有源电力滤波器.ppt
有源电力滤波器（ActivePowerFilter）的概述及硬件结构简介,山东星锐电力科技有限公司2011.2.26,目 录绪 论 有源电力滤波器产生的背景第一章 有源电力滤波器与无源电力滤波器的比较 1.1 无源电力滤波器的特点 1.2 有源电力滤波器的特点第二章 有源电力滤波器的分类 2.1 串联型有源电力滤波器的基本拓扑结构 2.2 并联型有源电力滤波器的基本拓扑结构 2.3 常见的混合型有源电力滤波器 2.3.1 串联型APF与并联型PPF 2.3.2 并联型APF与并联型PPF 2.3.3 串-并联型有源电力滤波器第三章 有源滤波器结构及工作原理 3.1 谐波检测环节 3.2 控制系统 3.2.1 数字模拟混合控制系统 3.2.2 数字控制系统 3.3 主电路第四章 应用情况及前景展望,绪 论 有源电力滤波器(Active Power Filter)产生的背景,随着现代工业技术的发展，电力电子设备和大量非线性负载应用的增加,其负面影响也日趋严重。电力电子装置的开关动作向电网中注入大量的谐波和次谐波，导致交流电网中电压和电流波形严重失真，从而造成电网污染的日益严重,对用电设备构成了很大的危害。因此电能质量下降严重影响供、用电设备的安全经济运行，降低了人民的生活质量。世界各国已经十分重视电能质量的管理。谐波治理是电能质量问题的核心内容之一，也是现代电力生产的发展的迫切要求。有源滤波器(Active Power Filter)作为动态抑制电网谐波、补偿无功功率的新型电力电子装置快速发展起来，是解决电网谐波污染的一种有效手段，并在工业中得到应用，所以近年来成为电力电子技术研究的一个热点。,现阶段无源滤波的方案依然是最为流行的谐波消除方法。无源电力滤波器(Passive Power Filter)主要是对与某些频率特定的谐波来制定的，主要有几个LC单调谐滤组成，它不仅能够补偿谐波，还能够补偿无功功率。同时它还具有成本价格低廉、简单、技术相对成熟等优势。,无源滤波器具有如下缺点:(1)只能滤除特定次谐波，且滤波特性受系统参数的影响较大，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，降低系统的稳定性。(2)由于电网的阻抗和谐波频率随着电力系统的运行状况不断发生改变，而滤波特性又过于依赖电网参数，所以给LC参数的设计带来了麻烦。(3)滤波要求和无功补偿要求有时难以同时满足要求。(4)LC可能会与电网阻抗发生串联谐振，而电网中的某次谐波电压可能使无 源电力滤波装置中产生较大的谐波电流。(5)消耗较多的有效材料，增大了体积。为克服无源滤波器的缺点，人们做了大量研究与实践，其中具有代表意义的为有源电力滤波技术。从国内外目前的使用情况来看，有源电力滤波器将是以后进行谐波消除和无功补偿的一个重要发展方向。,第一章 有源电力滤波器与无源电力滤波器的比较1.1 无源电力滤波器的特点,与无源滤波器不同，有源电力滤波器(ActivePowerFilter:APF)为一种能够动态消谐波并且可以补偿无功的电力电子设备，其完全可以消除频率与幅值都变化的谐波和无功，同时能够弥补PPF的不足，而且能够得到比PPF更好的补偿效果。,1.2 有源电力滤波器的特点,与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性，其具体如下：(1)实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应。(2)可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率的大小可做到连续调节。(3)即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用。(4)受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振。