經(jīng)過濾波器（陷波器）將基波成分去除，從而獲得補(bǔ)償電流 。2.利用帶通濾波器的檢測方法 在已知諧波電流次數(shù)的情況下，可以利用帶通濾波器直

6、接檢測出各次諧波的成分，然后求取補(bǔ)償電流。這兩種方法都是根據(jù)傳統(tǒng)交流電中的平均功率和無功功率理論來求取的，有很多缺點(diǎn)。誤差大設(shè)計(jì)難，對頻率波動(dòng)和元器件參數(shù)很敏感。3.利用三角函數(shù)正交運(yùn)算 首先從三相畸形波中檢測出基波電流和基波電 壓的相位差和電流的振幅，然后生成與該振幅和相位差相同的基波電流波形。4.利用傅立葉展開法（d-q法） 首先檢測出電源電壓e的相位w1和周期T，然后產(chǎn)生與之同步的正弦波 ，再檢測出負(fù)載電流，做如下運(yùn)算。tcossin11和ttIitIiiIiIItdtiTIItdtiTIqqppqqppTLqTLp1111011101cossinsin21.cos1cos21.sin1

7、由此，我們可得：的振幅為無功電流的振幅為有功電流用負(fù)載電流減去，得諧波電流運(yùn)算量大5.利用復(fù)功率計(jì)算法（p-q法）ieieqieiepies瞬時(shí)無功功率：瞬時(shí)有功功率：這時(shí)去計(jì)算復(fù)數(shù)功率得坐標(biāo)二相變換到正交的經(jīng)三相三相電路相電壓相電流)(-/ 無功補(bǔ)償時(shí)斷開q通道即可 低通會使檢測結(jié)果發(fā)生延時(shí)，只檢測無功時(shí) 不需要低通直接變換即可。6.該方法中需用到與 a 相電網(wǎng)電壓 ea 同相位的正、 余弦信號 sint 和 - cost ,它們由一個(gè)鎖相環(huán)(PLL)和一個(gè)正、 余弦信號發(fā)生電路得到。根據(jù)定義可算出 ip 、 iq ,經(jīng)L PF 濾波后可得 ip 、 iq 的直流分量 ip 、 iq (由

8、iaf 、 ibf 、 icf產(chǎn)生) ,因此由 ip 、 iq 即可算出iaf 、 ibf 、 icf ,進(jìn)而算出 iah、 ibh、 ich。若要檢測 ih + iq ,則只需斷開圖 2 中計(jì)算 iq 的通道即可。若只檢測 iq ,則只需對 iq 反變換即可。 運(yùn)算與p-q法類似，當(dāng)要檢測諧波和無功電流之和時(shí)，只需斷開對應(yīng)的通道。只檢測無功電流，直接反變換。瞬時(shí)空間矢量法瞬時(shí)空間矢量法總結(jié)總結(jié) d-q 法是基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的一種方法，它在電網(wǎng)電壓不對稱、畸變情況下能精確地檢測出諧波電流（畸變電壓沒有直接參加運(yùn)算）；其中 P-q 法適用于電網(wǎng)電壓對稱，且無畸變情況下諧波電流的監(jiān)測；ip-i

9、q法適用范圍廣，在電網(wǎng)電壓不對稱時(shí)也同樣有效。 兩種方法都可以用模擬電路實(shí)現(xiàn)也可以用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。當(dāng)用到模擬電路時(shí)，第一種要用10個(gè)乘法器和2個(gè)除法器。第二種只需8個(gè)除法器。 總之瞬時(shí)空間矢量法優(yōu)點(diǎn)是能快速跟蹤補(bǔ)償電流，進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償，不受電網(wǎng)參數(shù)和負(fù)載變化的影響。但缺點(diǎn)是系統(tǒng)成本高，損耗大。瞬時(shí)無功功率理論瞬時(shí)無功功率理論 1983年，赤木提出，以瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無功功率為基礎(chǔ)的理論體系。 傳統(tǒng)理論中的有功和無功是建立在平均值或向量的基礎(chǔ)上的，而他是建立在瞬時(shí)值的基礎(chǔ)上的，適用于正弦波，也適用于非正弦波和任何過度過程。 當(dāng)三相電壓和電流均為正弦波時(shí)，三相正弦電路的有功功率就是三相電路的瞬時(shí)功

10、率。 當(dāng)三相電路為非正弦電路時(shí)，瞬時(shí)有功功率和無功功率的交流分量在一個(gè)周期內(nèi)的積分恒為零，所以只剩下直流分量（難分解）。 由于一般輸入電壓波形的失真度很小，可把直流分量只取基波分量。pqpq 電源電壓平衡且無畸變時(shí)，只有基波有功功率和基波無功功率（不含交流分量），由公式可求出兩相的基波電流，再2/3變換得到三相的基波電流。由檢測到的負(fù)載電流減去后得到諧波的補(bǔ)償電流。111cosIep 111sinIeq 電源電壓不平衡或有畸變時(shí)，將出現(xiàn)交流分量，此時(shí)由交流分量產(chǎn)生的電流只能是諧波電流，2/3變換后直接可求得三相補(bǔ)償電流。pq有畸變時(shí)，p-q運(yùn)算方式有誤差（畸變電壓直接參加運(yùn)算），ip-iq法結(jié)

