有源滤波器ppt课件.ppt

1,有源电力滤波器的技术现状和发展,华北电力大学 石新春教授,2,APF的发展,有源电力滤波器（Active Power Filter）APF是一种新型的电力电子装置，其基本思想是从补偿对象中检测出谐波电流等分量，由补偿装置产生一个与该分量大小相等而极性相反的补偿电流分量，抵消谐波电流分量从而使流入电网的电流只含有基波分量。 它具有动态相应快、补偿功能多样且补偿特性不受电网阻抗影响的特点，克服了传统LC滤波器和无功补偿方法的缺点，是谐波抑制的一个重要发展方向。,3,APF的发展,早期使用的LC无源滤波器，根据LC的串联谐振原理，为谐波提供一个低阻通路，将其旁路，同时提供一定的基波无功补偿。 特点：构造简单，一直以来被广泛使用，但是其补偿固定频率的谐波，补偿特性容易受电网阻抗和运行状态的影响，容易使系统发生谐振。,4,APF的发展,有源滤波器的发展经历的几个阶段： 最初于1969年出现在B.M.Bird和J.F.Marsh发表的论文中，提出向交流电网注入三次谐波电流来减少电源电流中的谐波成分。 1971年日本长岗科技大学H.Sasaki和T.Machida发表的论文中首次完整的描述了有源电力滤波器的基本原理。 1976年美国西屋电气公司的L.Gyugyi等人提出用四象限PWM变流器构成有源滤波器，并且讨论了APF的实现方法和控制原理，确立了有源电力滤波器的基本概念。,5,APF的发展,20世纪80年代，两大因素促进了有源电力滤波器的研究进展。一是大功率可关断器件的研制和应用，如GTO和IGBT的应用，性价比不断提高，使大功率逆变器生产成为可能；二是1983年H.Akagi等人提出的“三相电路瞬时无功功率理论”，为三相系统畸变电流的实时检测提供了理论依据。随后， H.Akagi等又研制出7kVA的APF，使APF开始进入工业应用阶段,6,APF的发展,20世纪80年代末至今，APF一直是电力电子技术领域的研究热点之一，关于APF的论文在国际刊物和学术会议上不断发表，这些论文从APF的主电路结构、谐波电流检测、电流跟踪控制等方面进行研究和改进。为适应不同的补偿对象和实现补偿的多功能化，先后提出了并联型结构、串联型结构和混合型结构等。,7,APF的发展,APF在国外已经进入工业实用化阶段。世界上APF的主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电气公司、德国西门子公司等。 APF技术在日本已经成熟，已有1000多台投入市场，容量越来越大，已经发展到MVA等级，功能也越来越丰富，除补偿谐波外，还补偿基波无功、平衡三相电压，抑制电压波动和闪变等功能,8,APF的发展,我国有源滤波器的研究起步较晚，直到20世纪80年代末才有论文发表。20世纪90年代以来一些高校和研究机构开始进行APF的研究，以理论和实验为主。未能在我国工业领域广泛应用。 我国实际应用并经过鉴定的是北京电力科学研究院和冶金科学研究院共同研制的用于380V三相系统的50kVA有源电力滤波器。西安交通大学已经研制成功120kVA试验样机。 随着电力电子及相关技术的发展以及电力市场的形成，电能质量越来越受到人们的关注，因此APF有着良好的发展前景和技术经济效益。,9,APF的基本结构和原理,有源电力滤波器原理,10,APF的基本结构和原理,有源电力滤波器的技术特点：,1）优点 a、补偿性能好 有源电力滤波器不会与系统发生谐振，滤波效果较稳定。 b、动态性能好 有源电力滤波器适合用于负载谐波电流有较大的动态变化的场合，滤波器滤除谐波的效果不会变差。 c、适应能力强 与无源滤波器的工程性质的设计不同，有源电力滤波器即可针对具体工程进行专门设计，也可象其它电气产品一样规格化设计、生产，以便于推广应用。 d、体积小 有源电力滤波器中没有无源滤波器中的电力电容器与电阻器，从而使体积减小，占地面积减小。,11,APF的基本结构和原理,2）缺点有：a、逆变器容量大 由于交流电源电压直接加到逆变器上，要实现大容量的谐波补偿或实现有源电力滤波器补偿功能的多样性，需要有源电力滤波器逆变器具有较大的容量。b、成本高 由于较大的逆变器容量，需选用造价较高的大容量电力电子器件和相应的驱动电路，使得有源电力滤波器的成本大大增加。