(5)能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。(6)既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿。(7)有源滤波装置是一个高阻抗电流源，它的接入对系统阻抗不会产生影响，因此此类装置适合系列化、规模化生产。,如图1所示有源滤波器与无源滤波器结构图,第二章 有源电力滤波器的分类,有源电力滤波器主要分类：1、根据结构不同：串联型：与被补偿对象串联；并联型：与被补偿对象并联；2、主电路元件不同：电流型；直流侧采用电感；电压型：直流侧采用电容；,依据APF主电路直流侧储能元件是大电容还是大电感，可以将APF分为电压型和电流型两种(电压型变换器与电流型变换器)电压型APF直流侧电容器损耗低、体积小、价格便宜，适合于构成大容量APF。电流型APF不存在直流端短路的危险，可靠性高、动态性能好、滤波精度高，但直流端电感损耗大,串联型有源滤波器经耦合变压器串接入电力系统，如图2所示，其可等效为一个受控电压源，主要是消除电压型谐波以及系统侧电压谐波与电压波动对敏感负载的影响。串联型有源电力滤波器应用在直流系统中时，耦合变压器的系统接入侧很容易出现直流磁饱和问题，所以只在交流系统中采用。与并联型有源电力滤波器相比，由于串联型有源电力滤波器中流过的是正常负荷电流，因此损耗较大；此外，串联型有源电力滤波器的投切、故障后的退出及各种保护也较并联型有源电力滤波器复杂。目前单独使用串联有源电力滤波器的例子较少，研究多集中在其与LC无源滤波器所构成的串联混合型有源电力滤波器上。,2.1 串联型有源电力滤波器的基本拓扑结构,图2串联型有源电力滤波器的基本拓扑结构,因此串联有源电力滤波器作用：动态调节电压即补偿系统电压的快速升降，还可以补偿系统谐波，系统电压畸变与不对称等功能。,并联型有源电力滤波器与系统并联等效为一个受控电流源，如图3所示。有源滤波器向系统注入与谐波电流大小相等方向相反的电流，从而达到滤波的目的。并联型有源电力滤波器主要适用于电流源型感性负载的谐波补偿，技术上已相当成熟，工业上已投入使用的有源电力滤波器多采用此方,2.2 并联型有源电力滤波器的基本拓扑结构,图3并联型有源电力滤波器的基本拓扑结构,案。与串联型有源电力滤波器相比并联型有源电力滤波器通过耦合变压器并入系统，不会对系统运行造成影响，具有投切方便灵活以及各种保护简单的优点。但是当单独使用并联型有源电力滤波器来滤除谐波时，有源电力滤波器容量要求很大，这样会带来一系列的问题，如工程造价高、电磁干扰、结构复杂以及高的功率损耗等。,2.3.1 串联型APF与并联型PPF,2.3 常见的混合型有源电力滤波器,图4串联型APF与并联型PPF,如图4所示，无源滤波器(PF)起主要的滤波和无功补偿作用,串联的有源电力滤波器（APF）相当于一个电流控制的电压源，改善无源滤波器的补偿效果，阻尼可能在电网阻抗和无源滤波器之间发生的并联谐振。,2.3.2 并联型APF与并联型PPF,如图5所示，有源电力滤波器（APF）相当于电流控制电流源，无源滤波器（PPF）分担大部分谐波，APF用来改善整个系统的性能，所需容量与单独使用方式相比可大幅度降低,图5并联型APF与并联型PPF,图6所示为串-并联新型有源电力滤波器，相关文献称之为统一电能质量调节器（UPQC）。它综合了串联型和并联型两种结构，共同组成一个完整的用户电力装置来解决电能质量的综合问题。其中，直流侧电容器或电感储能装置是串联型和并联型有源滤波器所公用的，串联有源电力滤波器起到补偿电压谐波、消除系统不平衡、调节电压波动或闪变、维持系统电压稳定性或阻尼振荡,2.3.3 串-并联型有源电力滤波器,图6所示为串-并联新型有源电力滤波器,的作用。并联变流器起到补偿电流谐波不平衡、补偿负荷的无功、调节变流器直流侧电压的作用。因此这种统一电能质量调节器可以实现短时间不间断供电、蓄能、无功补偿、抑制谐波、消除电压波动及闪变、维持系统电压稳定等功能，被认为是最理想的有源滤波器的结构。