有源电力滤波器的基本原理

第 1 页 共 17 页有源电力滤波器基本原理及设备第 2 页 共 17 页目录一APF 的系统构成 4二APF 特性 6三.APF 的组成和功能 10四 技术参数及规格型号 .18五经典案例 21六、谐波无功节能 26七、谐波无功治理设备的选择 29第 3 页 共 17 页有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，其应用可克服LC 滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点。有源电力滤波器的基本原理如下图所示：检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。有源电力滤波器基本原理第 4 页 共 17 页一APF 的系统构成下图为 APF 的系统框图。图中，e S 表示交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流，它由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成。主电路目前均采用 PWM 变流器。APF 系统框图下图为 APF 的系统原理图。图中 e a 、e b 、e c 为交流电源，谐波电流源为非线性负载，L sa 、L sb 、L sc 分别代表三相的电网阻抗。 而有源电力滤波器主要由以下几部分组成，指令运算电路，电流跟踪控制电路，驱动电路以及主电路。其中指令运算电路的主要任务是按照要求检测出负载电流中的谐波、无功以及负序分量。电流跟踪控制电路，驱动电路以及主电路和在一起可以称为补偿电流发生电路，它的主要作用是根据指令运算电路得出的补偿指令，产生实际的补偿电流。主电路主要由 IGBT 构成的电压型 PWM 变流器，以及与其相连的电感和直流侧电容组成。第 5 页 共 17 页APF 系统原理图第 6 页 共 17 页二APF 特性有源电力滤波器不仅可滤除谐波电流，还可补偿系统无功、三相不平衡的治理等。a) 滤除谐波有源电力滤波器补偿负载谐波电流成分的等效电路图如下图所示。图中下标 f 和 h 分别表示基波成分与谐波成分。补偿谐波电流时的等效原理图从图中可以得到，电网侧的谐波电流可以写为：若电源电压没有畸变，即 esh= 0，只要控制有源电力滤波器的输出电流 ich ，使其满足 ich = iLh，即可使电网侧的谐波电流 ish= 0。控制有源电力滤波器的输出电流为负载电流中指定次谐波分量，即 ich=iLhn （n 为谐波次数） ，此时可使电网侧的指定次谐波电流 ishn= 0（n 为谐波次数） 。b) 补偿无功有源电力滤波器补偿负载无功电流时的等效电路图如下图所示。图中下标p 和 q 分别表示有功分量与无功分量补偿无功时的等效原理图从图中可以得到，电网侧的无功电流可以表示为：第 7 页 共 17 页只要控制有源电力滤波器的输出电流使其满足 icq=iLq，即可使电网侧的无功电流 isq= 0。 有源电力滤波器工作时控制板输出的补偿指令和变流器的输出电流波形，可以看出变流器的输出电流很好的跟踪了补偿指令。跟踪指令第 8 页 共 17 页三.APF 的组成和功能a)APF 的组成和功能APF 电路结构包括主电路、继电回路、驱动电路、电流跟踪电路和指令运算电路。b) 主电路APF 主电路图主电路图主电路由断路器、PWM 变流器、电解电容、滤波电容和进线电感、防雷器组成：主电路采用三相全桥电压型 PWM 变流器：两组完全相同的 PWM 变流器公用一组直流滤波电容母线，通过进线电抗器直接并联在一起。变流器控制采用二重化方式，两个变流器的输出电流跟踪同一个补偿指令信号，每个变流器使用自身不同的三角载波调制 PWM 驱动信号，这两个载波信号在相位上相差180 度（即载波移相控制） ，这样一方面通过双变流器实现了整个滤波器输出功率的提高，同时，提高了系统等效开关频率，进而提高了滤波器补偿效果，而在同样补偿效果情况下，功率器件 IGBT 的开关频率可以大为降低。同理，该方法可推广到多重化应用，根据功率等级需要可采用三重化、四重化电路结构电解电容用来储存直流侧能量；滤波电容的作用的滤出直流侧的毛刺；进线电感的作用在于 PWM 变流器的输出电压和电网电压的差值作用其上产生补偿电流。c) 继电回路APF 继电回路包括继电控制、电源系统和同步信号三部分电源系统主要是给控制系统供电，它由进线变压器、交流滤波器、开关电源、电源板和防雷元件组成。第 9 页 共 17 页滤波器主要是滤除进线电压的高频干扰，使得开关电源更好的工作，并且能够改善电源部分的 EMI；开关电源和电源板用来提供控制系统所需要的直流电压, 防雷元件用来防止雷击，增加了装置的安全性。继电控制回路由控制系统主接交流触器、控制开关、控制继电器、显示灯、继电板组成, 继电板的主要作用是控制开关与控制系统的联系，它用来传递启动、故障等信号。同步信号由一个同步变压器提供。