c、模拟式谐波电流检测电路的误差 有源电力滤波器谐波电流检测电路中器件参数的分散性以及调试误差等，将影响谐波电流检测精度，从而影响有源电力滤波器的补偿效果。,12,APF的基本结构和原理,按照联结方式确定APF的种类1.并联型APF2.串联型APF3.串并联型APF4.混合型APF按照储能元件确定APF的种类电压型APF（储能元件为电容）电流型APF（储能元件为电感）,13,APF的基本结构和原理,14,并联型APF,与系统并联，可等效为一受控电流源。适用于电流源型非线性负载的谐波电流抵消、无功补偿及平衡三相系统中的不平衡电流等,在技术上较为成熟，是一种应用比较广泛的有源滤波拓扑结构,并联型有源滤波器,15,串联型APF,与并联型相比，串联型有源滤波器损耗较大，各种保护电路也较复杂,通过一个匹配变压器将有源滤波器串联于电源和负载之间，消除电压谐波，平衡或调整负荷的端电压。,串联型有源滤波器,16,串并联型APF,组合了串联、并联型有源滤波器的优点，能解决大部分电能质量问题，又称为统一电能质量调节器（UPQC）,这种有源滤波器的主要缺点是控制复杂，造价较高,串并联型有源滤波器,17,混合型APF,混合型有源滤波器是在串联型有源滤波器的基础上使用一些大容量的无源LC滤波网络来承担消除低次谐波，进行无功补偿。,串联型有源滤波器承担消除高次谐波及阻尼无源LC网络与线路阻抗产生的谐波谐振。使串联型有源滤波器的电流、电压额定值大大减少，降低了有源滤波器的成本和体积。,混合型有源滤波器,18,电压型APF,电压型有源滤波器由一个较大的电容支撑直流测电压。这种结构轻便，并可以扩展为多电平结构使其在开关频率较低的情况下取得很好的性能，与电流型有源滤波器相比具有损耗小、效率高等有点，因此国内绝大多数APF都采用这种结构。,电压型有源滤波器,电压型有源滤波器,19,电流型APF,由一个大电感充当一个非正弦的电流源来提供非线性负荷的谐波电流。对于开关频率有严格的限制，损耗较高，并且需要一个较大容量的并联电容作为线路电压支撑电容。,电流型逆变器的最大缺点是不能用在多电平场合，无法提高大容量时逆变器的性能。,电流型有源滤波器,20,APF的基本结构和原理,有源电力滤波器应该包含两个主要部分：一是指令电流运算电路，用来检测出补偿对象电流中的谐波和无功电流等分量；另外一个是补偿电流发生电路，即根据检测电路所得出的补偿电流指令信号，产生实际的补偿电流。,21,APF的基本结构和原理,22,谐波电流的检测方法,负载电流：,提取基波分量法基于FFT的数字分析法 基于Fryze的有功电流检测法基于瞬时无功理论的检测方法,要进行补偿，需要要检测出基波无功分量和谐波分量。主要的方法有：,23,谐波电流的检测方法,提取基波分量法：最早的谐波检测方法采用模拟滤波器来实现，采用陷波器将基波滤除，得到谐波分量。或采用带通滤波器得出基本分量，再与被检测电流相减得到谐波分量。难于设计、误差大、对电网频率波动和电路元件参数十分敏感，极少采用。基于FFT的数字分析法：采集到的一个周波的电流进行计算，得到谐波和无功电流。该方法具有较长的时间延迟，需要进行两次变换，计算量大。,24,谐波电流的检测方法,基于Fryze的有功电流检测法：根据传统功率定义来构造检测方法。这种方法积分一个周期才能得出检测结果。80年代以来，Czarnecki等人对非正弦情况下的电流进行了新的分解。这些电流的定义虽然严格，但是据此构造的检测算法，仍然需要积分一个周波才能得出检测结果，同样存在实时性不好的缺点。,25,谐波电流的检测方法,基于瞬时无功功率的检测法：三相电路瞬时无功功率理论由S.Fryze、W.Quade和Akagi等先后提出，随后得到广泛深入的研究并逐渐完善。该理论突破传统的以平均值为基础的功率定义，系统的定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量，可以据此得出用于有源电力滤波器的谐波和无功电流实时检测方法。