并聯(lián)型有源電力濾波器

1、并聯(lián)型有源電力濾波器設(shè)計說明書一、實驗?zāi)康模?）掌握諧波的基本知識和諧波抑制的方法；（2）MATLAB中的Simulink應(yīng)用；（3）掌握有源電力濾波器的設(shè)計和仿真。二、諧波的基本知識1、諧波的概念電力系統(tǒng)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)除電壓、頻率、可靠性外，還有波形。我國電力系統(tǒng)波形的標(biāo)準(zhǔn)是50Hz的正弦波形。由于國內(nèi)外對發(fā)電機的設(shè)計和制造的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中對波形有嚴(yán)格的要求，可以認(rèn)為發(fā)電機發(fā)出來的電壓波形都是標(biāo)準(zhǔn)正弦波形。但是隨著工業(yè)化、電氣化的發(fā)展，出現(xiàn)了許多非線性的負(fù)荷，如冶煉、電氣化鐵路、整流和逆變負(fù)荷、變頻負(fù)荷等，接上這些負(fù)荷，使系統(tǒng)的電壓、電流波形發(fā)生畸變。對于一個非正弦波形，可以按傅立葉級數(shù)展開成基本

2、頻率、2倍、3倍等數(shù)倍于基本頻率的正弦波形之和。這些2倍以上的正弦波均稱為高次諧波。2、諧波的分類電氣系統(tǒng)所產(chǎn)生的諧波有以下2類：暫態(tài)諧波：暫態(tài)諧波的產(chǎn)生是由于在電力系統(tǒng)中所使用的電氣開關(guān)操作所引起，另外電力系統(tǒng)或者使用電力的生產(chǎn)設(shè)備發(fā)生故障，也將產(chǎn)生暫態(tài)諧波；穩(wěn)態(tài)諧波：穩(wěn)態(tài)諧波是由電力系統(tǒng)中非線性負(fù)荷所產(chǎn)生。這些非線性負(fù)荷有：a電流源諧波：大功率交流裝置，如大型電解電源、大型電化電源、電力機車、軋鋼機械設(shè)備、中高頻加熱爐、電弧煉鋼爐、頻率變換器、通用變頻器等。b電壓源諧波：含有鐵芯的大容量變壓器、電動機、電焊機、鐵芯電抗器、電壓互感器等。其它象電視機、電池充電器、熒光燈等裝置也會產(chǎn)生諧波，雖

3、然單個裝置的功耗不大，但由于使用面廣，數(shù)量很多，因此，它們給供電系統(tǒng)注入的諧波分量也不容忽視。電流源諧波對電網(wǎng)的影響最大，電壓源諧波對電網(wǎng)的影響極小。近來變頻調(diào)速控制系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣，其對電力系統(tǒng)的諧波污染不容忽視。3、諧波的產(chǎn)生（1）、電力系統(tǒng)本身存在著周期性的非正弦獨立電源；（2）、工頻電壓或電流作用于非線性負(fù)載；（3）、電力系統(tǒng)中存在時變負(fù)載。4、諧波的危害電力系統(tǒng)的諧波會產(chǎn)生如下危害：1)諧波電流使輸電線路、發(fā)電機、電動機、變壓器產(chǎn)生附加損耗，溫度升高；使發(fā)電機、電動機、變壓器的震動和噪聲增加。2)諧波中的較低次諧波諧振會使換流裝置工作不穩(wěn)定。3)諧波電流會對通信、繼電保護裝置、自動控

4、制裝置、計算機產(chǎn)生干擾，損害通話的清晰度，造成電話鈴誤響、引起繼電保護裝置的誤動等。4)若電網(wǎng)諧波較大，會延遲或阻礙消弧線圈的滅弧作用，導(dǎo)致單相重合閘失敗，或不能采用較短的自動重合閘時間。5)使電能計量產(chǎn)生誤差。產(chǎn)生諧波的用戶因為向系統(tǒng)送諧波功率而少計量，而受害用戶因吸收無用的諧波功率，還要多付費。6)諧波引起的諧波過電壓會造成電網(wǎng)設(shè)備的損壞。7)造成電容器的損壞。電力系統(tǒng)中的諧波對并聯(lián)補償電容器有較大的影響：增加介質(zhì)損耗，諧波產(chǎn)生的損耗和諧波次數(shù)成正比，高次含量越大，產(chǎn)生的損耗也越大，使電容器溫度升高，電容器溫度升高又引起介損增加，這樣反復(fù)循環(huán)，最后導(dǎo)致電容器熱擊穿； 引起或加劇介質(zhì)內(nèi)部的局

