三相有源電力濾波器的設(shè)計(jì)

1、三相有源電力濾波器的設(shè)計(jì)摘要：隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，推動(dòng)了電力行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，電子裝置亦被廣泛應(yīng) 用，至此大量諧波及無功電流被用于電網(wǎng)中，但隨之而來的是極大的污染，電能質(zhì)量問題亦 顯得十分嚴(yán)重。有源電力濾波器可有效補(bǔ)償電力系統(tǒng)諧波及其無功功率，此裝置控制具備良 好的實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性，這亦是實(shí)現(xiàn)有效補(bǔ)償?shù)闹匾獌?nèi)容。三相有源電力濾波器是以模擬邏輯 方式消除電網(wǎng)諧波，從而實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)中的非線性負(fù)載電流波形，再將動(dòng)態(tài)濾波、動(dòng)態(tài)無功 功率集于一體，其使用性能良好，影響速度極快，濾波涵蓋范圍亦是非常廣泛，實(shí)際應(yīng)用效 率高，工作時(shí)并不受系統(tǒng)參數(shù)的影響。本文探討了三相有源電力濾波器的設(shè)計(jì)，并提出了實(shí) 用

2、性應(yīng)用措施，為三相有源電力濾波器設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：三相有源；電力濾波器；濾波器設(shè)計(jì)三相有源電力濾波器可實(shí)時(shí)濾除諧波，及時(shí)消除非線性負(fù)載中的諧波電流，亦或者是消 除電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生的諧波電流，從而有效降低系統(tǒng)電壓畸變率；并可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，能夠及 時(shí)發(fā)出容性無功亦或感性無功，可有效改善系統(tǒng)的功率因數(shù)；可達(dá)到降耗節(jié)能的目的，有效 降低線路損耗與變壓器損耗，能夠有效緩解設(shè)備發(fā)熱的問題，同時(shí)延長設(shè)備應(yīng)用時(shí)間，并確 保電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。三相有源電力濾波器對(duì)現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展有著極大現(xiàn)實(shí)意義，但 三相有源電力濾波器設(shè)計(jì)水平偏低，因此探討三相有源電力濾波器設(shè)計(jì)，對(duì)電力系統(tǒng)有效運(yùn) 行有著極大現(xiàn)實(shí)意義。一

3、、三相有源電力濾波器簡(jiǎn)論1、有源電力濾波器電力電子設(shè)備及非線性負(fù)載現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用，這時(shí)的諧波電流及無功電流被大量注進(jìn)電 網(wǎng)，從而威脅著電網(wǎng)及電氣設(shè)備的運(yùn)行及其正常使用。有源電力濾波器為動(dòng)態(tài)抑制諧波及補(bǔ) 償無功的設(shè)備裝置，此類電力電子設(shè)備可對(duì)頻率及大小變化諧波、無功等有效補(bǔ)償，其為十 分理想的補(bǔ)償諧波設(shè)備，為十分理想的補(bǔ)償諧波設(shè)備。有源電力濾波器具備極高可可控度， 其反映速度十分快速，可及時(shí)跟蹤補(bǔ)償各諧波與需要的無功功率，而此特性并不會(huì)受到系統(tǒng) 的影響，無諧波可合理放大，其體積與重量小。單臺(tái)有源電力濾波器造價(jià)與技術(shù)、容量均被 制約，大容量有源電力濾波器研究已獲得諸多成就，三相有源電力濾波器被廣泛

