APF有源電力濾波器解讀

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(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Σ煌笮『皖l率 的諧波進(jìn)行快速跟蹤補(bǔ)償，之所以稱為有源，是相對(duì)于無(wú)源LC濾波器，只能被動(dòng)吸收固定頻率與大小的諧波而言，APF可以通過(guò)采樣負(fù)載電流并進(jìn)行各次諧波和無(wú)功的分離，控制并主動(dòng)輸出電流的大小、 頻率和相位，并且快速響應(yīng)，抵銷負(fù)載中相應(yīng)電流，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤 補(bǔ)償，而且可以既補(bǔ)諧波又補(bǔ)無(wú)功和不平衡。中文名有源電力濾波器所屬學(xué)科物理外文名Active powerfilter所屬領(lǐng)域電學(xué)英文簡(jiǎn)稱APF種類并聯(lián)型和串聯(lián)型目錄1、概述2、理論基礎(chǔ)3、工作原理4、標(biāo)

2、準(zhǔn)5、三電平?技術(shù)優(yōu)勢(shì)?濾波器?基本應(yīng)用?主要應(yīng)用場(chǎng)合?其他?優(yōu)勢(shì)6、性能說(shuō)明7、配件選型1、概述三相電路瞬時(shí)無(wú)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(wèn)題。2、理論基礎(chǔ)有源濾波器同無(wú)源濾波器比較，治理效果好，主要可以同時(shí)濾除 多次及高次諧波，不會(huì)引起諧振，但是價(jià)位相對(duì)高！實(shí)際應(yīng)用安全系 數(shù)很低，國(guó)際普遍做法是以變壓器升壓，來(lái)保證可靠性，國(guó)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Sato ns有源電力濾波器通過(guò)電流互感器檢測(cè)負(fù)載電流，并通過(guò)內(nèi)

3、部DSP計(jì)算，提取出負(fù)載電流中的諧波成分，然后通過(guò)PWM言號(hào)發(fā)送給內(nèi)部IGBT,控制逆變器產(chǎn)生 一個(gè)和負(fù)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(dá)到濾波的目的。指令電流檢測(cè)電路的功能主要是從負(fù)載電流中分離出諧波電流分 量和基波無(wú)功電流，然后將其反極性作用后發(fā)生補(bǔ)償電流的指令信 號(hào)。電流跟蹤控制電路的功能是根據(jù)主電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流，計(jì)算出主電路各開(kāi)關(guān)器件的觸發(fā)脈沖，此脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)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(dá)到消除諧波與進(jìn)行無(wú) 功補(bǔ)償?shù)哪康?。根?jù)同樣的原理，電力有源濾波器還能對(duì)不對(duì)稱三相 電路的負(fù)序電流分量進(jìn)行補(bǔ)償。有源電力濾波器的主電路一般由 P

4、WM逆變器構(gòu)成。根據(jù)逆變器直 流側(cè)儲(chǔ)能元件的不同，可分為電壓型有源濾波器（儲(chǔ)能元件為電容）和電流型有源濾波器（儲(chǔ)能元件為電感）。電壓型有源濾波器在工作時(shí) 需對(duì)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PWMfe壓波。而電流型有源濾波器在工作時(shí)需對(duì)直流側(cè)電感 電流進(jìn)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 PWh電流波。電壓型有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)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(shí)過(guò)電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓GB/T15576-1995低壓無(wú)功功率靜態(tài)補(bǔ)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(hù)等級(jí)

6、的分類5、三電平二極管箝位三電平拓?fù)?由日本學(xué)者 Nabae. A等人在1980年提 出，經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于電力電子技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。二極 管箝位三電平拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)在于，各個(gè)開(kāi)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(jí)的開(kāi)關(guān)管，組成較高電壓等級(jí)的 變流器。已經(jīng)廣泛應(yīng)用于4.2kV電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。通常三電平技術(shù)一 般應(yīng)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(shí)決定的。 但是我們應(yīng)該看到二極 管箝位三電平拓?fù)浔旧砉逃械囊恍﹥?yōu)勢(shì)。5.1技術(shù)優(yōu)勢(shì)（1）用電壓等級(jí)較低的開(kāi)關(guān)管構(gòu)成電壓等級(jí)較高的變流器，隨 著功率器件技術(shù)的不斷發(fā)展，

