有关50kVA有源滤波器设计.doc

50kVA有源滤波器总体设计方案 2012-2-21目录绪论展望设计 1系统参数要求2系统方案确定3系统各电路的设计 3.1主电路的设计 3.2电流、电压检测调理电路的设计 3.3外扩A/D转换电路的设计 3.4 DSP控制电路的设计 3.5隔离驱动电路的设计 3.6预充电电路设计 3.7人机界面的设计 3.8启动投切及故障报警电路的设计 3.9电源设计4系统软件流程其它附件1：系统原理图附件2：器件相关资料绪论引言谐波电流和谐波电压的出现，对于电力系统运行是一种“污染”，它们降低了系统电压正弦波形的质量，不但严重地影响电力系统自身，而且还危及用户和周围的通信系统。近半个世纪以来，随着电力电子设备的推广应用，非线性负荷的迅速增加(例如电气机车、工业电炉等的应用)，特别是高压直流输电的运用，谐波污染问题日趋严重，并因此受到人们普遍的关注和重视。减小谐波影响的技术措施可以从两方面入手：一是从谐波源出发，减少谐波的产生；二是安装滤波装置。常见的滤波器包括无源滤波器、有源滤波器以及混合滤波器。无源滤波器（PF:Passive Filter）也称为LC滤波器，是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置。无源滤波器的工业应用已经有相当长的历史，其设计方法稳定可靠、结构简单，但其滤波效果依赖于系统阻抗特性，并容易受温度漂移、网络上谐波污染程度、滤波电容老化及非线性负荷的影响。此外，无源滤波器仅能对特定的谐波进行有效地衰减，而出于经济和占地面积方面的考虑，滤波器个数均是有限的，所以对谐波含量丰富的场合，无源滤波器的滤波效果往往不够理想。与无源滤波器对应的是有源滤波器（APF:Active Power Filter）。有源电力滤波器采用开关变换器消除谐波电流，克服了无源滤波器的缺点。有源电力滤波器有着无源滤波器无可比拟的技术优势，因此越来越受到人们的关注。1.有源滤波器的发展历史有源滤波器的思想最早出现于1969年B.M.Bird和J.F.Marsh的论文中。文中描述了通过向交流电源注入三次谐波电流以减少电源中的谐波，改善电源电流波形的新方法。文中所述的方法认为是有源滤波器思想的诞生。1971年日本的H.Sasaki和T.Machida完整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和E.C.Strycula提出了采用脉冲宽度调制控制的有源电力滤波器，确定了主电路的基本拓扑结构和控制方法，从原理上阐明了有源电力滤波器是一理想的谐波电流发生器，并讨论了实现方法和相应的控制原理，奠定了有源电力滤波器的基础。然而，在20世纪70年代由于缺少大功率可关断器件，有源电力滤波器除了少数的实验室研究外，几乎没有任何进展。进入20世纪80年代以来，新型半导体器件的出现，PWM技术的发展，尤其是1983年日本的H.Akagi等人提出了“三相电路瞬时无功功率理论”，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在三相有源电力滤波器中得到了成功的应用，极大促进了有源电力滤波器的发展。与无源滤波器相比，有源滤波器是一种主动型的补偿装置，具有较好的动态性能。有源电力滤波器是近年来电力电子领域的热门话题。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。2.有源滤波器的分类有源电力滤波器的基本思想如图所示在图中，谐波源一般是非线性负载，如整流器等，产生谐波电流，供电系统一般为被保护对象；有源滤波器表现为流控电流源，它的作用是产生和谐波源谐波电流大小相等方向相反的补偿电流来达到消除谐波的目的。从不同的观点出发，有源电力滤波器具有不同的分类标准。（1）根据接入电网的方式，有源电力滤波器可以分为串联型、并联型和串-并联型三大类。每一种类型的有源电力滤波器结构不同，因其工作原理、特性各不相同。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。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。