d) 驱动电路驱动电路由电源部分、驱动部分、保护部分组成：电源用来提供驱动模块正常工作时电源驱动部分包括驱动模块和相关的外围电路保护部分主要是检测 PWM 变流器的电流和温度信号，必要时停止 PWM变流器e) 控制系统APF 控制系统 指令运算电路和电流跟踪电路组成：f) 电流跟踪电路电流跟踪电路包括信号调理电路、三角波发生器、PWM 信号生成电路、直流侧过压保护电路g) 指令运算电路 指令运算电路主要作用是对采样数据进行计算和分析，得出指令信号。它采用了双 DSP 结构，一片采用 TMS320C32（32 位浮点型） ，用于浮点计算和数据处理；另一片采用 TMS320F240，用于数据采集和大量的逻辑操作和控制。两者通过一片 16k16bit 的双口 RAM 进行数交换。C32 运算能力强，但片内资源和 I/O 接口较少，逻辑处理能力弱，而 F240 正好相反，片内资源丰富，成本低，I/O 使用方便，但其 16 位的定点内核对精度和速度有一定限制，因此两者的结合可充分发挥这两种芯片的优点。它包括A/D、CPLD、 F240、C32 、EPROM、双口 RAM 等A/D：将模拟信号(同步电压信号、电流信号)转化为数字信号； F240：数据采集；进线电压同步；重要数据的存储；C32： 负载电流谐波分析； 补偿电流指令的计算；与监控系统的串行通讯CPLD： C32，F240 的地址译码； F240 与外配 A/D 接口所需的等待状态发生器；缺相，相序检测电路；双端口 RAM 的 SEM 逻辑电路双口 RAM：用于存放准备与 F240 交换的数据EPROM：程序存储第 10 页 共 17 页四 技术参数及规格型号1. 执行标准:GB/T 14549-93 电能质量：公用电网谐波GB/T 15576-1995 低压无功功率静态补偿装置总技术条件 GB 7625.1-1998 低压电气电子产品发出的谐波电流限值 2. 正常使用的环境条件a) 环境空气:APF 是户内型设备。所以室内应具有供应冷却媒质的设施。而如果冷却媒质就是室内的空气，则应具备把热量从室内传至室外的设施，以形成大环境空气循环。这样就可以把室内的空气作为设备和户外空气的中间热交换器。如果将 APF 装于柜内或箱内，由于存在箱壁的热反射，则必须在箱内加大和外界的空气交换，增强箱内的散热性能。b) 环境温度 :设备运行时的冷却空气的极限温度为：日平均温度不超过 30,年平均温度不超过 25。c) 空气相对湿度:最低 15%；最高不大于 90%(20以下时)。d) 海拔高度 :设备安装运行的海拔高度不超过 2000m。安装地点无剧烈振动及颠簸，安装倾斜度不大于 5%。5. 设备的电气保护a) 过压保护直流母线电压超过 780V 值时，产品应立即自动关闭有源滤波器输出，同时有相应的告警。b) 变流器过流有源滤波器变流器输出电流超过 IGBT 额定电流时，将由驱动模块报出故障，同时由继电保护板切断主回路，滤波器关闭输出。c) 变流器过热有源滤波器内部功率半导体部分温度超过 852C 时，系统发出告警，当温度恢复到安全温度时告警自动解除，有源滤波器可以投入工作。d) 滤波器输出超限当谐波负载容量超出有源滤波器补偿能力时，有源滤波器按最大能力输出（即限流输出） 。e) 滤波器防雷保护第 11 页 共 17 页滤波器在柜内装有防雷元件，可以有效防止雷击对滤波器造成的损坏：防雷元件最大耐压值为 1500V,失效指示为绿色时防雷元件正常工作，红色时防雷元件失效,需要更换。接线滤波器接线必须在断电的情况下进行！3. 主回路接线由于滤波器进线为上进线，总开关上方端子从左至右分别为 A、B 、C 三相，用电缆线将它们有电网 A、B、C 三相分别对应相连即可。表 1 有源电力滤波器（APF）及静态无功发生器（SVG ）技术参数 容量（ KVA） 30 50 100 大容量的可以 订制供电电源电压 380V+10%-15%加变压器可运行其它电压等级供电电源频率 50Hz5%供电电源相数 三相三线或三相四线电流互感器（CT） /5A根据负载电流选择谐波补偿次数 225 次，动态补偿响应时间 100ms补偿能力在设备容量之内，补偿效率75%在满足GB/T14549-93 的基础上，谐波补偿率，当超出设备补偿容量时以设备最大输出能力补偿保护 交流过压、欠压，直流过压，IGBT 过流，装置过热冷却 风冷 可以根据情况选择水冷操作显示 模拟、LED、LCD 显示，具有数字、菜单和图形显示功能，方便系统操作、监测、维护运行环境问题 -25+55相对湿度 90%（25 ）防护等级 IP20结构 立柜式，下出线小功率可以设计成壁挂式尺寸（mm）(WxHxD) 610x1200x400 810x2200x600 810x2200x600第 12 页 共 17 页重量(kg) 65 150 300表 2 电能质量控制器（AVQR）容量（KVA）50 100 200 400供电电源电压 三相四线，220V/380V+25%-30%供电电源频率 50Hz10%电压畸变 30%电压尖峰 幅值 600V,底宽为 0.2ms 的脉冲列电源输出电压 三相四线，220V/380V5%频率 与输入频率相同电压谐波 电压畸变率5%电压尖峰 10V电源效率 90%操作指示 盘式指针以表显示：三相输出电压、输出电流、仪表精度 2.5 级信号灯显示 输入电源、运行、旁路、电源故障操作 输入总断路器、运行/旁路转换开关、电压显示转换开关保护 变流器过流、过热、电源过载、过压尺寸（mm）(WxHxD) 600x1800x600 800x2000x600 800x2200x800 1200x2200x800第 13 页 共 17 页五经典案例案例 1 钢管厂无功、谐波治理方案钢管厂主要是对半成品钢管进行成品加工处理，包括车丝、中频加热炉、接箍、磁粉探伤等工艺。