7、市場(chǎng)上已經(jīng)有 6500V的IGBT出售，但 是耐壓越高的IGBT其開(kāi)關(guān)損耗越高，最高開(kāi)關(guān)頻率也變得比較低。 3300V以上的IGBT開(kāi)關(guān)頻率最高不會(huì)超過(guò)5kHz,1200V的IGBT的開(kāi)關(guān) 損耗遠(yuǎn)大于600V的IGBT。采用低壓IGBT的三電平變流器的開(kāi)關(guān)損耗 遠(yuǎn)低于同樣電壓等級(jí)采用高壓IGBT的兩電平變流器，同時(shí)前者可以 達(dá)到的開(kāi)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(fù)母線電壓以及零電壓（簡(jiǎn)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(huì)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(shuō)三電平的電壓跳變幅度

8、為直 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(duì)并網(wǎng)逆變器或有源電力濾波器帶來(lái)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(lái)了較高的紋波 電流損耗。同時(shí)由于輸出濾波電感電容也降低了電流響應(yīng)速度，或?qū)敵鲭娏鞯哪芰Ξa(chǎn)生了一定的限制。對(duì)于變頻器帶來(lái)的則是對(duì)電機(jī)的 沖擊以及較大的軸電流，嚴(yán)重影響著電機(jī)的壽命。另外，較高的電壓 跳變幅度也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，對(duì)周邊電子設(shè)備產(chǎn)生也重危害。 而三電平以其固有的優(yōu)勢(shì)，在很大程度上解決了上述問(wèn)題。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，三電平技術(shù)被越來(lái)越多的人所重視，同時(shí) 也將其從中壓大功率領(lǐng)域，引入到400V的低壓小功率應(yīng)用

9、之中，各 個(gè)國(guó)際知名功率器件廠家推出了大量適應(yīng)于 400V系統(tǒng)應(yīng)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(shì)。應(yīng)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(jī)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(yīng)用中取得了 巨大成功。（2）2009年德州和能工業(yè)自動(dòng)化有限公司在自主開(kāi)發(fā)的三電平變 流器控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，推出了 HEINV系列三電平光伏并網(wǎng)逆變器， 前端采用對(duì)稱BOOS進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，逆變器采用二極管箝位三 電平拓?fù)?，兩者相互配合，采?Semikron的三電平功率模塊，各項(xiàng) 指標(biāo)均

10、優(yōu)于同類兩電平產(chǎn)品。（3） 2006年上海交通大學(xué)與上海信元瑞電氣有限公司（當(dāng)時(shí)的上 海飛平電子有限公司）合作推出了國(guó)內(nèi)唯一一個(gè)以能量算法為基礎(chǔ)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(guó)137個(gè)大型項(xiàng)目中的實(shí)際應(yīng)用情況反饋， 證明和標(biāo)志了中國(guó)FACT取術(shù)已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。5.2濾波器將二極管箝位三電平技術(shù)應(yīng)用于有源電力濾波器領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外很 多文獻(xiàn)都有涉及，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者對(duì)此都進(jìn)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(méi)有 從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)。究其原因，有可能是技術(shù)不夠成熟，控制算法過(guò) 于復(fù)雜，應(yīng)