图4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。（2）根据接入电网的方式，有源电力滤波器还可以分为直接接入和通过无源滤波器间接接入电网两种方式。图5所示为混合型滤波器，它是有源滤波器和无源滤波器的组合结构。这种滤波器结构目前非常普遍，因为它并联的LC无源滤波器部分消除了大量的低次谐波，因而有源滤波器部分容量可以做到很小（负荷容量的5%左右），这样大大减少了有源滤波器的体积和成本。它可以同时消除电压和电流谐波，而且成本相对来说较低，因而非常受欢迎。但是这种结构的滤波器的缺点在于只能针对特定负荷进行补偿，负荷运行状况变化较大的时候补偿性能不好。（3）按有源电力滤波器中逆变器直流侧储能元件的不同，有源电力滤波器又可分为电压型有源电力滤波器（储能元件为电容）和电流型有源电力滤波器（储能元件为电感）。电流型有源电力滤波器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。电流源型逆变器的最大缺点在于不能用于多电平场合，无法提高大容量时逆变器的性能；电压型有一个较大的电容作为直流侧的电压支撑。由于这种结构轻便、便宜，并且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较好的性能，与电流型有源电力滤波器相比，电压型有源电力滤波器损耗较小、效率高，因此目前国内觉大多数有源电力滤波器都采用电压型逆变器结构。根据日本电气学会的调查结果，两者在实际应用中所占的比例分别是电压型93.5%，电流型6.5%。随着超导储能技术的不断发展，今后可能会有更多电流型有源电力滤波器投入使用。（4）根据补偿系统的相数来分类，有源滤波器可分为单相和三相两种，三相系统又分为三相三线制和三相四线制。单相有源滤波器一般用于小功率的场合，例如商业写字楼或者学校教学楼带有电脑负荷以及小型工厂。在这些场合中电流谐波可以在公共耦合点补偿掉，因此可以将几个小功率的滤波器连接取代一个大的滤波器。这主要是由于在一个大楼中有好多的单相负荷并且中线上存在大量谐波电流会有较大的危害。这样可以根据运行条件的不同有选择地进行补偿。但另一方面，住宅性负荷并没有产生大量的集中的谐波。而且由于缺少强制的谐波约束法规，住宅用户不可能投资于单相的有源滤波器。单相有源滤波器的主要优点在于处理小功率负荷，因此变流器的开关频率可以很高，从而提高整个装置补偿谐波的性能。对于三相装置，滤波器及主电路的选择取决于三相系统是否平衡。在相对低功率场合（100KV.A），三相系统可以采用三个单相有源滤波器或者单独的三相有源滤波器。对于平衡负荷而言，如果目标仅仅是消除电流谐波而不需要三相系统及补偿电压谐波，采用三个单相有源滤波器的结构是可行的。对于不平衡负荷电流或者不对称供电电压，主电路结构采用基于三个单相逆变器的三相有源电力滤波器是可行的。大多数的单相负荷都是有带中线的三相系统供电的。它们给系统带来了大量的中线电流、谐波、无功以及三相不平衡。三相四线制有源滤波器的引入就是为了减少这类系统出现的问题。（5）根据应用场合分，有源电力滤波器还可以分为应用在直流系统（主要是高压直流输电系统）的有源直流滤波器和应用在交流系统的有源滤波器。（6）根据目的分为电力用户根据自身需要在谐波负荷附近安装的有源滤波器和电力公司在变电站或配电网安装的有源滤波器。用户安装有源电力滤波器的目的是为了补偿谐波电流、电流不平衡以及电压闪变；电力公司安装有源电力滤波器的目的是补偿配电系统普通耦合点处的谐波电压以及抑制由线路电感（包括变压器漏感）和并联电容谐振引起的谐波加倍，从而改善电力系统的功率因数。3.有源与无源的比较与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性，其具体特点如下：（1）具有自适应功能，实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波及变化的无功功率进行补偿，对补偿的对象有极快的响应。（2）可同时对谐波和无功功率进行补偿，补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需储能元件容量不大，且补偿无功功率的大小可以做到连续调节。