4、用于電力系 統(tǒng)中，但此方式結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，控制程序亦十分繁瑣，設(shè)計(jì)工作難度大。2、三相有源電力濾波器三相有源電力濾波器具備諸多良好的性能特點(diǎn)，其可濾除的諧波次數(shù)范圍非常廣泛，通 ?？蔀V除2-50次諧波，為可濾波除特征諧波，亦可濾除非特征濾波；諧波濾除效率高，于 額定功率下的諧波電流除率為95%；響應(yīng)速度極快，諧波補(bǔ)償電流響應(yīng)時(shí)間超過10MS；能夠 單相動(dòng)態(tài)為電力系統(tǒng)注進(jìn)補(bǔ)償電流，從而有效改善系統(tǒng)三相不平衡的問題;可自動(dòng)消除諧振， 確保各設(shè)施設(shè)備與系統(tǒng)安全運(yùn)行；可設(shè)定輸出與最大100%限流輸出，確保設(shè)備長時(shí)間穩(wěn)定 運(yùn)行；具備濾波與無功補(bǔ)償功能，比如感性與容性，從而實(shí)現(xiàn)濾波或是補(bǔ)償功能;其操作界 面

5、簡(jiǎn)單便捷；界面可實(shí)時(shí)顯示電壓與電流、諧波等參數(shù)，并且菜單設(shè)置靈活合理，可選擇消 諧模式、無功補(bǔ)償模式與諧波無功可實(shí)現(xiàn)同時(shí)補(bǔ)償模式，且具備目標(biāo)功率因數(shù)與輸出電流， 能夠及時(shí)記錄實(shí)時(shí)故障，設(shè)計(jì)選型簡(jiǎn)單合理，安裝及其操作、維護(hù)工作亦非常簡(jiǎn)單；可可 10臺(tái)擴(kuò)展并聯(lián)運(yùn)行；保護(hù)措施簡(jiǎn)單完善，具備系統(tǒng)電壓過壓保護(hù)及欠壓保護(hù)、輸出過流保 護(hù)、過熱保護(hù)、控制電壓欠壓保護(hù)。其工作原理主要是實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)中的負(fù)載電流，從而將 諧波電流分量合理分離，以諧波電流大小發(fā)出控制指令，達(dá)到實(shí)時(shí)產(chǎn)生大小相等與方向相反 補(bǔ)償電流，并將補(bǔ)償電流注進(jìn)電網(wǎng)中，這時(shí)則可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)抵消濾除諧波電流的目的，并實(shí)現(xiàn) 無功補(bǔ)償。二、三相有源電力濾波

6、器主電路參數(shù)選擇三相有源電力濾波器主電路參數(shù)及其系統(tǒng)模型會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)控制效果，選擇適當(dāng)?shù)闹?電路參數(shù)對(duì)濾波器穩(wěn)定運(yùn)行十分關(guān)鍵，亦是有效控制性能的重要條件，本文對(duì)此進(jìn)行了下述 幾方面分析：1、交流側(cè)電感選擇有源電力濾波器指令電流中的諧波及暫態(tài)電流十分關(guān)鍵，要求實(shí)際輸出電流可有著良好 的跟蹤能力，有源電力濾波器補(bǔ)償對(duì)象確定時(shí)，有源電力濾波器主電路參數(shù)選擇及其性能、 效率息息相關(guān)。電感有通低頻及阻高頻電流會(huì)導(dǎo)致有源濾波器補(bǔ)償電流中均是諧波電流，電 感值設(shè)計(jì)與電流跟蹤性能及其補(bǔ)償效果息息相關(guān)。主電路參數(shù)是互相制約的，不可單獨(dú)的選 擇電感值。穩(wěn)定的電流跟蹤能力為有源電力濾波器運(yùn)行中諧波補(bǔ)償?shù)闹匾獌?nèi)容，

7、與最終的諧 波補(bǔ)償效果息息相關(guān)，電網(wǎng)電壓及濾波器直流側(cè)電容電壓確定時(shí)，補(bǔ)償電流跟蹤效果與主電 路功率器件開關(guān)頻率及補(bǔ)償電流瞬時(shí)變化率息息相關(guān)。（1）器件開關(guān)頻率器件開關(guān)頻率對(duì)濾波器運(yùn)行非常重要，有源電力濾波器的目的就是產(chǎn)生諧波，這時(shí)則強(qiáng) 調(diào)系統(tǒng)具備更高的電流帶寬。若開關(guān)頻率太低則表示主電路電流帶寬低，輸出高頻率電流分 量難度較大，這時(shí)系統(tǒng)則缺乏相應(yīng)的諧波補(bǔ)償能力，從而導(dǎo)致補(bǔ)償效果偏低。（2）電流波形就電流波形而言，偏低的開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)償電流中存在的紋波成分不斷增大，隨之而 來的系統(tǒng)損耗亦加大，電流跟蹤效果則隨之惡化；若開關(guān)頻率高時(shí)，會(huì)使得開關(guān)功率耗損增 大，從而提高了系統(tǒng)損耗，系統(tǒng)效率亦持續(xù)

