电能质量分析 有源滤波综述

1、有源电力滤波器的发展状况有源电力滤波器的发展状况西安交通大学电气工程学院西安交通大学电气工程学院2021年12月9日第2页有源电力滤波器的发展状况有源电力滤波器的发展状况1 谐波和无功功率的基本理论谐波和无功功率的基本理论2 有源电力滤波器的基本原理有源电力滤波器的基本原理3 APF的功能和特点的功能和特点4 APF发展简史发展简史5 APF的分类的分类6 APF的控制的控制7 APF的应用情况的应用情况8 APF的发展趋势的发展趋势2021年12月9日第3页1 谐波和无功功率的基本理论谐波和无功功率的基本理论 谐波的基本概念谐波的基本概念10)sincos()(nnntnbtnaatu 基波

2、基波频率与工频相同的分量称为频率与工频相同的分量称为 谐波谐波频率为基波频率大于频率为基波频率大于1整数倍的分量整数倍的分量 谐波次数谐波次数谐波频率和基波频率的整数比谐波频率和基波频率的整数比 谐波谐波 高次谐波高次谐波 低次谐波低次谐波2021年12月9日第4页1) 谐波产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的使用效率，大量的3次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。2) 谐波影响各种电气设备的正常工作。产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短以至损坏。3) 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就

3、使上述(1)和(2)的危害大大增加，甚至引起严重事故。4) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不正确。1 谐波和无功功率的基本理论谐波和无功功率的基本理论2021年12月9日第5页关于谐波的标准关于谐波的标准 国际国际 IEC61000-3-2 IEEE519 国家标准国家标准（1993年）年） 电能质量电能质量 公用电网谐波公用电网谐波 ，（，（GB/T14549-93） 谐波电压限值谐波电压限值 谐波电流限值谐波电流限值公用电网谐波电压（相电压）限值电网标称电压电压总谐波畸变率各次谐波电压含有率kV%奇 次偶 次0.385.04.02.064.03.21.6103

4、53.02.41.2661102.01.60.82021年12月9日第6页关于无功功率定义关于无功功率定义 正弦交流电路正弦交流电路cos)(2120UItuidPsinUIQ UIS SP非正弦交流电路无功功率的情况较复杂没有广泛接受的科学权威的定义11111coscoscosIIUIUISP基波因数位移因数22PSQ1sinnnnnfIUQ222222DQPQPSf222QPS（目前被广泛接受）不考虑电压畸变时2021年12月9日第7页三相电路瞬时无功功率理论三相电路瞬时无功功率理论 由由H. Akagi提出提出 本项目组做了深入研究并提出新见解本项目组做了深入研究并提出新见解iqieip

5、iqiqiiipipieeecos iipsiniiqpiepqieq基本定义：瞬时有功电流和瞬时无功电流瞬时有功功率和瞬时无功功率2021年12月9日第8页瞬时无功功率理论用于谐波检测瞬时无功功率理论用于谐波检测 基于基于p、q的检测方法的检测方法 基于基于ip、iq的检测方法的检测方法eaeeb ec ia ib ic eiiC32C32C23CpqCpq-1LPFLPFppqqiiffiafibficfiahibhichea iaib ic iiC32CCCLPFLPFiiffiafibficfiahibhichPLLipipiqiq23sin-cos检测结果不受电压畸变的影响2021年

6、12月9日第9页2 有源电力滤波器的基本原理有源电力滤波器的基本原理 有源电力滤波器有源电力滤波器 Active Power Filter，缩写，缩写APF iiiSLC iiiLLfLh iiCLh iiiiSLCLf负载(谐波源)APFiSiLiC交流电网2021年12月9日第10页3 APF的功能和特点的功能和特点 动态补偿动态补偿 可同时补偿谐波和无功可同时补偿谐波和无功 所需贮能元件容量不大所需贮能元件容量不大 适当控制可保证不会发生过载适当控制可保证不会发生过载 不易受电网阻抗的影响不易受电网阻抗的影响 不受电网频率变化的影响不受电网频率变化的影响 既可单独补偿，也可集中补偿既可单

7、独补偿，也可集中补偿2021年12月9日第11页4 APF发展简史发展简史 1969年年B. M. Bird和和J. F. Marsh论文论文 APF思想萌芽思想萌芽 1971年年H. Sasaki和和T. Machida论文论文 完整描述了完整描述了APF的基本原理的基本原理 1976年年L. Gyugyi等提出了采用等提出了采用PWM变变流器构成的流器构成的APF 确立确立APF的概念的概念 确立了确立了APF主电路基本拓扑结构和控制方法主电路基本拓扑结构和控制方法2021年12月9日第12页4 APF发展简史（续）发展简史（续） 80年代，几大因素促成年代，几大因素促成APF的迅速发展的