（3）受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振；且可以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。尽管有源电力滤波器有着无源滤波器所不具备的巨大技术优势，但目前要想在电力系统中完全取代无源滤波器还不太现实。这是因为与无源滤波器相比较，有源电力滤波器的成本较高，这一点是限制有源电力滤波器推广使用的关键。随着电力电子工业的发展，器件的性价比将不断提高，有源电力滤波器必然会得到广泛应用。无源滤波器和有源滤波器的工程造价与谐波要求关系如图6所示。从图6中可以看出，谐波标准要求越高，对无源滤波器而言，就是滤波支路增多，其硬件造价几乎是以指数速率增长的。而对有源电力滤波器而言，主要是增加控制的难度和复杂度，硬件的造价基本不受影响。因此，对于电能质量要求越来越严格的今天，采用有源电力滤波器作为谐波消除装置的优点正在越来越突出。4.有源滤波器结构及工作原理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。下面对有源滤波器的四个部分进行介绍：4.1 谐波检测谐波检测环节的原理框图如图8所示基本工作原理为：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。4.2 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。4.2.1数字模拟混合控制系统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。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。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。滞环比较控制的原理如图12所示。和是两个开关，E1和E2等效于直流侧电压源。对于和不同的开关状态，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，闭合，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。通过控制和的开关状态来控制注入电流的变化。4.2.2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。 当然，由于DSP芯片既要处理控制算法又要产生脉冲，因此只能实现简单的控制算法。如果要实现更加复杂与先进的算法，采用多DSP芯片的控制系统或者DSP+FPGA（现场可编程逻辑阵列）的通用控制系统。具体的控制系统这里不做介绍。4.3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。4.4 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。5.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。展望有源滤波器定义有源滤波器 ：active power filter，APF -利用可关断电力电子器件，产生与负荷电流中谐波分量大小相等、相位相反的电流来抵消谐波的滤波装置。 有源电力滤波器（APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，之所以称为有源。基本概念顾名思义该装置需要提供电源，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（传统的只能固定补偿），实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功；三相电路瞬时无功功率理论是APF发展的主要基础理论；APF有并联型和串联型两种，前者用的多；并联有源滤波器主要是治理电流谐波，串联有源滤波器主要是治理电压谐波等引起的问题。