并联型有源电力滤波器

1、并联型有源电力滤波器设计说明书一、实验目的（1）掌握谐波的基本知识和谐波抑制的方法；（2）MATLAB中的Simulink应用；（3）掌握有源电力滤波器的设计和仿真。二、谐波的基本知识1、谐波的概念电力系统电能质量标准除电压、频率、可靠性外，还有波形。我国电力系统波形的标准是50Hz的正弦波形。由于国内外对发电机的设计和制造的质量标准中对波形有严格的要求，可以认为发电机发出来的电压波形都是标准正弦波形。但是随着工业化、电气化的发展，出现了许多非线性的负荷，如冶炼、电气化铁路、整流和逆变负荷、变频负荷等，接上这些负荷，使系统的电压、电流波形发生畸变。对于一个非正弦波形，可以按傅立叶级数展开成基本

2、频率、2倍、3倍等数倍于基本频率的正弦波形之和。这些2倍以上的正弦波均称为高次谐波。2、谐波的分类电气系统所产生的谐波有以下2类：暂态谐波：暂态谐波的产生是由于在电力系统中所使用的电气开关操作所引起，另外电力系统或者使用电力的生产设备发生故障，也将产生暂态谐波；稳态谐波：稳态谐波是由电力系统中非线性负荷所产生。这些非线性负荷有：a电流源谐波：大功率交流装置，如大型电解电源、大型电化电源、电力机车、轧钢机械设备、中高频加热炉、电弧炼钢炉、频率变换器、通用变频器等。b电压源谐波：含有铁芯的大容量变压器、电动机、电焊机、铁芯电抗器、电压互感器等。其它象电视机、电池充电器、荧光灯等装置也会产生谐波，虽

3、然单个装置的功耗不大，但由于使用面广，数量很多，因此，它们给供电系统注入的谐波分量也不容忽视。电流源谐波对电网的影响最大，电压源谐波对电网的影响极小。近来变频调速控制系统应用越来越广，其对电力系统的谐波污染不容忽视。3、谐波的产生（1）、电力系统本身存在着周期性的非正弦独立电源；（2）、工频电压或电流作用于非线性负载；（3）、电力系统中存在时变负载。4、谐波的危害电力系统的谐波会产生如下危害：1)谐波电流使输电线路、发电机、电动机、变压器产生附加损耗，温度升高；使发电机、电动机、变压器的震动和噪声增加。2)谐波中的较低次谐波谐振会使换流装置工作不稳定。3)谐波电流会对通信、继电保护装置、自动控

4、制装置、计算机产生干扰，损害通话的清晰度，造成电话铃误响、引起继电保护装置的误动等。4)若电网谐波较大，会延迟或阻碍消弧线圈的灭弧作用，导致单相重合闸失败，或不能采用较短的自动重合闸时间。5)使电能计量产生误差。产生谐波的用户因为向系统送谐波功率而少计量，而受害用户因吸收无用的谐波功率，还要多付费。6)谐波引起的谐波过电压会造成电网设备的损坏。7)造成电容器的损坏。电力系统中的谐波对并联补偿电容器有较大的影响：增加介质损耗，谐波产生的损耗和谐波次数成正比，高次含量越大，产生的损耗也越大，使电容器温度升高，电容器温度升高又引起介损增加，这样反复循环，最后导致电容器热击穿； 引起或加剧介质内部的局

5、部放电。5、谐波的抑制目前国内外主要从谐波发生源、配电系统以及谐波抑制装置3个方面来抑制谐波。本次专题实验主要采用设置谐波装置抑制谐波的方法。（1）、传统的谐波抑制方法1)加设电力无源滤波器。电力无源滤波器由L、C、R组成，其结构简单、运行可靠、维修方便，除滤波外还兼有无功补偿的功能，容量可设计成很大，现在广泛采用。2)增加变流器二次侧整流的相数。对于大容量的变流器，设计时尽量增加整流相数，相数越多，注入电网最低谐波次数越高，谐波电流越小，滤除越简单；如整流相数为6相时，5次谐波电流为基波电流的185，7次谐波电流为基波电流的12，若将整流相数增加为12相，则5次谐波电流可下降到基波电流的45

6、，7次电流下降到基波电流的3。在采用并联多重联结的整流电路时，必须采取有效的措施保证可控电力电子元件触发移相的同步性，否则将会产生更大的谐波电流。3)防止并联电容器组对谐波的放大。并联电容器在电网中起提高功率因素和调节波动电压的作用。但是当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波放大。为避免电容器对谐波的放大，一般采取的措施是：改变与电容串联的限流电抗器；将电容器组某些支路改为滤波器；限制电容器的投入容量。4)增加电网短路容量，提高设备的短路比，降低谐波对接在同网上的其它设备的影响。（2）、新型的谐波抑制方法在一般情况下，交流器产生的高次谐波随时间变化，采用静止滤波及补偿器无法达到滤除目的及

