有源濾波器課件

1、有源電力濾波器的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展華北電力大學(xué) 石新春教授1APF的發(fā)展 有源電力濾波器（Active Power Filter）APF是一種新型的電力電子裝置，其基本思想是從補償對象中檢測出諧波電流等分量，由補償裝置產(chǎn)生一個與該分量大小相等而極性相反的補償電流分量，抵消諧波電流分量從而使流入電網(wǎng)的電流只含有基波分量。 它具有動態(tài)相應(yīng)快、補償功能多樣且補償特性不受電網(wǎng)阻抗影響的特點，克服了傳統(tǒng)LC濾波器和無功補償方法的缺點，是諧波抑制的一個重要發(fā)展方向。2APF的發(fā)展 早期使用的LC無源濾波器，根據(jù)LC的串聯(lián)諧振原理，為諧波提供一個低阻通路，將其旁路，同時提供一定的基波無功補償。 特點：構(gòu)造簡單，

2、一直以來被廣泛使用，但是其補償固定頻率的諧波，補償特性容易受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)的影響，容易使系統(tǒng)發(fā)生諧振。3APF的發(fā)展 有源濾波器的發(fā)展經(jīng)歷的幾個階段： 最初于1969年出現(xiàn)在B.M.Bird和J.F.Marsh發(fā)表的論文中，提出向交流電網(wǎng)注入三次諧波電流來減少電源電流中的諧波成分。 1971年日本長崗科技大學(xué)H.Sasaki和T.Machida發(fā)表的論文中首次完整的描述了有源電力濾波器的基本原理。 1976年美國西屋電氣公司的L.Gyugyi等人提出用四象限PWM變流器構(gòu)成有源濾波器，并且討論了APF的實現(xiàn)方法和控制原理，確立了有源電力濾波器的基本概念。4APF的發(fā)展 20世紀(jì)80年代，兩

3、大因素促進了有源電力濾波器的研究進展。一是大功率可關(guān)斷器件的研制和應(yīng)用，如GTO和IGBT的應(yīng)用，性價比不斷提高，使大功率逆變器生產(chǎn)成為可能；二是1983年H.Akagi等人提出的“三相電路瞬時無功功率理論”，為三相系統(tǒng)畸變電流的實時檢測提供了理論依據(jù)。隨后， H.Akagi等又研制出7kVA的APF，使APF開始進入工業(yè)應(yīng)用階段5APF的發(fā)展 20世紀(jì)80年代末至今，APF一直是電力電子技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點之一，關(guān)于APF的論文在國際刊物和學(xué)術(shù)會議上不斷發(fā)表，這些論文從APF的主電路結(jié)構(gòu)、諧波電流檢測、電流跟蹤控制等方面進行研究和改進。為適應(yīng)不同的補償對象和實現(xiàn)補償?shù)亩喙δ芑群筇岢隽瞬⒙?lián)型

4、結(jié)構(gòu)、串聯(lián)型結(jié)構(gòu)和混合型結(jié)構(gòu)等。6APF的發(fā)展 APF在國外已經(jīng)進入工業(yè)實用化階段。世界上APF的主要生產(chǎn)廠家有日本三菱電機公司、美國西屋電氣公司、德國西門子公司等。 APF技術(shù)在日本已經(jīng)成熟，已有1000多臺投入市場，容量越來越大，已經(jīng)發(fā)展到MVA等級，功能也越來越豐富，除補償諧波外，還補償基波無功、平衡三相電壓，抑制電壓波動和閃變等功能7APF的發(fā)展 我國有源濾波器的研究起步較晚，直到20世紀(jì)80年代末才有論文發(fā)表。20世紀(jì)90年代以來一些高校和研究機構(gòu)開始進行APF的研究，以理論和實驗為主。未能在我國工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。 我國實際應(yīng)用并經(jīng)過鑒定的是北京電力科學(xué)研究院和冶金科學(xué)研究院共同研制