有源滤波器同无源滤波器比较，治理效果好，主要可以同时滤除多次及高次谐波，不会引起谐振，但是价位相对高有源电力滤波器，是采用现代电力电子技术和基于高速DSP器件的数字信号处理技术制成的新型电力谐波治理专用设备。它由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两个主要部分组成。指令电流运算电路实时监视线路中的电流，并将模拟电流信号转换为数字信号，送入高速数字信号处理器（DSP）对信号进行处理，将谐波与基波分离，并以脉宽调制（PWM）信号形式向补偿电流发生电路送出驱动脉冲，驱动IGBT或IPM功率模块，生成与电网谐波电流幅值相等、极性相反的补偿电流注入电网，对谐波电流进行补偿或抵消，主动消除电力谐波。 技术优势绿色化： 效率达97.2%，比效率为95%的有源滤波器年节约电能约6, 500kwh，效率更高的拓扑增强型控制算法，基于精确模型的热设计和结构优化 。小型化：体积仅为同类主流品牌1/6，占用更少空间，活适应不同的工况安装创新，壁挂式或机架式安装使用更少的原材料，保护环境。智能化 ：补偿指定次数谐波可调感性、容性无功补偿补偿系统不平衡负载自动检测、抑制系统谐振全功能监控系统。模块化 ：N+1冗余，显著提高系统可靠性流水线生产 ， 更出色质量保证减少系统单故障点灵活并联，适应不同工况 功能特性 同时滤除250次谐波，或选择250次内任意次数谐波进行补偿 响应时间小于300s 采用3DSP+CPLD全数字控制方式和国际知名品牌高速IGBT，闭环控制，精确滤除谐波 应用四相线技术，消除中性线电流 自动消除谐振，不受电网阻抗和系统阻抗变化影响 具有补偿谐波；同时补偿谐波和无功；同时补偿谐波，无功和负 载三相电流不平衡三种工作模式 电子式过负荷保护 逆变器控制具备了机器快速的FPGA，功率数字信号处理功能 模块化设计，易于扩展 多机并联集中监控功能 远程网络监控功能 维护方便，在符合要求的工作环境下工作，非机器故障无需维护 产品设计及生产遵循的国内，国际标准 国际标准 EN 50091-3, EN 61000-6-2, EN55011, EN 50178:1997, IEC 62040-3, IEC 50178:1997, AS 62040-3（VFI SS 111）, CISPR11 国家标准 GB/T14549-93电能质量：公用电网谐波 GB/T15543-1995 电能质量：三相电压允许不平衡度 GB/T15945-1995 电能质量：电力系统频率允许偏差 GB/T12326-2000 电能质量：电压波动和闪变 GB/T12325-2003 电能质量：供电电压允许偏差 GB/T18481-2001 电能质量：暂时过电压和瞬态过电压 GB/T15576-1995 低压无功功率静态补偿装置总技术条件 GB7625.11998 低压电气电子产品发出的谐波电流限值 GB4208-93 外壳防护等级的分类 极宽电压输入范围 额定工作电压为380V，可承受-40%+20%的电压波动，频率为50/60Hz, 可承受+/-5%的频率波动，适应各种不同工况的电能质量环境。同时，如果电压波动超过上下限，机器自动闭锁输出，并发出告警。 自动限流 自动限定在额定容量范围内100%输出，如果负载侧谐波电流大于机 器额定容量，机器会在额定容量内继续输出电流补偿谐波，不会发生过载导致自身超载或退出运行。 负载短路保护 可承受负载瞬间短路的冲击，在短路消除后重新启动。 并联独立控制 并联接入电网，不会因机器故障导致电网发生断电事故。多台YW-APF有源电力滤波器并联系统，如果一台因故障退出运行，剩余的 机器仍能正常工作实现滤波功能。 三相电流独立控制 各相电流独立控制，单相注入电流，不受系统三相电流不平衡影响，中性线滤波能力为相线的三倍。 IP防护等级及防雷保护 IP保护等级为IP20；防雷保护能力为20kA。 监控系统 系统具备快速、完全的故障自检功能，包括市电欠压或过压、母线 过压或过流、风扇故障、功率器件过温、输入保险丝熔断等各种故障自检，所有故障均通过LCD显示屏及LED运行状态灯发出告警信号，同时机器自动采取相对应的操作保护系统。 