7、全部补偿。若采用有源滤波器即可达到理想的效果。有源电力滤波器(APF)实质上是一种大功率波形发生器，它把谐波经过采样、180。移相后，再完整的复制出来，送到谐波源的入网点。复制的谐波与原谐波幅值相等，方向相反，并跟随原谐波的变化而变化，因此，原谐波就被抵消了。有源滤波器由2大部分组成，即指令电流计算电路和补偿电流发生电路。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。补偿电流发生电路则根据指令电流运算电路的指令信号，产生需要的补偿电流。图1是有源滤波器经过改进的工作原理示意图。E为交流电源，负载为谐波源。APF检测出谐波源负载电流iL的谐波分量iLH，通过运算输出指令信号

8、，由补偿电流发生电路产生补偿电流ic，ic=-iLH, 使得电源侧电流is中不含谐波，而仅有基波。有源滤波器与无源滤波器相比，有以下特点：不仅能补偿各次谐波，还可以抑制闪变，补偿无功，有一机多功能的特点，在性价比上较为合理；滤波器特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有 自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波，即具有高度可控性和快速响应性等特点。按照接人电网的方式，有源滤波器可分为串联有源滤波器和并联有源滤波器，近年来又设计出串联混合型和并联混合型有源滤波器。有源滤波器虽然在谐波治理上有其突出特点，但其有功损耗较高，综合成本比无源滤波器高出很多，故在大容量的滤波器装置上

9、目前还未广泛采用。随着微电子控制器和电力半导体器件的发展，有源电力滤波器的性价比会越来越高，因此有源滤波器将是今后谐波抑制装置的主要发展方向。三、并联型APF1、并联型有源电力滤波器的功能（1）、只补偿谐波；（2）、只补偿无功功率，补偿的多少可以根据需要连续调节；（3）、补偿三相不对称电流；（4）、补偿供电点电压波动；（5）、以上任意项的组合。2、并联型APF的系统构成：3、并联型APF主电路的形式图2 并联型APF基本拓扑结构分析：并联型APF等效为一受控电流源，主要适于电流源型感性负载的谐波补偿，技术上已经比较成熟，工业上投入运行的有源电力滤波器多采用此方案。并联系有源电力滤波器通过耦合变

10、压器或电感器并入系统，不会对系统运行造成影响，具有投切方便、灵活及各种保护简单的优点。4、并联型APF的工作原理图2中负载电流为iL，由于负载的非线性使得iL中包含大量的谐波和无功电流，电源侧电流is随之发生畸变，变成非正弦波。经过APF的谐波计算，得出补偿电流ic ,根据基尔霍夫第一定律有，is=iL+ic,其中负载电流iL=iLf+iLh。所谓谐波补偿，是检测出负载电流中的iLh分量，将其取反后作为补偿电流指令信号ic,由补偿电路产生补偿电流ic,ic与负载电流中的谐波分量iLh大小相等方向相反，相互抵消，使得电源侧电流中包含基波，有效防止了谐波对电网污染。如果要求有源电力滤波器在补偿谐波

11、的同时也补偿无功，则需要检测基波电流iLf中的有功分量iLp和无功分量iLq。iLf=iLp+iLq。此时补偿电流的指令信号ic取自负载电流的谐波分量iLh和基波的无功分量iLq之和，再将取反后经由补偿电流发生电路产生补偿电流信号ic ,ic与负载电流中的谐波和无功成分大小相等方向相反，互相抵消，电源侧电流变成负载电流的有功分量，提高了功率因数，有效节约电能。图3 三相三线制APF主电路结构四、基于瞬时无功功率理论ip-iq谐波检测方法实际电网中由于非线性负载的应用，使得三相电压中包含谐波分量，电压波形甚至发生畸变，因此此法计算得出的p、q中不仅为基波电流和基波电压得出的功率，还包括其他同次谐波的电流和电压得出的结果，这样p-q法计算得出的三相基波电流中不可避免的包含了谐波的成分，影响了谐波检测的精度。为了克服这种因为电压质量而影响谐波检测精度的缺点，可以采用ip-iq谐波检测方法，如图4所示。图4五、三相三线并联型有源电力滤波器数学建模相桥臂的开关管，L代表每相的滤波电感，R代表滤波电感的内阻和由每相桥臂上、下管互锁死区所引起的电压损失。RL代表由并联APF损耗所引起的负载效应。式中所定义的3/2变换式为恒幅值变换，也即变换