5、的用于380V三相系統(tǒng)的50kVA有源電力濾波器。西安交通大學(xué)已經(jīng)研制成功120kVA試驗樣機。 隨著電力電子及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展以及電力市場的形成，電能質(zhì)量越來越受到人們的關(guān)注，因此APF有著良好的發(fā)展前景和技術(shù)經(jīng)濟效益。8APF的基本結(jié)構(gòu)和原理有源電力濾波器原理9APF的基本結(jié)構(gòu)和原理有源電力濾波器的技術(shù)特點：1）優(yōu)點 a、補償性能好 有源電力濾波器不會與系統(tǒng)發(fā)生諧振，濾波效果較穩(wěn)定。 b、動態(tài)性能好 有源電力濾波器適合用于負載諧波電流有較大的動態(tài)變化的場合，濾波器濾除諧波的效果不會變差。 c、適應(yīng)能力強 與無源濾波器的工程性質(zhì)的設(shè)計不同，有源電力濾波器即可針對具體工程進行專門設(shè)計，也可象其它

6、電氣產(chǎn)品一樣規(guī)格化設(shè)計、生產(chǎn)，以便于推廣應(yīng)用。 d、體積小 有源電力濾波器中沒有無源濾波器中的電力電容器與電阻器，從而使體積減小，占地面積減小。10APF的基本結(jié)構(gòu)和原理2）缺點有：a、逆變器容量大 由于交流電源電壓直接加到逆變器上，要實現(xiàn)大容量的諧波補償或?qū)崿F(xiàn)有源電力濾波器補償功能的多樣性，需要有源電力濾波器逆變器具有較大的容量。b、成本高 由于較大的逆變器容量，需選用造價較高的大容量電力電子器件和相應(yīng)的驅(qū)動電路，使得有源電力濾波器的成本大大增加。c、模擬式諧波電流檢測電路的誤差 有源電力濾波器諧波電流檢測電路中器件參數(shù)的分散性以及調(diào)試誤差等，將影響諧波電流檢測精度，從而影響有源電力濾波器的

7、補償效果。11APF的基本結(jié)構(gòu)和原理按照聯(lián)結(jié)方式確定APF的種類1.并聯(lián)型APF2.串聯(lián)型APF3.串并聯(lián)型APF4.混合型APF按照儲能元件確定APF的種類電壓型APF（儲能元件為電容）電流型APF（儲能元件為電感）12APF的基本結(jié)構(gòu)和原理13并聯(lián)型APF與系統(tǒng)并聯(lián)，可等效為一受控電流源。適用于電流源型非線性負載的諧波電流抵消、無功補償及平衡三相系統(tǒng)中的不平衡電流等在技術(shù)上較為成熟，是一種應(yīng)用比較廣泛的有源濾波拓撲結(jié)構(gòu)并聯(lián)型有源濾波器14串聯(lián)型APF與并聯(lián)型相比，串聯(lián)型有源濾波器損耗較大，各種保護電路也較復(fù)雜通過一個匹配變壓器將有源濾波器串聯(lián)于電源和負載之間，消除電壓諧波，平衡或調(diào)整負荷的

8、端電壓。串聯(lián)型有源濾波器15串并聯(lián)型APF組合了串聯(lián)、并聯(lián)型有源濾波器的優(yōu)點，能解決大部分電能質(zhì)量問題，又稱為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（UPQC）這種有源濾波器的主要缺點是控制復(fù)雜，造價較高串并聯(lián)型有源濾波器16混合型APF混合型有源濾波器是在串聯(lián)型有源濾波器的基礎(chǔ)上使用一些大容量的無源LC濾波網(wǎng)絡(luò)來承擔(dān)消除低次諧波，進行無功補償。串聯(lián)型有源濾波器承擔(dān)消除高次諧波及阻尼無源LC網(wǎng)絡(luò)與線路阻抗產(chǎn)生的諧波諧振。使串聯(lián)型有源濾波器的電流、電壓額定值大大減少，降低了有源濾波器的成本和體積?；旌闲陀性礊V波器17電壓型APF電壓型有源濾波器由一個較大的電容支撐直流測電壓。這種結(jié)構(gòu)輕便，并可以擴展為多電平結(jié)構(gòu)使其

