有源电力滤波器的应用及效果教材

1、有源电力滤波器的应用所在学院：信息科学与工程学院有源电力滤波器的应用上学期我们学习了电力电子技术这门课，通过这门课的学习我了解到： 以非线性负载为主产生的谐波会对电力系统形成很大的危害，而传统的电力电子 装置本身就是产生谐波的主要污染源。要想抑制电力电子装置和其它谐波源造成 的电力系统谐波，基本思路有两条：一是装设补偿装置，设法补偿其产生的谐波; 而是对电力电子装置本身进行改进，使其不产生谐波，同时也不消耗无功功率， 或者根据需要能对其功率因数进行控制，即采用高功率因数变流器。装设LC调谐滤波器是传统的补偿谐波的主要手段。LC调谐滤波器虽然存在 很多缺陷，但其结构简单，既可补偿谐波，乂可补偿无

2、功，一直被广泛应用与电 力系统中谐波和无功功率补偿。U前的趋势是采用先进的电力电子装置进行谐波 补偿，这就是有源电力滤波器（APF）。与LC无源滤波器相比，有源滤波器具有 明显的优越性能，能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿，而且补偿特性不受 电网频率和阻抗的影响。有源电力滤波器的变流电路可以分为电压型和电流型。 从与补偿对象的连接方式看，有源电力滤波器乂可分为并联型和审联型。电压型 和并联型在实际中应用较广。本学期做了一个谐波的产生和抑制的实验，其中谐波是由三相桥式整流电路 这一非线性负载产生的，在实验中釆用了两种抑制谐波的方法，一种是并联无功 补偿电容器和LC滤波器，另一种是并联一个有源电

3、力滤波器。LI标是经过这两 次滤波，使谐波电流的畸变率降到5%左右。有源电力滤波器基本原理如下图1所示。设负载电流为谐波检测器从负 载电流中检测出谐波电流.，令指令电流=-i ,补偿电流控制算法控制逆变 器产生补偿电流,注入母线，抵消负载电流中的谐波，达到抑制谐波电流 流向电源的LI的。系统山四个主要部分组成有源滤波主电路、外圉驱动板、谐波 检测器、DSP器件。图1谐波检测山电流传感器测量出负载电流，然后利用基于瞬时无功功率理论的 谐波电流检测技术检测谐波，计算出电网的谐波分量，并根据相应的控制算法讣 算出适当的补偿量，有源电力滤波器的补偿电流由单相电压型变流器产生，功率 开关元件采用IGBT

4、管，谐波电流检测器检测出负载电流的谐波信号i；,将i；反相 后作为指令信号i；, i：的值送入控制器，控制DSP中的PWM模块输出脉宽可调的 PWM信号，经整形、隔离、放大后，用于驱动各个功率开关的导通和关断。变流 器的交流侧出现逆变电压，此电圧和电源电圧之差山电感L负担，于是在回路中 产生补偿电流，补偿电网谐波。有源滤波器的优点是反映动作迅速，滤除谐波可 达到95%以上，缺点是价格高，容量小。我们做的这个实验是演示性试验，利用Matlab/Simulink平台进行并联型 有源滤波器仿真。观察投入APF前后，电路中的电压和电流波形，掌握对谐波电 流进行补偿的原理。实验原理如图2所示:我们首先研

5、究一下这个实验原理图的原理。首先，山于阻感负载的三相桥 式整流电路主要产生五次谐波和七次谐波，为了模拟谐波的产生以及掌握对谐波 电流的补偿原理，在低压端增加了三次谐波发生器。三次谐波发生器的结构如图 3所示。Ra图3带有很高谐波分量的电流首先通过变压器，进行第一次滤波；然后通过一组 并联的RLC无源滤波器进行第二次滤波，这次滤波主要是滤掉三次和五次的谐 波，其结构如图4所示：图4根据所学的知识，这种无源滤波器是三阶的滤波器。三阶滤波器与二阶滤波 器相比电感多串联了一个电容，它提高了滤波器对基波频率的阻抗，从而大大减 小基波损耗，这是三阶滤波器的主要优点。我们可以通过设置电感、电阻以及电容的参数

6、达到滤除三次谐波和五次谐波的U的。下面介绍有源电力滤波器的模块。有源电力滤波器的模块如图5所示。图5根据图5可知，这个模块的输入有三相的电压、三相电流还有滞环信号。下 面继续分解这个模块，如图6所示。图6通过图6可以看出，有源电力滤波器的核心环节主要有两个，一个是谐波电流的检测环节，还有一个是谐波控制环节。再根据所学的有源电力滤波器结构的 知识，谐波控制环节包括电流跟踪和主电路。下面先看谐波电流检测环节，其具体结构如图7所示（以A相为例）。图7图7的左上角是一个锁相环电路。锁相环在工作的过程中，当输岀信号的频 率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电圧保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压

7、的相位被锁住，这样就保持了频率和相位的稳定。中间部分是谐 波电流的检测方法。在这个实验中，有源电力滤波器的LI的只是补偿谐波，则利 用ip、iq方式，可以检测出负载电流iL中的谐波分量iLh,补偿电流的指令信 号ic应与谐波分量iLh极性相反。若补偿电流ic和ic完全一致，则补偿后 的电源电流与负载电流的基波分量完全相同。谐波控制环节的电路结构如图8所示。TUniversal BridgeCD：-zhihuanBreakerA a?ica8_ieb_*ClICC-_LU图8图8的左下方是电流跟踪控制电路。III于并联型有源电力滤波器产生的补偿 电流应实时跟随其指令电流信号的变化，要求补偿电流发

8、生器有很好的实时性, 因此电流控制采用跟踪型PWM控制方式，LI前主要的方法有两种，即瞬时值比较 方式和三角波比较方式。本实验采用的是瞬时值比较方式。在该方式中，把补偿 电流的指令信号ic与实际补偿电流信号ic进行比较，两者的偏差Ac作为滞 环比较器的输入，通过滞环比较器产生主电路开关通断的PWM信号，该PWM信号 经驱动电路来控制开关的通断，从而控制补偿电流ic的变化。滞环比较器的电 路结构如图9所示。图10（注：上面为电圧波形，下面为电流波形，下同）FFT analysisFundamental (50Hz) = 11.08 .THD= 36.41%2010Harmonic order15

9、20图11通过图10和图11可以看出，电网接入非线性负载和三次谐波发生器后，电流波形失真非常厉害，电流的畸变率达到了 36.41%o主要的谐波为三次、五次和七次。节点B2：Trre offset 0图12FFT analysis10Fundamental (50Hz) = 26.88 . THD= 14.80%8 6 4 2 (-BcoLuepunLL) 6PS51016Harmonic order20图13经过一次变压器的滤波后，电流的畸变率大幅下降到14. 8%,而且波形也有了很大的改善。节点B1：FFT analysis图14051015Harmonic order5Fundamental (60Hz)二 23.95 . THD二 7.73%204 3 2 1 (-E-uaEBPUnd jo = 24.09 . THD= 2.82%(-ua)uuepund3S) 6EShill lllin,iiJ iiuillii5101520Har