8、迅速发展和应用：和应用： 电力电子器件的迅速发展电力电子器件的迅速发展 PWM控制技术的发展控制技术的发展 瞬时无功功率理论的提出瞬时无功功率理论的提出 90年代年代 出现更多的系统构成方式出现更多的系统构成方式 应用的迅速扩展应用的迅速扩展2021年12月9日第13页5 APF的分类的分类串联混合型注入回路方式与L C并 联与L C串 联串联谐振式并联谐振式串联型A P F并联型A P F统一电能调节器单独使用方式单独使用方式并联混合型交流APF直流APF有源电力滤波器按系统构成方式分类2021年12月9日第14页5 APF的分类（续）的分类（续） APF按照主电路性质分类按照主电路性质分类

9、 电压型电压型 电流型电流型 使用的器件使用的器件 IGBT GTO+-Ud2021年12月9日第15页6 APF的控制的控制6.1 用于用于APF的谐波检测方法的谐波检测方法6.2 并联型并联型APF的控制方式的控制方式6.3 用于用于APF的的PWM跟踪控制方法跟踪控制方法6.4 电压型电压型APF的直流侧电压控制的直流侧电压控制2021年12月9日第16页6.1 用于用于APF的谐波检测方法的谐波检测方法 基于瞬时无功功率理论的检测方法基于瞬时无功功率理论的检测方法 时域方法时域方法 基于傅立叶变换的检测方法基于傅立叶变换的检测方法 频域方法频域方法 FFT、DFT及改进方法及改进方法2

10、021年12月9日第17页6.2 并联型并联型APF的控制方式的控制方式 检测负载电流控制方式检测负载电流控制方式 检测电源电流控制方式检测电源电流控制方式 复合控制方式复合控制方式负载(谐波源)APFiSiLiC交流电网2021年12月9日第18页6.3 用于用于APF的的PWM跟踪控制方法跟踪控制方法 补偿电流（或电压）的产生采用补偿电流（或电压）的产生采用PWM跟踪控制跟踪控制 滞环比较的跟踪控制方法滞环比较的跟踪控制方法 三角波比较的跟踪控制方法三角波比较的跟踪控制方法 定时控制的瞬时比较跟踪控制定时控制的瞬时比较跟踪控制滞环比较器PWM 信号-+iCiCiC*时钟信号PWM 信号比较

11、器iCiCiC*-+KiC*iCiCPWM 信号三角波+-2021年12月9日第19页6.4 电压型电压型APF的直流侧电压控制的直流侧电压控制 保证保证APF正常工作所必须正常工作所必须 并联型：并联型：通过有功电流分量进行控制通过有功电流分量进行控制eaiaibiciiC32sinCCCLPFLPFiiffiafibficfiCaiCbiCcPLLipipiqiq23ipPIVcrVcf-cos*2021年12月9日第20页7 APF的应用情况的应用情况 APF在日本、欧美已经实际应用在日本、欧美已经实际应用 日本：从日本：从1983年到年到1995年，共有年，共有455套套 1991年至

12、年至1995年年 355套套 以下以日本为例进行介绍以下以日本为例进行介绍(参考参考1997年日年日本电气学会的报告本电气学会的报告)2021年12月9日第21页7.1 生产台数和容量生产台数和容量 统计统计1991至至1995年的年的355台台19%49%19%6%7%50kVA以下50kVA200kVA200kVA500kVA500kVA1MVA1MVA以上2021年12月9日第22页7.2 应用的行业情况应用的行业情况 共调查了共调查了1991年年1995年间的年间的343台台17%17%43%3%4%4%12%建筑一般工业水处理电气化铁道电力系统研究单位其他2021年12月9日第23页

13、7.3 使用的类型使用的类型 大多为并联型大多为并联型 主电路多为电压型主电路多为电压型2021年12月9日第24页7.4 谐波的检测方式谐波的检测方式 按照检测点和检测量的不同，主要有按照检测点和检测量的不同，主要有3种种 检测负载电流检测负载电流 检测电源电流检测电源电流 检测电源电压检测电源电压 大多数采用负载电流检测方式大多数采用负载电流检测方式2021年12月9日第25页7.5 其他功能其他功能 除补偿谐波电流外，还可具有如下功能除补偿谐波电流外，还可具有如下功能 可补偿基波无功可补偿基波无功 平衡三相电压平衡三相电压 抑制电压闪变等抑制电压闪变等 355台设备中有台设备中有76台（

14、台（21%）附有补偿基）附有补偿基波无功的功能波无功的功能2021年12月9日第26页7.6.1有源和无源滤波器混合使用的必要性有源和无源滤波器混合使用的必要性单独使用无源滤波器的特点： 成本低、易实现。 补偿效果欠佳。 易与系统发生谐振。单独使用APF的特点： 可以动态补偿谐波，补偿效果好。 投资大、成本高。因此将二者结合起来，相互取长补短，充分发挥各自的优势，无疑是一种好的选择。7.6 与与LC无源滤波器混合使用情况无源滤波器混合使用情况2021年12月9日第27页(a) 串联型有源滤波器和无源滤波器的结合串联型有源滤波器和无源滤波器的结合电源电网阻抗耦合变压器series activef