11、用成本高，也可能是企業(yè)界對(duì)此不夠重視，尚未認(rèn)識(shí)到該 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。德州和能工業(yè)自動(dòng)化有限公司通過(guò)對(duì)三電平技術(shù)的深入 研究以及對(duì)市場(chǎng)趨勢(shì)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(shì)：5.3基本應(yīng)用SPA系列有源電力濾波器性能描述可同時(shí)濾除2次到60次諧波40卩s內(nèi)響應(yīng)負(fù)荷變化，全響應(yīng)時(shí)間小于10ms（1/2周波）單相動(dòng)態(tài)補(bǔ)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(dá)20KHZ的IGBT,完美消除諧波并聯(lián)安裝方式，安裝簡(jiǎn)單、方便，易于擴(kuò)展，最多可10臺(tái)并聯(lián)優(yōu)勢(shì)SPA是諧波治理的

12、完美解決方案動(dòng)態(tài)電流補(bǔ)償消除諧波和提高功率因數(shù)減少諧波在電纜、開(kāi)關(guān)、變壓器中的發(fā)熱應(yīng)用范圍SPA適用于工業(yè)負(fù)載場(chǎng)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(shí)濾除225次范圍內(nèi)的全部或選定次數(shù)的諧波單相動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，不受系統(tǒng)不平衡的影響并聯(lián)安裝方式，安裝簡(jiǎn)單、方便，易于擴(kuò)展，最多可 4臺(tái)并聯(lián)設(shè)計(jì)選型簡(jiǎn)單，不需要進(jìn)行詳細(xì)的電網(wǎng)分析，只需測(cè)量諧波電流的大小體積輕巧，可壁掛安裝標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，方便的接入用戶現(xiàn)有的通訊系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)SPA系列是諧波治理的完美解決方案動(dòng)態(tài)電流補(bǔ)償消除諧波和提高功率因數(shù)減少諧波在電纜、開(kāi)關(guān)、變壓器中的發(fā)熱減少諧波引起的停電故障和時(shí)間提高電源利用率減少運(yùn)

13、營(yíng)成本應(yīng)用范圍三相四線適用于商業(yè)建筑負(fù)載場(chǎng)合5.4主要應(yīng)用場(chǎng)合1. 變頻設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)合 隨著技術(shù)的進(jìn)步，變頻設(shè)備大量應(yīng)用于 各類場(chǎng)合，變頻設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，因此，這類場(chǎng)合是有源濾波 器主要的目標(biāo)市場(chǎng)之一。2. 不穩(wěn)定負(fù)荷的應(yīng)用場(chǎng)合不穩(wěn)定負(fù)荷不是有源濾波器的主要市場(chǎng)，但它是電力系統(tǒng)一個(gè)極其重要的方面， 因?yàn)椴环€(wěn)定的負(fù)荷雖然 所占比例不大，但是它們對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它負(fù)荷 所造成的影響，因此對(duì)于該類應(yīng)用場(chǎng)合也應(yīng)作為有源濾波器的主要市 場(chǎng)方向之一。3. 鋼鐵廠 鋼鐵廠的電弧爐、軋鋼機(jī)等是主要的諧波發(fā)生設(shè)備， 且主要是沖擊性負(fù)荷，對(duì)鋼鐵廠附近的其它負(fù)荷有很大影響。同時(shí)， 諧波問(wèn)題對(duì)鋼

14、鐵廠無(wú)功補(bǔ)償?shù)挠绊懞艽螅?所以應(yīng)以無(wú)功補(bǔ)償和諧波治 理同時(shí)處理作為目標(biāo)。4. 有色冶金 有色冶金的負(fù)荷除電弧爐性質(zhì)的負(fù)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(jī)械 港機(jī)是大型的提升設(shè)備，一般都采用很大的變頻 器，因此是港口機(jī)械主要的諧波發(fā)生源， 因此對(duì)于該類應(yīng)用場(chǎng)合也應(yīng) 作為有源濾波器的市場(chǎng)方向之一。6. 電氣化鐵路電氣化鐵路一般使用直流電機(jī)拖動(dòng)，因此是一個(gè)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(yùn)行 情況，大多數(shù)系統(tǒng)都安裝了濾波器。預(yù)計(jì)本產(chǎn)品可以達(dá)到電氣鐵路濾 波器國(guó)產(chǎn)化的作用。7.高精度自動(dòng)化生產(chǎn)線 高精度自動(dòng)化生產(chǎn) 線本身不產(chǎn)生諧波，但是對(duì)于電能質(zhì)量