监控系统在供电或断电情况下可保存500条故障记录，便于分析原因 及排除故障。 谐波治理谐波主要危害： 增加电力设施负荷，降低系统功率因数，降低发电、输电及用电设备的有效容量和效率，造成设备浪费、线路浪费和电能损失； 引起无功补偿电容器谐振和谐波电流放大，导致电容器组因过电流或过电压而损坏或无法投入运行； 产生脉动转矩致使电动机振动，影响产品质量和电机寿命； 由于涡流和集肤效应，使电机、变压器、输电线路等产生附加功率损耗而过热，浪费电能并加速绝缘老化； 谐波电压以正比于其峰值电压的形式增强了绝缘介质的电场强度，降低设备使用寿命； 零序（3的倍数次）谐波电流会导致三相四线系统的中线过载，并在三角形接法的变压器绕组内产生环流，使绕组电流超过额定值，严重时甚至引发事故。 谐波会改变保护继电器的动作特性，引起继电保护设施的误动作，造成继电保护等自动装置工作紊乱； 谐波变改变了电压或电流的变化率和峰值，延缓电弧熄灭，影响断路器的分断容量； 使计量仪表特别是感应式电能表产生计量误差； 干扰邻近的电力电子设备、工业控制设备和通讯设备，影响设备的正常运行。 谐波治理经济效益 节能5%8% 降容减少变压器、断路器、电缆投资 提高生产率和保持连续供电 有源滤波的优点和缺点： 优点：可动态滤除各次谐波，对系统内的谐波能够完全吸收；不会产生谐振。 缺点：造价太高；受硬件限制，在大容量场合无法使用:有源滤波容量单套不超过100KVA,目前最高适用电网电压不超过450V. 应用场合有源电力滤波器可广泛应用于工业、商业和机关团体的配电网中，如：电力系统、电解电镀企业、水处理设备、石化企业、大型商场及办公大楼、精密电子企业、机场港口的供电系统、医疗机构等。根据应用对象不同，HTAPF-I型有源电力滤波器的应用将起到保障供电可靠性、降低干扰、提高产品质量、增长设备寿命减少设备损坏等作用。 通信行业 ：为了满足大规模数据中心机房的运行需要，通信配电系统中的UPS使用容量在大幅上升。据调查，通信低压配电系统主要的谐波源设备为UPS、开关电源、变频空调等。其产生的谐波含量都较高，且这些谐波源设备的位移功率因数极高。通过使用有源滤波器可以提高通信系统及配电系统的稳定性，延长通信设备及电力设备的使用寿命，并且使配电系统更符合谐波环境的设计规范。 半导体行业 ：大多数半导体行业的3次谐波非常严重，主要是由于企业中使用了大量的单相整流设备。3次谐波属于零序谐波，具备在中性线汇集的特点，导致中性线压力过大，甚至出现打火现象，存在着极大的生产安全隐患。谐波还会造成断路器跳闸，耽误生产时间。3次谐波在变压器内形成环流，加速了变压器的老化。严重的谐波污染必然对配电系统中的设备使用效率和寿命造成影响。 石化行业 ：由于生产的需要，石化行业中存在着大量泵类负载，并且不少泵类负载都配有变频器。变频器的大量应用使石化行业配电系统中的谐波含量大大增加。目前绝大部分变频器整流环节都是应用6脉冲将交流转化为直流，因此产生的谐波以5次、7次、11次为主。其主要危害表现为对电力设备的危害及在计量方面的偏差。使用有源滤波器可以很好地解决这方面的问题。 化纤行业 ：为大幅提高熔化率、提高玻璃的熔化质量，以及延长炉龄、节省能源，在化纤行业常用到电助熔加热设备，借助电极把电直接送入燃料加热的玻璃池窑中。这些设备会产生大量的谐波，且三相谐波的频谱和幅值差别比较大。 钢铁/中频加热行业 ：钢铁业中常用到的中频炉、轧机、电弧炉等设备都会对电网的电能质量产生重大的影响，使电容补偿柜过载保护动作频繁、变压器和供电线路发热严重、熔断器频繁熔断等，甚至引起电压跌落、闪变。 汽车制造业 ：焊机是汽车制造业中不可少的设备，由于焊机具有随机性、快速性及冲击性的特点，使大量使用焊机造成严重的电能质量问题，造成焊接质量不稳、自动化程度高的机器人由于电压不稳而不能工作，无功补偿系统无法正常使用等情况。 直流电机谐波治理 ：大型直流电机场所都需要先通过整流设备将交流电转换为直流电，由于此类工程的负载容量都较大，因此在交流侧存在严重的谐波污染，造成电压畸变，严重时会引起事故。 自动化生产线和精密设备的使用 ：在自动化生产线和精密设备场合，谐波会影响到其正常使用，使智能控制系统、PLC系统等出现故障。 