5、部放電。5、諧波的抑制目前國內(nèi)外主要從諧波發(fā)生源、配電系統(tǒng)以及諧波抑制裝置3個方面來抑制諧波。本次專題實驗主要采用設(shè)置諧波裝置抑制諧波的方法。（1）、傳統(tǒng)的諧波抑制方法1)加設(shè)電力無源濾波器。電力無源濾波器由L、C、R組成，其結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維修方便，除濾波外還兼有無功補償?shù)墓δ?，容量可設(shè)計成很大，現(xiàn)在廣泛采用。2)增加變流器二次側(cè)整流的相數(shù)。對于大容量的變流器，設(shè)計時盡量增加整流相數(shù)，相數(shù)越多，注入電網(wǎng)最低諧波次數(shù)越高，諧波電流越小，濾除越簡單；如整流相數(shù)為6相時，5次諧波電流為基波電流的185，7次諧波電流為基波電流的12，若將整流相數(shù)增加為12相，則5次諧波電流可下降到基波電流的45

6、，7次電流下降到基波電流的3。在采用并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的整流電路時，必須采取有效的措施保證可控電力電子元件觸發(fā)移相的同步性，否則將會產(chǎn)生更大的諧波電流。3)防止并聯(lián)電容器組對諧波的放大。并聯(lián)電容器在電網(wǎng)中起提高功率因素和調(diào)節(jié)波動電壓的作用。但是當(dāng)諧波存在時，在一定的參數(shù)下電容器組會對諧波放大。為避免電容器對諧波的放大，一般采取的措施是：改變與電容串聯(lián)的限流電抗器；將電容器組某些支路改為濾波器；限制電容器的投入容量。4)增加電網(wǎng)短路容量，提高設(shè)備的短路比，降低諧波對接在同網(wǎng)上的其它設(shè)備的影響。（2）、新型的諧波抑制方法在一般情況下，交流器產(chǎn)生的高次諧波隨時間變化，采用靜止濾波及補償器無法達(dá)到濾除目的及

7、全部補償。若采用有源濾波器即可達(dá)到理想的效果。有源電力濾波器(APF)實質(zhì)上是一種大功率波形發(fā)生器，它把諧波經(jīng)過采樣、180。移相后，再完整的復(fù)制出來，送到諧波源的入網(wǎng)點。復(fù)制的諧波與原諧波幅值相等，方向相反，并跟隨原諧波的變化而變化，因此，原諧波就被抵消了。有源濾波器由2大部分組成，即指令電流計算電路和補償電流發(fā)生電路。指令電流運算電路的核心是檢測出補償對象電流中的諧波和無功等電流分量。補償電流發(fā)生電路則根據(jù)指令電流運算電路的指令信號，產(chǎn)生需要的補償電流。圖1是有源濾波器經(jīng)過改進的工作原理示意圖。E為交流電源，負(fù)載為諧波源。APF檢測出諧波源負(fù)載電流iL的諧波分量iLH，通過運算輸出指令信號

8、，由補償電流發(fā)生電路產(chǎn)生補償電流ic，ic=-iLH, 使得電源側(cè)電流is中不含諧波，而僅有基波。有源濾波器與無源濾波器相比，有以下特點：不僅能補償各次諧波，還可以抑制閃變，補償無功，有一機多功能的特點，在性價比上較為合理；濾波器特性不受系統(tǒng)阻抗等的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險；具有 自適應(yīng)功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波，即具有高度可控性和快速響應(yīng)性等特點。按照接人電網(wǎng)的方式，有源濾波器可分為串聯(lián)有源濾波器和并聯(lián)有源濾波器，近年來又設(shè)計出串聯(lián)混合型和并聯(lián)混合型有源濾波器。有源濾波器雖然在諧波治理上有其突出特點，但其有功損耗較高，綜合成本比無源濾波器高出很多，故在大容量的濾波器裝置上