9、在開關(guān)頻率較低的情況下取得很好的性能，與電流型有源濾波器相比具有損耗小、效率高等有點，因此國內(nèi)絕大多數(shù)APF都采用這種結(jié)構(gòu)。電壓型有源濾波器電壓型有源濾波器18電流型APF由一個大電感充當(dāng)一個非正弦的電流源來提供非線性負荷的諧波電流。對于開關(guān)頻率有嚴(yán)格的限制，損耗較高，并且需要一個較大容量的并聯(lián)電容作為線路電壓支撐電容。電流型逆變器的最大缺點是不能用在多電平場合，無法提高大容量時逆變器的性能。電流型有源濾波器19APF的基本結(jié)構(gòu)和原理有源電力濾波器應(yīng)該包含兩個主要部分：一是指令電流運算電路，用來檢測出補償對象電流中的諧波和無功電流等分量；另外一個是補償電流發(fā)生電路，即根據(jù)檢測電路所得出的補償電

10、流指令信號，產(chǎn)生實際的補償電流。20APF的基本結(jié)構(gòu)和原理21諧波電流的檢測方法負載電流：提取基波分量法基于FFT的數(shù)字分析法 基于Fryze的有功電流檢測法基于瞬時無功理論的檢測方法 要進行補償，需要要檢測出基波無功分量和諧波分量。主要的方法有：22諧波電流的檢測方法提取基波分量法：最早的諧波檢測方法采用模擬濾波器來實現(xiàn)，采用陷波器將基波濾除，得到諧波分量?；虿捎脦V波器得出基本分量，再與被檢測電流相減得到諧波分量。難于設(shè)計、誤差大、對電網(wǎng)頻率波動和電路元件參數(shù)十分敏感，極少采用?；贔FT的數(shù)字分析法：采集到的一個周波的電流進行計算，得到諧波和無功電流。該方法具有較長的時間延遲，需要進行

11、兩次變換，計算量大。23諧波電流的檢測方法基于Fryze的有功電流檢測法：根據(jù)傳統(tǒng)功率定義來構(gòu)造檢測方法。這種方法積分一個周期才能得出檢測結(jié)果。80年代以來，Czarnecki等人對非正弦情況下的電流進行了新的分解。這些電流的定義雖然嚴(yán)格，但是據(jù)此構(gòu)造的檢測算法，仍然需要積分一個周波才能得出檢測結(jié)果，同樣存在實時性不好的缺點。24諧波電流的檢測方法基于瞬時無功功率的檢測法：三相電路瞬時無功功率理論由S.Fryze、W.Quade和Akagi等先后提出，隨后得到廣泛深入的研究并逐漸完善。該理論突破傳統(tǒng)的以平均值為基礎(chǔ)的功率定義，系統(tǒng)的定義了瞬時無功功率、瞬時有功功率等瞬時功率量，可以據(jù)此得出用于

12、有源電力濾波器的諧波和無功電流實時檢測方法。25諧波電流的檢測方法在兩相坐標(biāo)系下的定義：將三相電路電壓電流瞬時值變換到兩相正交坐標(biāo)系中26諧波電流的檢測方法分別為三相電路瞬時有功電流和瞬時無功電流定義三相電路的瞬時有功功率p（瞬時無功功率q）為電壓矢量的模和三相電路瞬時有功電流（瞬時無功電流）的乘積定義27諧波電流的檢測方法定義三相電路的瞬時有功功率 （瞬時無功功率 ）是兩相瞬時有功電流（瞬時無功電流）通過兩相到三相變換的結(jié)果在abc三相坐標(biāo)系中的定義：28定義a，b，c各相的瞬時有功功率 （瞬時無功功率 ）分別為該相的瞬時電壓和瞬時有功電流（瞬時無功電流）的乘積諧波電流的檢測方法29諧波電流