,26,谐波电流的检测方法,在两相坐标系下的定义：将三相电路电压电流瞬时值变换到两相正交坐标系中,27,谐波电流的检测方法,分别为三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流,定义三相电路的瞬时有功功率p（瞬时无功功率q）为电压矢量的模和三相电路瞬时有功电流（瞬时无功电流）的乘积,定义,28,谐波电流的检测方法,定义三相电路的瞬时有功功率 （瞬时无功功率 ）是两相瞬时有功电流（瞬时无功电流）通过两相到三相变换的结果,在abc三相坐标系中的定义：,29,定义a，b，c各相的瞬时有功功率 （瞬时无功功率 ）分别为该相的瞬时电压和瞬时有功电流（瞬时无功电流）的乘积,谐波电流的检测方法,30,谐波电流的检测方法,由以上两式可以得到：,由此可见，传统理论中功率的定义是在平均值基础或相量的意义上定义的，只适用于电压、电流均为正弦波的情况。而瞬时无功功率理论中的概念，都是在瞬时值的基础上定义的，不仅适用于正弦波也适用于非正弦波和任何过渡过程的情况。,31,谐波电流的检测方法,下面分析三相电压电流均为基波正序分量的情况：,经过变换后，计算p,q的值为：,其中,得到,32,谐波电流的检测方法,可见在三相电压和电流均为基波正序分量时，p，q均为常数（直流分量），其值与按传统理论算出的有功功率和无功功率完全一样。若电压无畸变（仅含有基波正序分量），电流不仅存在负序分量，还存在谐波分量，可以证明，通过以上方法计算的瞬时功率不是直流量，而是具有直流偏置的变换量，通过傅立叶分析，其中的直流分量为基波正序电流与电压作用产生，而交流分量是负序分量和谐波分量与电压作用产生。因此，可以通过瞬时无功功率理论较快将基波正序分量分离。,33,以瞬时无功功率理论为基础，三相电路谐波和无功电流的检测主要有两种方法：p、q运算方式和 运算方式,谐波电流的检测方法,、q运算方式：,34,该方法的原理如上图所示，该方法根据定义算出p、q，再经过低通滤波器得到p、q的直流分量 电网电压波形无畸变时， 由基波有功电流和电压作用产生， 由基波无功电流与电压作用产生，由此即可检测出被检测电流的基波分量,谐波电流的检测方法,35,将所得的 与检测电流相减，即可得出谐波电流和基波无功分量电流之和。,当有源电力滤波器同时用于补偿谐波和无功时，需要同时检测出补偿对象中的谐波和无功电流。这时由 即可计算出被检测电流的基波有功分量,谐波电流的检测方法,36,谐波电流的检测方法,运算方式：,原理如下图所示，其中,37,通过比较分析， p、q运算方式需要10个乘法器和2个除法器， 运算方式只需要8个乘法器，运算较简单，并且当电网电压波形有畸变时， 方式计算结果更准确，因而应用较多。,该方法中，需要与a相电网电压同相位的正弦信号和对应的余弦信号，他们由一个锁相环和一个正弦、余弦信号发生电路发生。根据定义计算，再经过LPF滤波可得出直流分量 由 即可计算,谐波电流的检测方法,进而计算出谐波分量。,38,补偿电流的控制方法,根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流得出控制主电路各个器件通断的PWM信号，控制的结构应保证补偿电流跟踪指令信号的变化。要求补偿电流发生器具有很好的实时性，目前采用较多的是跟踪型PWM控制方式，主要有两种方式：瞬时值比较方式三角波比较方式,39,瞬时值比较方式：该方式将补偿电流的指令信号 与实际的补偿电流信号 进行比较，两者的偏差 作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的PWM信号，该信号经驱动电路来控制开关的通断，从而控制补偿电流 的变化。,补偿电流的控制方法,40,用2H表示滞环比较器的环宽，当 时，滞环比较器的输出保持不变；而当 时，滞环比较器的输出将翻转，假设后面的驱动电路和主电路无延时，则补偿电流 的变化方向随之改变。这样， 就在-H和+H之间变化，即 在 和 之间的范围内，呈锯齿波状的跟随 的变化。,补偿电流的控制方法,41,补偿电流的控制方法,瞬时比较控制时的实际电流对谐波电流的跟踪（a）检测的参考电流（b）补偿的实际电流（滞环带宽0.2）（c）补偿的实际电流（滞环带宽2）,42,瞬时值比较方式的特点：动态响应快。实际输出电流含有高次谐波，这是由滞环比较的误差带宽不为零引起的，滞环带宽越大，引起的误差越大。滞环宽度一定时，开关频率会随着补偿电流的变化而变化，会因此较大的脉动电流和噪声。