电能变换与控制（修订版）课件 8-2apf

8.2有源电力滤波器在现代工业生产过程中，为了提高系统的稳定性和效率，越来越多的电力电子变流器等精密设备被应用到生活和生产的各个方面，一方面这些设备对电能质量的要求也越来越高，另一方面这些装置的使用会向公用电网中注入大量的谐波电流，使电网中的电压和电流波形发生畸变，污染了公用电网，降低了电能质量。对电力公司来说这样就会增加输变电设备的容量、传输线路的损耗和电压调节设备的数量；使电容器组、电动机、变压器发热，甚至发生事故；还会使发电机的铜耗、铁耗增加，使电能的生产、传输和利用效率降低。对用户来说，它会造成保护系统和控制电路的误动作，影响了用户设备运行的安全性和稳定性；干扰通信线路，降低通信质量，严重时可造成通信系统无法正常工作。8.2有源电力滤波器由谐波引起的故障、事故时有发生，造成的危害也越来越严重，电网谐波畸变问题越来越引起人们的关注。谐波源有很多种，所有非线性的设备和元件都会产生谐波。因为当正弦波形电压施加到非线性设备上时产生的电流是非正弦的；正弦波形的电流经过非线性设备时产生的电压也是非正弦的。常见的谐波源有以下几种，第一：变压器、旋转电机、电弧炉等传统的非线性设备；第二：电力电子非线性设备，包括开关电源、变频器、变流器和荧光灯等；8.2有源电力滤波器解决谐波问题有两种方法：一是主动抑制谐波思路，改造产生谐波的用电设备，使其不再产生或减少谐波的产生，比如对于治理非线性整流设备产生的谐波可采用第5章讲述的PWM变流器，和本章第4节将要讲述的有源功率因数校正电路等来抑制谐波的产生。二是被动抑制谐波，即安装谐波补偿装置，比如有源电力滤波器。有源电力滤波器(APF)目前被认为是最有效的谐波治理方法之一。APF是一种用于动态抑制谐波的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波进行补偿，其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制方法的缺点。在有源电力滤波器当中谐波电流检测和电流跟踪控制是影响有源电力滤波器性能的两个关键环节。并随着各种理论的不断发展和应用，APF的性能也有了很大的改善，也慢慢的在电能质量的改善方面起到了越来越大的作用。8.2.1有源电力滤波器的工作原理及系统组成8.2.2有源电力滤波器的指令电流检测算法8.2.3有源电力滤波器的控制策略8.2.4有源电力滤波器仿真8.2有源电力滤波器8.2.1有源电力滤波器的工作原理及系统组成

1．APF原理及分类2．APF系统组成1．APF原理及分类APF是一种能动态抑制谐波的装置，其克服了传统无源滤波器(PassivePowerFilter-PPF)的缺点，能够取得比PPF更好的补偿效果。APF的基本原理是检测补偿对象的电压和电流，通过指令电流运算电路计算出补偿电流的指令信号，根据指令信号结合相应的控制方法产生PWM信号驱动主电路PWM变流器中的6个开关器件后得到补偿电流，补偿电流抵消掉谐波电流，从而消除谐波使其不能流入电网。由上述可知APF主要有指令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路及主电路组成。1．APF原理及分类(1)能够对频率和大小都在变化的谐波进行补偿，响应快；(2)能同时补偿谐波电流和负序电流，也可以分别单独补偿；(3)公用电网参数的变化对APF的补偿效果影响较小；(4)可以跟踪公用电网周期的变化；(5)理想情况下，补偿谐波时APF直流侧储能元件的容量不大；(6)APF不会发生过载，可根据软件的设定提供补偿电流或者电压。根据应用场合区分，APF可分为有源交流滤波器和有源直流滤波器；根据直流侧储能元件区分，APF可分为电流型APF和电压型APF；根据连接电网的方式区分，APF可分为串联型APF、并联型APF和串并联混合型APF。(a)单独使用的并联型APF

(b)单独使用的串联型APF

(a)并联APF+并联LC的HAPF

(b)串联APF+并联LC的HAPF2．APF系统组成(1)APF容量计算及主电路开关器件的选取

(2)直流侧电容选取

(3)交流侧连接电感选取并联型有源电力滤波器主要由两部分组成，即指令检测调理电路和电流补偿电路。指令指令检测调理电路电路包括负载电流检测电路、调理电路；其电流补偿电路包括DSP、驱动电路、功率变流器、交流侧连接电感等部分组成。(1)APF容量计算及主电路开关器件的选取并联型APF的容量由公式确定：