13、的檢測方法由以上兩式可以得到：由此可見，傳統(tǒng)理論中功率的定義是在平均值基礎(chǔ)或相量的意義上定義的，只適用于電壓、電流均為正弦波的情況。而瞬時無功功率理論中的概念，都是在瞬時值的基礎(chǔ)上定義的，不僅適用于正弦波也適用于非正弦波和任何過渡過程的情況。30諧波電流的檢測方法下面分析三相電壓電流均為基波正序分量的情況：經(jīng)過變換后，計算p,q的值為：其中得到31諧波電流的檢測方法可見在三相電壓和電流均為基波正序分量時，p，q均為常數(shù)（直流分量），其值與按傳統(tǒng)理論算出的有功功率和無功功率完全一樣。若電壓無畸變（僅含有基波正序分量），電流不僅存在負序分量，還存在諧波分量，可以證明，通過以上方法計算的瞬時功率不是

14、直流量，而是具有直流偏置的變換量，通過傅立葉分析，其中的直流分量為基波正序電流與電壓作用產(chǎn)生，而交流分量是負序分量和諧波分量與電壓作用產(chǎn)生。因此，可以通過瞬時無功功率理論較快將基波正序分量分離。32以瞬時無功功率理論為基礎(chǔ)，三相電路諧波和無功電流的檢測主要有兩種方法：p、q運算方式和 運算方式 諧波電流的檢測方法p、q運算方式：33該方法的原理如上圖所示，該方法根據(jù)定義算出p、q，再經(jīng)過低通濾波器得到p、q的直流分量 電網(wǎng)電壓波形無畸變時， 由基波有功電流和電壓作用產(chǎn)生， 由基波無功電流與電壓作用產(chǎn)生，由此即可檢測出被檢測電流的基波分量諧波電流的檢測方法34將所得的 與檢測電流相減，即可得出諧

15、波電流和基波無功分量電流之和。當(dāng)有源電力濾波器同時用于補償諧波和無功時，需要同時檢測出補償對象中的諧波和無功電流。這時由 即可計算出被檢測電流的基波有功分量諧波電流的檢測方法35諧波電流的檢測方法運算方式：原理如下圖所示，其中36通過比較分析， p、q運算方式需要10個乘法器和2個除法器， 運算方式只需要8個乘法器，運算較簡單，并且當(dāng)電網(wǎng)電壓波形有畸變時， 方式計算結(jié)果更準(zhǔn)確，因而應(yīng)用較多。該方法中，需要與a相電網(wǎng)電壓同相位的正弦信號和對應(yīng)的余弦信號，他們由一個鎖相環(huán)和一個正弦、余弦信號發(fā)生電路發(fā)生。根據(jù)定義計算，再經(jīng)過LPF濾波可得出直流分量 由 即可計算諧波電流的檢測方法進而計算出諧波分量

16、。37補償電流的控制方法根據(jù)補償電流的指令信號和實際補償電流得出控制主電路各個器件通斷的PWM信號，控制的結(jié)構(gòu)應(yīng)保證補償電流跟蹤指令信號的變化。要求補償電流發(fā)生器具有很好的實時性，目前采用較多的是跟蹤型PWM控制方式，主要有兩種方式：瞬時值比較方式三角波比較方式38瞬時值比較方式：該方式將補償電流的指令信號 與實際的補償電流信號 進行比較，兩者的偏差 作為滯環(huán)比較器的輸入，通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路中開關(guān)通斷的PWM信號，該信號經(jīng)驅(qū)動電路來控制開關(guān)的通斷，從而控制補償電流 的變化。補償電流的控制方法39用2H表示滯環(huán)比較器的環(huán)寬，當(dāng) 時，滯環(huán)比較器的輸出保持不變；而當(dāng) 時，滯環(huán)比較器的輸出將

17、翻轉(zhuǎn)，假設(shè)后面的驅(qū)動電路和主電路無延時，則補償電流 的變化方向隨之改變。這樣， 就在-H和+H之間變化，即 在 和 之間的范圍內(nèi)，呈鋸齒波狀的跟隨 的變化。 補償電流的控制方法40補償電流的控制方法瞬時比較控制時的實際電流對諧波電流的跟蹤（a）檢測的參考電流（b）補償?shù)膶嶋H電流（滯環(huán)帶寬0.2）（c）補償?shù)膶嶋H電流（滯環(huán)帶寬2）41瞬時值比較方式的特點：動態(tài)響應(yīng)快。實際輸出電流含有高次諧波，這是由滯環(huán)比較的誤差帶寬不為零引起的，滯環(huán)帶寬越大，引起的誤差越大。滯環(huán)寬度一定時，開關(guān)頻率會隨著補償電流的變化而變化，會因此較大的脈動電流和噪聲。不需要載波，輸出電壓中不含有特定的諧波分量。補償電流的控制