这种结构即可用于三相系统，又可以用于单相系统。但是其主要缺陷在于成本较高（需要较多的开关器件）和控制复杂。,无论有源电力滤波器如何分类，它都是由几个共同的部分构成，即谐波检测环节、控制系统、主电路以及耦合变压器四个主要的部分构成。如图7所示，基本工作原理为:首先通过谐波检测环节检测出系统中的谐波并给出需要补偿谐波的参考值，然后通过控制系统根据该参考值产生相应的脉冲，控制主电路产生补偿电流或者电压跟踪该参考值，起到补偿效果，有源电力滤波器通过耦合变压器接入系统。,第三章 有源滤波器结构及工作原理,基本工作原理为：预处理环节将电压或电流互感器输出的电流信号转化为电压信号并进行适当的滤波与放大（实际中总存在一定的高频噪音，因此一般都要对信号进行一定的滤波及进行放大或缩小），有源电力滤波器对谐波信号的时间同时性要求较高，因此一般情况下应该对所需信号进行同步采样，所以需要加采样保持电路，即在同一时刻对输入信号进行采样。将采样信号保持起来，然后分别进行A/D转换，将模拟量转化为数字量。,3.1 谐波检测,谐波检测环节的原理框图如图8所示,3.2 控制系统,有源电力滤波器的控制系统及选用的控制算法是其滤波效果好坏的关键。有源电力滤波器的控制系统主要有模拟控制系统、数字控制系统以及数字模拟混合控制系统三类。近年来随着微电子技术的快速发展，各种数字处理芯片的性能大大提高，因此有源电力滤波器的控制系统逐步由模拟控制系统转化为模拟数字混合控制系统及纯数字控制系统。下面主要介绍有源电力滤波器的数字模拟混合控制系统与数字控制系统。,数字模拟混合控制系统,其中控制算法处理部分对谐波检测环节送来的数字信号进行处理，采用谐波检测算法，快速检测出需要的谐波与有源滤波器产生的谐波进行比较，根据其差值采用一定的控制方法产生触发脉冲信号送给触发脉冲发生部分。而触发脉冲发生部分根据该信号产生适当的驱动脉冲去驱动有源电力滤波器的变流器，使其产生的谐波电流或电压与所需的谐波电流或电压相同，从而达到谐波补偿的效果。所谓数字模拟混合控制就是通过数字电路检测并产生所需补偿的参考谐波信号，获得参考谐波信号后，通过模拟电路实现谐波跟踪（通常为比例积分PI控制）和PWM脉冲控制，具有更快的速度和更高的分辨率。,有源电力滤波器的控制系统一般由两个部分组成，即控制算法部分和触发脉冲产生部分，如图9所示。,图10给出了在并联型有源电力滤波器中经常采用的一种数字模拟混合控制器的模拟部分。其中参考电流信号由微处理器通过D/A转换变成模拟信号送到模拟控制部分。有源电力滤波器的补偿电流与参考电流进行比较，通过比例积分环节后成为调整信号，与三角波发生电路产生的作为载波信号的三角波进行比较，获得驱动有源滤波器逆变器的PWM驱动脉冲。,此类控制器中滞环比较器由于产生的补偿电流参考信号能够快速准确地跟踪谐波电流变化，具有很好的实时性，所以在有源滤波器中得到了广泛的应用。滞环比较器的控制框图如图11所示。,滞环比较控制采用滞环比较器，把检测出的补偿电流信号与实际产生的补偿电流进行比较，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，从而控制补偿电流的变化,如图12所示为滞环比较的原理图，S1,S2是两个开关，E1和E2等效于直流侧电压源。对于S1和S2不同的开关状态，有不同的电压源E1和E2接入回路，从而控制电流i的变化。在具体的操作中，当产生的实际补偿电流低于参考电流时，S1闭合，S2打开，加在电感L上的电压为正，i增加；当产生的实际补偿电流高于参考电流时，加在电感L上的电压为负，i减少。通过控制S1和S2的开关状态来控制注入电流的变化。,3.2.2 数字控制系统,随着微电子技术的快速发展，产生PWM脉冲的数字电路和具有可编程功能的器件快速发展因而通过专门电路或通过可编程逻辑器件实现PWM脉冲发生器已非常方便而且在速度和分辨率方面有看显著的提高，因此有源电力滤波器的控制系统已经逐步变成纯数字的控制系统。与其他的电力电子装置类似，根据有源滤波器控制算法的复杂性我们可以选择不同的数字控制系统来实现。