15、有很高的要求，因此需要在高 精度自動(dòng)化生產(chǎn)線的供電側(cè)安裝有源濾波器， 以降低諧波對(duì)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(diào)集中場(chǎng)所 辦公大樓、 大型商業(yè)區(qū)等節(jié)能燈和空調(diào)集中場(chǎng)所的諧波情況也非常嚴(yán)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(diǎn)，德州和能工業(yè)自動(dòng)化有限公司在本公司三電 平變流器控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，緊密跟蹤行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，推出三電平有 源電力濾波器產(chǎn)品。同時(shí)，我公司愿與業(yè)內(nèi)同行企業(yè)合作，共同推進(jìn) 三電平有源電力濾波器的應(yīng)用，為中國(guó)電能質(zhì)量事業(yè)做出貢獻(xiàn)。國(guó)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(guó)內(nèi)知名生產(chǎn)廠家有：

16、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優(yōu)勢(shì)(1)低紋波電流，高電流響應(yīng)速度紋波電流和電流響應(yīng)速度是矛盾的兩個(gè)指標(biāo)。作為有源電力濾波 器，其基本原理是檢測(cè)負(fù)載諧波，注入反相諧波，以諧波的相互抵消 達(dá)到濾波的目的。一般的有源電力濾波器是一個(gè)電流模式控制的電壓 源逆變器。輸出電流是通過(guò)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(kāi)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(wú)關(guān)。 開(kāi)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

17、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(bǔ)償50次諧 波計(jì)算，最高諧波頻率將達(dá)到2.5kHz。有源電力濾波器對(duì)電流響應(yīng)速 度有很高的要求。電流響應(yīng)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(yīng)越快；輸出電感越大，電流響應(yīng)越 慢。我們期望輸出紋波電流越小越好，電流響應(yīng)速度越快越好，這是 一對(duì)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(gè)矛 盾的辦法只能是提高開(kāi)關(guān)。在某些廠家的兩電平有源電力濾波器產(chǎn)品 的開(kāi)關(guān)頻率已經(jīng)達(dá)到20kHz。但是，開(kāi)關(guān)頻率的提高帶來(lái)的是更高的 開(kāi)關(guān)損耗以及驅(qū)動(dòng)損耗，有源電力濾波器的單機(jī)容量會(huì)受到限制，

18、而 對(duì)于更高電壓等級(jí)的有源電力濾波器，高壓的IGBT根本就不允許那么高的開(kāi)關(guān)頻率。然而，三電平有源電力濾波器從原理上就是一個(gè)解 決上述問(wèn)題的方案。三電平逆變器可以輸出正、負(fù)、零三種電壓，在 計(jì)算紋波電流時(shí)，只需按直流母線電壓的一半計(jì)算。由此，在相同開(kāi) 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(shí)器件的開(kāi)關(guān)損耗和電感上的紋波損耗 也會(huì)降低。在計(jì)算電流響應(yīng)速度時(shí)，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(yīng)速度，增強(qiáng)濾波效果，提高單 機(jī)容量。（2）提高系統(tǒng)耐壓，應(yīng)用于較高電壓系統(tǒng)通常國(guó)內(nèi)低壓電網(wǎng)為400V,但是對(duì)于某些行業(yè)，其低壓電網(wǎng)會(huì)比 較高，例如石油鉆機(jī)傳動(dòng)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(jí)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(gè)問(wèn)題。通常為了提高電流響 應(yīng)速度、保證補(bǔ)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(duì)于380V應(yīng)用，直流母線 電壓一般在700V750V,而對(duì)于600V,直流母線電壓需要