8、降低。（3）補(bǔ)償電流補(bǔ)償電流瞬時(shí)變化率會(huì)面對(duì)兩個(gè)互相矛盾的問題，有源電力濾波器中的主電路應(yīng)具備更 高的補(bǔ)償電流變化率，確保補(bǔ)償具備更大的電流變化率，非線性負(fù)載中亦可產(chǎn)生補(bǔ)償電流， 從而達(dá)到諧波補(bǔ)償?shù)哪康摹Ｑa(bǔ)償電流波形與被補(bǔ)償?shù)呢?fù)載電流波形息息相關(guān)，而被補(bǔ)償?shù)呢?fù)載電流變化率大時(shí)，對(duì)濾波器的要求就會(huì)更高；再是補(bǔ)償電流變化率不可太高，以便適應(yīng)對(duì) 補(bǔ)償電流紋波大小的要求。若補(bǔ)償電流中的變化率太大，則會(huì)導(dǎo)致濾波器輸出電流超調(diào)，從 而于補(bǔ)償電流中出現(xiàn)極大的紋波毛刺使得補(bǔ)償效果失靈。主電路參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，電網(wǎng)電壓及濾 波器直流電容電壓確定條件下，濾波器變化率均是由交流側(cè)接口電感產(chǎn)生的，主電路參數(shù)間 存在的互相關(guān)

9、聯(lián)與制約關(guān)系十分重要，電感參數(shù)要可保證系統(tǒng)具備高電流帶寬、動(dòng)態(tài)性能、 低開關(guān)損耗，以確保濾波器運(yùn)行安全穩(wěn)定。（4）串聯(lián)電感串聯(lián)電感設(shè)計(jì)時(shí)，若電流過零，則電流變化率大，這時(shí)的電感務(wù)必小，才能更好的適應(yīng) 快速跟蹤電流的要求；再是正弦電流峰值的輸出電流紋波極為嚴(yán)重，而這時(shí)的電感要大，要 適應(yīng)開關(guān)抑制諧波電流的要求。2、直流母線額定電壓選擇要全面分析空間矢量控制下的三相有源電力濾波器工作過程，確定其間主電路參數(shù)選擇 互相聯(lián)系，不可僅注重其間某個(gè)。三相有源電力濾波器直流側(cè)電容電壓會(huì)因外部因素而限制， 這時(shí)則應(yīng)全面分析特定待補(bǔ)償非線性負(fù)載的實(shí)際情況，合理選擇直流側(cè)電容電壓。有源電力 濾波器直流側(cè)電容電壓選

10、擇與特定被補(bǔ)償非線性負(fù)載息息相關(guān)，并與交流側(cè)接口電感及電網(wǎng) 電壓矢量問題密不可分。有源電力濾波器直流側(cè)電容電壓臨界值選擇及其補(bǔ)償電流特定為諧 波分布特性，交流側(cè)接口電感參數(shù)與其亦是息息相關(guān)，其并不是簡(jiǎn)單的固定數(shù)值。3、直流母線電容選擇有源電力濾波器為直流側(cè)電容充、放電過程，其間濾波器性能與穩(wěn)態(tài)工作下的直流側(cè)電 容電壓應(yīng)保持不變。電容量大小會(huì)嚴(yán)重影響到電壓波動(dòng)，若電容大則電壓波動(dòng)小，有源濾波 器具備良好的濾波效果；但若電容大則成本會(huì)隨之增加。直流側(cè)電容的目的是給變流器提供 相應(yīng)的電壓參考，直流電壓于變流器實(shí)際工作中務(wù)必保持穩(wěn)定，變流器中的開關(guān)器件會(huì)因工作而出現(xiàn)損耗，這時(shí)穩(wěn)定直流電壓則十分關(guān)鍵，應(yīng)