18、方法42三角波比較方式：將 與 的偏差 經(jīng)放大器A后與三角波比較。放大器A往往采用比例放大器或比例積分放大器。這樣組成的一個控制系統(tǒng)是基于把 控制為最小來設(shè)計的。補償電流的控制方法43三角波比較方式的特點：動態(tài)跟隨性能比較差，但其開關(guān)頻率固定，且輸出的波 形含有的諧波分量較少。硬件比較復(fù)雜。放大器的增益有限。瞬時值比較方式和三角波比較方式各有優(yōu)缺點，實際應(yīng)用時根據(jù)系統(tǒng)要求選擇。日本電氣學(xué)會調(diào)查結(jié)果表明，兩種方式在實際應(yīng)用中大體上各占一半，基本相當(dāng)。補償電流的控制方法44并聯(lián)型有源電力濾波器基本結(jié)構(gòu)45混合型有源電力濾波器基本結(jié)構(gòu)46混合型有源電力濾波器混合型有源電力濾波技術(shù)特點1、電路結(jié)構(gòu)簡單

19、、適應(yīng)性強2、成本低、經(jīng)濟實用性好 逆變器直流側(cè)電容器電壓很低，混合型補償裝置逆變器直流電壓只需調(diào)節(jié)到0.31.0倍相電壓峰值，而常規(guī)并聯(lián)型有源濾波器直流側(cè)電容電壓為34.5倍相電壓峰值，這使得可選擇耐壓較低的直流電容器，其成本也得到降低。3、可靠性高4、濾波性能好 大量仿真與長期實際掛網(wǎng)運行結(jié)果表明，混合型電力濾波裝置具有很好的諧波電流濾除效果，諧波電流補償率可達80%以上。47混合型有源電力濾波器 研制成功國內(nèi)第一臺全數(shù)字控制的三相三線制 50kVA/80A/380V混合型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器樣機 該實驗樣機如圖片所示 48混合型有源電力濾波器混合型有源電力濾波器濾波效果49混合型有源電力濾波器

20、混合型有源電力濾波器濾波效果50無源與有源混合補償技術(shù)混合型有源電力濾波器與并聯(lián)電容器組聯(lián)合補償技術(shù)應(yīng)用實例實際工業(yè)生產(chǎn)中許多工礦企業(yè)采用安裝電容器組的方法補償無功功率，提高功率因數(shù)。但由于非線性設(shè)備工作時還會產(chǎn)生諧波問題，電容器投入時可能會引起較嚴(yán)重的諧波放大，因此，在很多企業(yè)這些電容器組往往無法正常投切，從而無法保證企業(yè)的正常用電，使企業(yè)蒙受巨大的經(jīng)濟損失。另外，有的企業(yè)為補償無功功率與抑制諧波所裝設(shè)的無源電力濾波器也由于電網(wǎng)情況或企業(yè)用電設(shè)備的變化，而發(fā)生問題或不能充分發(fā)揮作用。上述問題的解決方法之一是在電容器組或濾波器設(shè)計時應(yīng)充分考慮到各種可能出現(xiàn)的實際問題，盡量避免問題的發(fā)生。另一解決方法是利用可行的有源電力濾波方案。51無源與有源混合補償技術(shù)無源與有源混合補償實際應(yīng)用中的接線圖52無源與有源混合補償技術(shù)研制的380V/120A混合型濾波器安裝在河北省某紙箱廠10/0.4kV、630kVA主變的低壓側(cè)。為補償用電設(shè)備所需的無功功率，提高功率因數(shù)，該廠在變壓器低壓側(cè)裝設(shè)了8組4