9、目前還未廣泛采用。隨著微電子控制器和電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，有源電力濾波器的性價比會越來越高，因此有源濾波器將是今后諧波抑制裝置的主要發(fā)展方向。三、并聯(lián)型APF1、并聯(lián)型有源電力濾波器的功能（1）、只補償諧波；（2）、只補償無功功率，補償?shù)亩嗌倏梢愿鶕?jù)需要連續(xù)調(diào)節(jié)；（3）、補償三相不對稱電流；（4）、補償供電點電壓波動；（5）、以上任意項的組合。2、并聯(lián)型APF的系統(tǒng)構(gòu)成：3、并聯(lián)型APF主電路的形式圖2 并聯(lián)型APF基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析：并聯(lián)型APF等效為一受控電流源，主要適于電流源型感性負(fù)載的諧波補償，技術(shù)上已經(jīng)比較成熟，工業(yè)上投入運行的有源電力濾波器多采用此方案。并聯(lián)系有源電力濾波器通過耦合變

10、壓器或電感器并入系統(tǒng)，不會對系統(tǒng)運行造成影響，具有投切方便、靈活及各種保護簡單的優(yōu)點。4、并聯(lián)型APF的工作原理圖2中負(fù)載電流為iL，由于負(fù)載的非線性使得iL中包含大量的諧波和無功電流，電源側(cè)電流is隨之發(fā)生畸變，變成非正弦波。經(jīng)過APF的諧波計算，得出補償電流ic ,根據(jù)基爾霍夫第一定律有，is=iL+ic,其中負(fù)載電流iL=iLf+iLh。所謂諧波補償，是檢測出負(fù)載電流中的iLh分量，將其取反后作為補償電流指令信號ic,由補償電路產(chǎn)生補償電流ic,ic與負(fù)載電流中的諧波分量iLh大小相等方向相反，相互抵消，使得電源側(cè)電流中包含基波，有效防止了諧波對電網(wǎng)污染。如果要求有源電力濾波器在補償諧波

11、的同時也補償無功，則需要檢測基波電流iLf中的有功分量iLp和無功分量iLq。iLf=iLp+iLq。此時補償電流的指令信號ic取自負(fù)載電流的諧波分量iLh和基波的無功分量iLq之和，再將取反后經(jīng)由補償電流發(fā)生電路產(chǎn)生補償電流信號ic ,ic與負(fù)載電流中的諧波和無功成分大小相等方向相反，互相抵消，電源側(cè)電流變成負(fù)載電流的有功分量，提高了功率因數(shù)，有效節(jié)約電能。圖3 三相三線制APF主電路結(jié)構(gòu)四、基于瞬時無功功率理論ip-iq諧波檢測方法實際電網(wǎng)中由于非線性負(fù)載的應(yīng)用，使得三相電壓中包含諧波分量，電壓波形甚至發(fā)生畸變，因此此法計算得出的p、q中不僅為基波電流和基波電壓得出的功率，還包括其他同次諧波的電流和電壓得出的結(jié)果，這樣p-q法計算得出的三相基波電流中不可避免的包含了諧波的成分，影響了諧波檢測的精度。為了克服這種因為電壓質(zhì)量而影響諧波檢測精度的缺點，可以采用ip-iq諧波檢測方法，如圖4所示。圖4五、三相三線并聯(lián)型有源電力濾波器數(shù)學(xué)建模相橋臂的開關(guān)管，L代表每相的濾波電感，R代表濾波電感的內(nèi)阻和由每相橋臂上、下管互鎖死區(qū)所引起的電壓損失。RL代表由并聯(lián)APF損耗所引起的負(fù)載效應(yīng)。式中所定義的3/2變換式為恒幅值變換，也即變換