11、于系統(tǒng)中吸收有功電流，以達(dá)到維持直流 電壓穩(wěn)定的目的。直流側(cè)電容多用來穩(wěn)定電壓源型變流器，其屬于穩(wěn)定的直流電壓源，負(fù)序 和諧波電流于直流電容側(cè)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的能量脈動(dòng)，且因開關(guān)的作用及有源電力濾波器交 流側(cè)電感儲(chǔ)能而出現(xiàn)能量脈動(dòng)的問題諸多，這些均需直流側(cè)電容合理緩沖。4、交流側(cè)輸出濾波器設(shè)計(jì)有源電力濾波器的目的是為了處理電網(wǎng)中的非線性負(fù)載導(dǎo)致的諧波電流引起的電能質(zhì) 量問題所設(shè)計(jì)的電力電子設(shè)備，可檢測(cè)其負(fù)荷側(cè)電流獲得畸變電流分量，再以逆變器生成脈 寬調(diào)制波，通過輸出低通濾波器濾除開關(guān)波紋，之后再將其融于電網(wǎng)中，生成相應(yīng)的補(bǔ)償電 流再注進(jìn)電網(wǎng)中，充分抵消負(fù)載諧波電流，確保電源側(cè)電流與正弦波接近，有

12、效改善電網(wǎng)電 能質(zhì)量。輸出電流中存在50次及以下的諧波電流，開50次以上的諧波分量要全部濾除。通 常采用LCL濾波器，此濾波器電感電容大小合理，濾波器于高頻位置時(shí)，能夠得到良好的衰 減，且系統(tǒng)阻抗對(duì)輸出電流影響小。三、三相有源電力濾波器實(shí)現(xiàn)影響分析三相有源電力濾波器實(shí)現(xiàn)主要是諧波分析、電流內(nèi)環(huán)跟蹤控制、直流母線電壓穩(wěn)定、驅(qū) 動(dòng)信號(hào)生成等。若母線電壓低于設(shè)定值，則有源電力濾波器可于電網(wǎng)中穩(wěn)定吸收能量；若母 線電壓高于設(shè)定值時(shí)，則有源電力濾波器會(huì)于電網(wǎng)中釋放有功能量，合理維持直流母線電壓 穩(wěn)定。有源電力濾波器驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成，大都是以SPMW調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)的，開關(guān)頻率應(yīng)選擇 125kHz，本文對(duì)三相有源

13、電力濾波器實(shí)現(xiàn)影響進(jìn)行了下述分析：1、負(fù)載突變對(duì)直流母線電壓造成的影響全諧波檢測(cè)算法是以負(fù)載電流降低通濾波器輸出電流實(shí)現(xiàn)的，低通濾波器輸出固有時(shí)延 是，會(huì)導(dǎo)致負(fù)載突變時(shí)的直流電流中生成基波殘留。而負(fù)載突然降低時(shí)，則有源電力濾波器 可由電網(wǎng)中吸收相應(yīng)的有功能量，促使有源電力濾波器母線電壓快速提高；反之則母線電壓 會(huì)突然降低。新型諧波檢測(cè)算法并不需要通過負(fù)載電流減濾波器輸出量，可通過簡(jiǎn)單的方式 提取諧波指令，負(fù)載突變時(shí)的指令電流中不存在基波，亦不會(huì)造成有源電力濾波器直流母線 電壓出現(xiàn)大范圍變化。負(fù)載突變時(shí)的全諧波算法可有效維持直流母線電壓穩(wěn)定，而直流母線 電壓波動(dòng)大，新諧波算法直流母線電壓無波動(dòng)，