医院系统 ：医院对供电的连续性和可靠性有非常严格的要求，0类场所自动恢复供电时间T15S，1类场所自动恢复供电时间0.5ST15S， 2类场所自动恢复供电时间T0.5S，电压总谐波畸变率THDu3%，X光机、CT机、核磁共振都是谐波含量极高的负载。 剧场/体育馆 ：可控硅调光系统、大型LED设备等都是谐波源，在运行过程中会产生大量的三次谐波，不但造成配电系统的电力设备效率低下，而且还会造成灯光频闪，对通信、有线电视等微弱电回路产生杂音，甚至产生故障。 主要发展状况由于有源滤波存在的不足和缺陷，目前国内市场上主要以无源滤波为主；国际上以ABB、ABLEREX（爱普瑞斯）、诺基亚、施耐德（梅兰日兰）、西门子为代表，国内以山大华天，哈工大、西安赛博、南京亚派为代表，另外清华大学电机系研制的CleanPower系列有源电力滤波器在自适应能力，稳定性以及对各种延时的最优补偿方面有了长足的进展，成为了最先进的产品之一。随着电力电子技术的进步，有源电力滤波器以其巨大的技术优势、强大功能、逐渐下降的价格，必将最终取代传统的电容型无功补偿装置，占据市场主流。 1系统参数要求经与森源电气龙总协商，系统参数要求如下：（1） 三相三线制结构（2） 容量：50kVA（3） 电压：380V（4） 补偿后电流谐波畸变率小于5%2系统方案确定根据系统要求，系统组成如图1所示： 图1 系统组成框图该系统主要有以下组成：（1） 主电路：包括直流储能电容、变流器、输出电感和滤波电容组成。（2） 电流、电压检测调理电路：包括霍尔检测电路、偏置电路、过零检测电路和滤波电路组成。（3） 外扩A/D转换电路（本次暂时利用DSP内部AD）。（4） DSP控制电路（本次暂时选用合众达DSP2812开发板）。（5） 隔离驱动电路：包括高速光电隔离和驱动。（6） 预充电电路：采用二极管整流或PWM整流预充电。（7） 人机界面：选用触摸屏进行人机对话。（8） 启动投切及故障报警电路：（9） 电源电路：根据系统设计要求需要提供正负15V隔离5V电源。3 系统各电路的设计 3.1主电路的设计主电路主要由直流储能电容、变流器、输出电感和滤波电容组成。以补偿对象为三相不可控负载为例，50kVA有源滤波器可补偿该类型负荷为380V/200kVA。由此可计算出：负载电流IL=303A需补偿谐波电流有效值IhL=75A需补偿谐波电流峰值IhLmax=200A（计算至25次谐波）直流侧电压为：UDC=900V（1） IGBT选择为：2MBI300U4H-120 400-600A/1200V（2） 直流储能电容的选取：理论上由于无功只能在交流侧三相之间进行交换，不会与直流侧进行交换，引起电容电压波动主要是开关器件的损耗和六次谐波，所以电容可以取值很小，但从仿真结果看电容取值小时将影响补偿后的电流波形。所以根据仿真结果电容暂时取值为：4700uF/1200V（3） 输出电感的选取：输出电感值的选取尚没有一个统一的计算方法，根据根据王兆安书中的方法和清华论文提供的计算方法分别为：0.5mH和0.04mH差别较大，最后经过仿真本例取：0.5mH,通过电流为75A/200A（4） 输出滤波电容的选取：输出滤波电容主要是滤除开关频率附近高次谐波，同时要保证补偿的高次谐波能通过，所以截止频率的选择比较关键，本例综合考虑选择截止频率为1550Hz（31次谐波）。计算得10uF。所以选择:10uF/450V3.2 电流、电压检测调理电路的设计（1）电流检测调理 该检测调理电路由霍尔检测、偏置电路和滤波三部分组成。 根据负载电流IL=303A，选择LEM 的LT308-S7电流传感器测量负载电流。该电流传感器原边额定电流有效值300A，原边电流测量范围0-+500A,转换率为1:2000。由于进入DSP的信号范围为0-3V，LT308-S7的副边额定有效电流为150mA，所以选择RM=20欧姆的测量电阻。 偏置电路和滤波具体参数如图2所示： 图2 电流检测调理电路（2）电网电压检测 电网电压有效值220V,可以选择LEM的LV25-P电压传感器测量电压，转换率为2500:1000该电压传感器原边额定有效值电流为10mA，因此原边选择R1=22k的限流电阻；副边额定有效值电流为25mA，选择RM=120欧姆的测量电阻。LV25-P电压传感器的输出信号输