配电情况中频加热炉由 1250KVA 变压器单独供电，其余由 2000KVA 变压器供电，具体参数及用电情况如下：A电力变压器为 S9 系列。容量分别为：1250KVA；2000KVA。一次电压均为 10KV；二次电压均为 0.4KV。B接线方式均为 Y/Y0。C1250KVA 变压器负荷为两台 600KW 中频加热电源，主接线采用晶闸管三相桥式整流；快速晶闸管单相桥逆变；储能元件为电抗器；输出频率为2.5KHZ。D2000KVA 变压器负荷为交直流传动电机，其中直流电机六台，132KW四台，75KW 两台，总容量为 678KW；交直交变频器 28 台，总容量约为350KW；其余为普通交流机。E中频电源为间歇式工作方式，频次约为 30 秒，有两台同时工作的情况。F2000KVA 变压器的负荷有同时工作的情况。2、存在问题主要有以下几点A、大量变频器的使用后，电流谐波的污染比较严重，造成设备误动作、以及一些设备自动跳闸、一些电器元件烧坏等故障。B、大功率交流电机和众多交流电机的使用，供电电网的功率因数过低；C、冲击性负载给供电电网造成的电压波动甚至闪变等； 第 14 页 共 17 页六、谐波无功节能6.1 症状分析 在工业和生活用电负荷中，电感性负荷占有很大的比例。感应电动机、变压器、日光灯等都是典型的电感性负荷。感应电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率。电感性负荷必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置。如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器，在工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率。6.2 无功功率的影响 无功功率对公用电网的影响主要有以下几个方面：(1) 增加设备容量。无功功率的增加会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。(2)设备及线路损耗增加。无功功率的增加使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加。(3)使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负荷，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。6.3 无功补偿和企业利益 (1)降低线损和变损 对企业而言，线损主要在低压线路。安装无功补偿装置后功率因数提高，线路电流会下降，这样线路损耗降低，变压器的有功损耗也会降低。对于高压计量的用户，在低压侧安装无功补偿装置，可降低安装点与计量点间的线损。 (2)提高设备使用效率 举例：变压器容量为 250KVA，平时总电流为 280A，功率因数为 0.7，现在要增加 75KW 的电动机。如果不采取措施的话，变压器的容量不够用，需更换变压器。后来根据实际情况，采取如下解决方案：在该变压器二次侧对现有设备进行集中补偿，补偿后功率因数提高，变压器出力增加。第 15 页 共 17 页总电流为 280A 时变压器所带的负载为：加上 75KW 电动机总负载为211KW。进行无功补偿只要把功率因数提高到 0.844 便可达到增容的目的，考虑到其他的原因，功率因数提高到了 0.95.这样无需更换变压器便可增加 75KW 的电动机. (3)提高电压 在一定的电压下向负载输送一定的有功功率时，负载的功率因数越低，通过输电线路的电流越大，导线阻抗的电压降落越大，这样负载的端电压就低，使设备得不到充分的利用。 谐波治理装置 6.4 症状分析 目前由于电力电子装置的大量生产与广泛应用，电力电子装置作为一个谐波源给电力电网带来的公害是无法估量的，我们应引起高度重视。理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。近年来，各种电力电子装置的迅速普及使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。 6.5 谐波治理方法 电力系统中对谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流，以便把谐波电压控制在限定值之内，为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条。一条是