14、可以說新諧波算法有助于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。2、相位誤差對(duì)無功電流檢測(cè)造成的影響瞬時(shí)無功功率理論下的dp法實(shí)時(shí)性良好，且計(jì)算量不多，電網(wǎng)中的電壓出現(xiàn)畸變時(shí)， 亦可準(zhǔn)確無誤的檢測(cè)電流中存在的諧波和無功電流，其可快速檢測(cè)出電流。系統(tǒng)中的電網(wǎng)電 壓正弦量及坐標(biāo)變化正弦量間會(huì)存在相位差，會(huì)造成檢測(cè)結(jié)果測(cè)量誤差，通常相位差的產(chǎn)生 為兩個(gè)原因，其一是因電網(wǎng)電壓不對(duì)稱而導(dǎo)致其間存在負(fù)序電壓，過零檢測(cè)鎖相方式坐標(biāo)變 換正、余弦信號(hào)相位是系統(tǒng)電壓所決定的，亦是和正序電壓及負(fù)序電壓分量和相同，但是期 望的正弦信號(hào)要與正序分量為同相；其二是因鎖相不準(zhǔn)確而導(dǎo)致相位出現(xiàn)偏移。坐標(biāo)變換中 正弦量相位差導(dǎo)致基波有功電流檢測(cè)中存在誤

15、差，而這時(shí)則不可正確檢測(cè)諧波與無功電流。 負(fù)荷電流畸變不對(duì)稱時(shí)的電壓亦是不平衡的，亦或者是其關(guān)鍵環(huán)節(jié)的誤差使得其間存在較大 的相位差，諧波與無功電流亦存在相應(yīng)的誤差，這時(shí)亦會(huì)嚴(yán)重影響控制直流電壓的有功分量， 同時(shí)影響了相位差。而此問題均是以dp坐標(biāo)閉環(huán)鎖相方式、過零檢測(cè)修正鎖相方式、電源 電壓矢量同步參考坐標(biāo)法等方式來處理。3、低通濾波器對(duì)檢測(cè)誤差造成的影響直流量提取是通過低通濾波器實(shí)現(xiàn)的，濾波器性能會(huì)直接影響檢測(cè)誤差，通常是期望能 夠?yàn)V除全部的交流分量而得到純的直流量，這時(shí)低通濾波器實(shí)現(xiàn)純直流濾波則難度較大。 結(jié)束語社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，電力行業(yè)更加注重高次諧波抑制的重要性，并強(qiáng)調(diào)諧波污染的降

16、 低，諸多新型有源濾波系統(tǒng)亦應(yīng)時(shí)而生，且設(shè)施設(shè)備均是不同的，電力系統(tǒng)運(yùn)行亦要求可準(zhǔn)確快速地補(bǔ)償電網(wǎng)諧波電流，亦或者是諧波電壓，有源濾波器若需實(shí)現(xiàn)如此效果，則系統(tǒng)電 路設(shè)計(jì)務(wù)必科學(xué)合理，但這多依賴于三相有源電力濾波器的設(shè)計(jì)。有源電力濾波器應(yīng)具備良 好的電壓控制功能及高性能電流控制功能，電壓控制性能務(wù)必具備良好的穩(wěn)態(tài)精度，并以合 理的動(dòng)態(tài)性能安全啟動(dòng)控制。本文對(duì)三相有源電力濾波器進(jìn)行了簡(jiǎn)論，探討了三相有源電力 濾波器主電路參數(shù)選擇，并分析了三相有源電力濾波器實(shí)現(xiàn)影響，為三相有源電力濾波器設(shè) 計(jì)提供參考依據(jù)。參考文獻(xiàn)杜太行，胡相彬，趙川，等.有源電力濾波器補(bǔ)償電流控制與主電路參數(shù)設(shè)計(jì)J.低壓電 器，2010(06).樂江源，謝運(yùn)祥，張志，陳林.三相有源電力濾波器精確反饋線性化空間矢量PWM復(fù)合控制 J.中國電機(jī)工程