15、ilter串联型有源电力滤波器pcc无源电力滤波器非线性负载7.6 与与LC无源滤波器混合使用情况无源滤波器混合使用情况7.6.2 有源与无源滤波器混合使用的结合方式有源与无源滤波器混合使用的结合方式2021年12月9日第28页 (b) 并联型有源滤波器和无源滤波器的结合并联型有源滤波器和无源滤波器的结合电源电网阻抗parallel activefilter并联型有源电力滤波器pcc无源电力滤波器非线性负载pcc7.6 与与LC无源滤波器混合使用情况无源滤波器混合使用情况7.6.2 有源与无源滤波器混合使用的结合方式有源与无源滤波器混合使用的结合方式2021年12月9日第29页(c) 有源滤波

16、器串入无源滤波支路的结合方式有源滤波器串入无源滤波支路的结合方式 (1)电源电网阻抗有源电力滤波器pcc无源电力滤波器非线性负载7.6 与与LC无源滤波器混合使用情况无源滤波器混合使用情况7.6.2 有源与无源滤波器混合使用的结合方式有源与无源滤波器混合使用的结合方式2021年12月9日第30页电源电网阻抗有源电力滤波器pcc无源电力滤波器非线性负载7.6 与与LC无源滤波器混合使用情况无源滤波器混合使用情况7.6.2 有源与无源滤波器混合使用的结合方式有源与无源滤波器混合使用的结合方式(d) 有源滤波器串入无源滤波支路的结合方式有源滤波器串入无源滤波支路的结合方式 (2)2021年12月9日

17、第31页 7.6.3 结合方式结合方式（C）中中APF的控制方法的控制方法对右图 列节点电流方程得从中可以看出，要想减小电网侧的谐波可以有两种方法。仅用PF时的谐波等效电路lhfhshfhshfhshshizzzvzzi1zfhzshvshilhishilhifh7.6 与与LC无源滤波器混合使用情况无源滤波器混合使用情况(1) 仅用PF时的谐波等效电路2021年12月9日第32页(2)APF+PF 谐波等效电路zfhzshvshilhishilhifhksish+klilh对 kl 、ks 分别独立控制，就可以达到优化控制的目的。谐波等效电路lhsfhshlfhshsfhshshikzzkz

18、vkzzi1由左图列节点电流方得 7.6.3 结合方式结合方式（C）中中APF的控制方法的控制方法7.6 与与LC无源滤波器混合使用情况无源滤波器混合使用情况2021年12月9日第33页7.6 与与LC无源滤波器混合使用情况无源滤波器混合使用情况 7.6.4 结合方式结合方式（C）的特点和的特点和APF的作用的作用特点： APF 不承受基波电压，只承受谐波电压； APF 要承受需补偿的全部基波无功电流和谐波电流； APF 的容量约占被补偿非线性负载容量的3%5%; 即使APF发生故障，可由旁路开关旁路，无源滤波器可继续正 常工作。 2021年12月9日第34页7.6 与与LC无源滤波器混合使用

19、情况无源滤波器混合使用情况 7.6.4 结合方式结合方式（C）的特点和的特点和APF的作用的作用APF的作用： 改善了无源滤波器的滤波性能； 彻底消除了系统谐振的可能性，增强了无功补偿与滤波系 统的安全可靠性； 可抑制背景谐波的影响（背景谐波严重时，纯无源滤波器 无法正常有效的工作）。2021年12月9日第35页 7.6.5 结合方式结合方式（d）中中APF的控制方法的控制方法对右图 列节点电流方程得从中可以看出，要想减小电网侧的谐波可以有两种方法。仅用PF时的谐波等效电路7.6 与与LC无源滤波器混合使用情况无源滤波器混合使用情况(1)仅用PF时的谐波等效电路zfhzshUshilhishi

20、lhifhzahlhahfhshahfhshahfhshshizzzzzvzzzi)()()(12021年12月9日第36页(2)APF+PF 谐波等效电路结合上述两种控制思想的优点对 kl 、ks分别独立控制，就可以达到优化控制的目的。谐波等效电路由左图列节点电流方得 7.6.5 结合方式结合方式（d）中中APF的控制方法的控制方法7.6 与与LC无源滤波器混合使用情况无源滤波器混合使用情况lhahsfhshahlfhshahsfhshshizkzzzkzvzkzzi)1 ()1 ()1 (1lhlshsapfikikizfhzshvshilhishilhifhiAPFzah2021年12月9日第37页7.6 与与