不需要载波，输出电压中不含有特定的谐波分量。,补偿电流的控制方法,43,三角波比较方式：将 与 的偏差 经放大器A后与三角波比较。放大器A往往采用比例放大器或比例积分放大器。这样组成的一个控制系统是基于把 控制为最小来设计的。,补偿电流的控制方法,44,三角波比较方式的特点：动态跟随性能比较差，但其开关频率固定，且输出的波 形含有的谐波分量较少。硬件比较复杂。放大器的增益有限。瞬时值比较方式和三角波比较方式各有优缺点，实际应用时根据系统要求选择。日本电气学会调查结果表明，两种方式在实际应用中大体上各占一半，基本相当。,补偿电流的控制方法,45,并联型有源电力滤波器基本结构,46,混合型有源电力滤波器基本结构,47,混合型有源电力滤波器,混合型有源电力滤波技术特点1、电路结构简单、适应性强2、成本低、经济实用性好 逆变器直流侧电容器电压很低，混合型补偿装置逆变器直流电压只需调节到0.31.0倍相电压峰值，而常规并联型有源滤波器直流侧电容电压为34.5倍相电压峰值，这使得可选择耐压较低的直流电容器，其成本也得到降低。3、可靠性高4、滤波性能好 大量仿真与长期实际挂网运行结果表明，混合型电力滤波装置具有很好的谐波电流滤除效果，谐波电流补偿率可达80%以上。,48,混合型有源电力滤波器,研制成功国内第一台全数字控制的三相三线制 50kVA/80A/380V混合型电能质量调节器样机 该实验样机如图片所示,49,混合型有源电力滤波器,混合型有源电力滤波器滤波效果,50,混合型有源电力滤波器,混合型有源电力滤波器滤波效果,51,无源与有源混合补偿技术,混合型有源电力滤波器与并联电容器组联合补偿技术应用实例实际工业生产中许多工矿企业采用安装电容器组的方法补偿无功功率，提高功率因数。但由于非线性设备工作时还会产生谐波问题，电容器投入时可能会引起较严重的谐波放大，因此，在很多企业这些电容器组往往无法正常投切，从而无法保证企业的正常用电，使企业蒙受巨大的经济损失。另外，有的企业为补偿无功功率与抑制谐波所装设的无源电力滤波器也由于电网情况或企业用电设备的变化，而发生问题或不能充分发挥作用。上述问题的解决方法之一是在电容器组或滤波器设计时应充分考虑到各种可能出现的实际问题，尽量避免问题的发生。另一解决方法是利用可行的有源电力滤波方案。,52,无源与有源混合补偿技术,无源与有源混合补偿实际应用中的接线图,53,无源与有源混合补偿技术,研制的380V/120A混合型滤波器安装在河北省某纸箱厂10/0.4kV、630kVA主变的低压侧。为补偿用电设备所需的无功功率，提高功率因数，该厂在变压器低压侧装设了8组400V/30kVar、投切总容量为240kVar的电容器组。但由于该厂用电设备中有大量的电动机，电动机的变频调速部分在工作时有谐波电流产生，直接采用电容器进行无功功率补偿在某些情况下将发生谐波电流的较大放大，致使电容器无法正常进行投切。因此，该厂无功功率补偿电容器组长期无法投运，厂用电功率因数偏低，受到供电公司的罚款。而在混合型滤波器投运后，该厂原有的电容器组可以正常工作，从而解决了企业的用电问题。,54,无源与有源混合补偿技术,55,380V/120A混合电力滤波与无功补偿装置图片,机柜后视图,机柜正视图,56,无源与有源混合补偿技术,负荷电流测试波形,仅电容器组投入时系统电流测试波形,57,无源与有源混合补偿技术,仅混合型滤波器投入时系统电流测试波形,混合型滤波器与电容器组均投入时系统电流测试波形,58,无源与有源混合补偿技术,由实测结果可知，仅投入电容器组时，负荷产生的谐波电流被放大。仅投入混合型滤波器时，负荷谐波电流得到非常好的滤除。混合型滤波器与电容器组并联运行，在负荷谐波电流得到很好滤除的同时，功率因数也得到补偿。自混合型滤波器投运以来，该厂已由原来的每月被罚款，变为每月得到供电公司的奖励。,59,无源与有源混合补偿技术,采用混合型有源电力滤波器以及混合型滤波器与电容器组或无源滤波器并联运行的方式，可以实现技术经济性能较好的大容量谐波与无功功率补偿，是解决该类实际工程问题的有效的可选方法。仿真分析与混合型滤波器长期挂网运行的结果表明了该类补偿方式的正确性，我们相信混合型滤波器从实验室研究的可行性到工程实际运行的成功将极大地促进先进的有源电力补偿技术在我国的实际应用。,