11、果較為準(zhǔn)確補(bǔ)償電流的產(chǎn)生方法（主電路）補(bǔ)償電流的產(chǎn)生方法（主電路） 一個(gè)有源電力濾波器電路應(yīng)盡可能的產(chǎn)生與補(bǔ)償電流指令值相吻合的電流。有關(guān)有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償電流控制方法很多，從變換電路結(jié)構(gòu)上分，有電流型和電壓型兩種；按與電網(wǎng)連接的方式分，有利用普通變壓器連接的方式和采用注入電路的方式；從控制方式上分，雖然都采用PWM方式，但又分為采用三角載波的PWM方式、多脈沖PWM方式和跟蹤控制方式。1.電流型補(bǔ)償電路 基本結(jié)構(gòu)是，直流側(cè)的電流變換器含有直流電抗器（直流側(cè)為一恒流源），變換器以電流逆變方式工作。通過利用高頻的是三角載波對補(bǔ)償信號指令值進(jìn)行脈寬調(diào)制生成PWM信號。再利用該P(yáng)WM信號使G

12、TO導(dǎo)通關(guān)斷，獲得補(bǔ)償電流。 問題：開關(guān)頻率有限，補(bǔ)償高次諧波需采用多重化變換器。多重化？多重化？ 采用多重化主電路最基本的一點(diǎn)就是容易實(shí)現(xiàn)大容量 ,并可解決大容量和開關(guān)頻率間的矛盾。其基本原理是在每相通過變壓器繞組的不同連接方式 ,由多個(gè)相同的低壓變流器串聯(lián)或并聯(lián)工作 ,各變流器之間的觸發(fā)脈沖依次錯(cuò)開一定的相位來抵消某些次數(shù)的諧波或提高最低次諧波 ,裝置容量即得到提高;并使器件的開關(guān)頻率降低 ,等效頻率提高。實(shí)現(xiàn)多重化的主電路有如下3種形式：(1)通過串聯(lián)電抗器多重化方式 ,它直接將逆變器通過交流側(cè)的電感并聯(lián)起來,最容易實(shí)現(xiàn) ,故應(yīng)用較多。(2)通過平衡電抗器多重化方式 ,在各個(gè)逆變器之間加

13、入平衡電抗器以抑制逆變器之間的環(huán)流,因?yàn)楫?dāng)逆變器開關(guān)頻率較低時(shí)會出現(xiàn)較大環(huán)流 ,故該方式適合于開關(guān)頻率較低場合。(3)通過變壓器串聯(lián)多重化方式 ,其穩(wěn)定性和抗干擾性較好;但其變壓器必須采用二次側(cè)為多繞組的特殊形式。通過變壓器二次繞組 ,將逆變器輸出的 PWM波直接串聯(lián) ,使鐵心損耗增大 ,故應(yīng)用較少。2.多脈沖PWM方式： 為了能減小多重化的次數(shù)，又能補(bǔ)償高次諧波 原理：將前面得到的補(bǔ)償電流值分解為各次諧波，得到各次諧波的振幅和相位等效的方波信號，再將方波加到一起形成合成脈沖信號。然后對器進(jìn)行移動(dòng)處理，使他能在一臺逆變器上輸出。 優(yōu)點(diǎn)：不用多重化就能對19次一下諧波進(jìn)行補(bǔ)償。 缺點(diǎn)：跟蹤性能差

14、3.電壓型補(bǔ)償電路 電壓型有源電力濾波器的基本結(jié)構(gòu)是，其直流側(cè)有直流電容（直流側(cè)是一個(gè)恒定的電壓源），變流器以電壓逆變方式工作。利用交流電抗器兩端的電壓差產(chǎn)生補(bǔ)償電流，并通過控制該電流使之與補(bǔ)償電流指令值一致，以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。電壓型有源電力濾波器的電流控制方式電壓型有源電力濾波器的電流控制方式1.三角載波比較方式將指令值和補(bǔ)償值加到滯環(huán)比較器，根據(jù)偏差的大小和極性直接驅(qū)動(dòng)逆變器開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷，屬跟蹤控制方式。2.滯環(huán)比較器法對跟蹤性能影響很大。之間變化。滯環(huán)寬度到在所以，；的變化方向也隨之改變轉(zhuǎn)，則補(bǔ)償電流滯環(huán)比較器的輸出將翻時(shí)，當(dāng)不變；滯環(huán)比較器的輸出保持時(shí)，當(dāng)表示置換比較器的環(huán)寬用hhh-hiihihi4.帶注入電路的補(bǔ)償電路 有源裝置只承受諧波電壓 ,因此降低了容量。有串聯(lián)諧振注入型和并聯(lián)諧振注入型?？赏瑫r(shí)用于補(bǔ)償諧波、 三相不對稱電流、 供電點(diǎn)電壓 的波動(dòng) ,動(dòng)態(tài)補(bǔ)償性能較好 ,無須承受基波電壓