通常的控制系统一般有基于单数字信号处理芯片的带有PWM信号的控制系统，即如图13所示的控制系统。由于DSP本身带有PWM脉冲产生部分，因此采用单片的DSP就可以实现有源电力滤波器的控制系统。,3.3 主电路,有源电力滤波器的主电路型式多种多样，有很多种分类方法。按照电力系统应用的需要一般可以分为三相三线制结构和三相四线制结构两种，而在三相三线制与三相四线制结构中又有许多其他的结构，下面简单的介绍并指出其特点与优缺点，可以根据电力系统的实际情况加以选用。由于许多负荷本身只是三相三线制接线，因此针对此类负荷的有源电力滤波器也只需采用三相三线制主电路即可。目前大量功率开关模块都已经让三相三桥臂结构制作，因此实现三相三线制主电路结构非常方便。图14所示为三相三线制结构的有源电力滤波器。,我国380V系统均为三相四线制系统，而负荷通常也为三相四线制即存在中线，因而三相电流之和通常不为零即存在零序电流，零序电流中既可能存在零序基波分量也可能存在零序谐波分量，此时采用并联型三相三线制主电路的电力滤波器无法消除线路中的零序基波电流和谐波电流以及中线中的电流。在许多情况下，为了保持三相电流的平衡，在大型办公楼中通常会在三相中合理分配负荷，使三相电流尽量平衡。但是由于单相负荷如计算机、工作站等信息设备的大量使用，以及大量设备是后来增加的，因此实际中要合理的分配三相负荷是很难做到的。所以在许多大型的办公楼出现了三相电流严重不平衡，中线电流很大。并联型三相四线制有源电力滤波器就是解决这种非线性不平衡问题和谐波问题的有力手段，图15所示为目前常见的三相四线制结构的并联型有源电力滤波器。直流电容中线点与系统中线相连，全部的中线电流都流经直流侧的电容器，其数值较大。同时由于中线接在电容器中间，因此有源电力滤波器运行中还可能出现电容电压不平衡问题，所以在有源滤波器控制中还应该加入直流侧电容电压平衡控制。这种结构主要用于小容量系统。,3.4 耦合变压器 前面讲到的两种主电路结构都通过连接电抗直接接入系统。对于电压较高的情况，由于各种开关器件耐压水平的限制，变流器输出电压不可能太高，因此通常采用变压器接入方式。采用耦合变压器接入电力系统的好处有：（1）可以灵活地改变逆变器的输出电压和电流，从而充分利用开关器件的电压与电流容量。（2）可以提供绝缘隔离。变压器的电气与原副边的绝缘隔离可以防止出现不必要的电气连接，可以提高有源电力滤波器的可靠性，还可以防止电力系统中的各种干扰直接进入到有源电力滤波器中。,第五章 应用情况及前景展望,目前，有源滤波技术已在日本、美国等少数工业发达国家得到应用，有工业装置投入运行，其装置容量最高可达60MV.A；国内对有源电力滤波器的研究尚处于起步阶段。现在有源电力滤波器在日本应用越来越广泛，1994年之前就有300多台投入使用，下表是投入使用的有源电力滤波器的基本情况，包括使用目的、容量、使用的开关器件、应用领域。,从表中可以看出有源电力滤波器的使用目的有谐波补偿、闪变补偿以及电压调节。（1）谐波补偿,图16所示为一个办公楼系统，安装了一个容量为300KVA的有源电力滤波器，用来补偿八台自调速电机所产生的谐波电流。图17所示为6.6KV母线上补偿前后的电流波形，从图中可以看出补偿前电流失真率为38.4%，补偿后降到了7.4%，补偿效果明显。,（2）电压调节 图18所示为日本铁路公司安装在Shintakatsuki变电站的三个容量分别为16MVA的并联型有源电力滤波器，目的是补偿一个154KV电力系统终端电压跌落和电压波动。因为与不平衡的列车负载相连的变压器会产生大量的负序电流和变化的无功功率，从而造成电压跌落和电压变化，严重影响与之接在同一系统中的其他装置的运行。使用情况表明该有源电力滤波器能够很好地补偿电压跌落和变化并能将电压不平衡因数从3.6%降到1%。,在电力电子工程师和研究人员不断的努力下，有源电力滤波技术取得了长足的发展，有源电力滤波器的价格也不断降低，随着人们对谐波污染认识的不断加深，有源电力滤波器的应用前景是相当光明的。,