式

中，E是APF交流侧相电压的有效值(V)；Ic是APF输出的谐波补偿电流的有效值(A)。由此可知APF的容量和谐波补偿电流的大小相关，跟补偿对象的容量和补偿的目标相关。(1)APF容量计算及主电路开关器件的选取为了在实际应用中使APF系统既能满足性能要求，又能降低成本，需要对主电路的开关器件进行合理选择。和SVG一样，其选取主要涉及到器件的耐压等级、额定电流和工作频率等参数，开关器件的耐压等级的选择取决于APF装置的电路拓扑结构和直流侧母线电压Udc。对于两电平的桥式电路而言，IGBT承受的最大电压为直流侧母线电压Udc。一般要留一定的电压裕量；IGBT器件的额定电流取决于APF装置的补偿电流峰值Icmax，也要留一定的电流裕量，以满足APF装置的安全运行要求。开关频率的高低会影响到系统的性能和损耗，开关频率越高补偿性能越好，但损耗越大。在实际中可根据系统的要求进行选取。并联型APF的容量

式中，E是APF交流侧相电压的有效值(V)；Ic是APF输出的谐波补偿电流的有效值(A)。

正常工作时，APF输出的补偿电流应该能实时准确地跟随负载谐波指令电流的变化。忽略线路的阻抗，对a相输出补偿电流分析后可以得到式中，S是开关系数，取1/3或者2/3

并联型APF输出补偿电流的变化率，其值应该大于或等于负载电流的变化率，这样APF输出的补偿电流才能够实时准确地跟踪变化的负载谐波指令电流

假设ica>ica*，ica*是a相补偿电流的指令值，PWM变流器a相的上桥臂开关应关断，下桥臂开关应导通，此时S等于1/3，公式可写为为了使APF的补偿电流ica能够跟踪电流指令值ica*，此时ica应该减小可以得到考虑到电网电压最大值时也能顺利补偿，则有APF的直流侧电压值应该大于APF与电网连接点相电压峰值的3倍。在此基础之上，直流侧Udc越大，APF输出的补偿电流的跟随性能越好。但是Udc越大，对开关器件的耐压要求也就越高，实际应用中应根据系统的需要综合考虑。(2)直流侧电容选取在实际运行时，APF很难把直流侧Udc控制在恒定值。因为APF会从电网吸收或者释放有功功率：APF吸收有功功率时，直流侧Udc会升高；当APF释放有功功率时，直流侧Udc则会降低；此外变流器电路本身存在的开关损耗和其它损耗也会使直流侧Udc降低。如果电容器的电容值过小，APF直流侧Udc的波动就会变大，影响APF的补偿性能；如果电容器的电容值太大，APF直流侧Udc的动态响应会变慢，系统的成本也会增加。对于APF系统直流侧电容的选取可参照7.1节SVG的直流侧电容的选取的相关内容。(3)交流侧连接电感选取正常工作时，APF的补偿性能受实际谐波补偿电流对谐波指令电流的跟踪能力的影响，如果实际输出的谐波补偿电流不能实时准确的跟踪谐波指令电流变化，APF的动态补偿性能就会受到严重的影响。并联型APF通过串接电感方式接入电网，输出电感值的选取影响着APF输出谐波补偿电流的变化率，因此电感值的选取需要能够保证APF输出的谐波补偿电流具有跟随谐波指令电流最大变化率的能力。电感值不能太大，否则谐波补偿电流的变化率会变低而影响APF的动态补偿性能，还会增加系统的成本；电感值过小时，谐波补偿电流的变化速率太快，相对于期望的谐波补偿电流，APF实际输出的谐波补偿电流会有较大的超调。要使APF实际输出的谐波补偿电流能跟随谐波指令电流的变化，则在每一个调制周期内谐波补偿电流的斜率应该比谐波指令电流的斜率大。当APF长时间工作的时候，电网相电压ea的平均作用为0，Sa的均值为4/9，则a相可另写为：采用三角波比较控制方式时，为了使误差信号在每个指令周期内都和三角载波信号有交点，APF输出谐波补偿电流的最大斜率要小于三角载波的斜率。设三角载波的斜率，Uc是三角载波的幅值(V)，f是三角载波的频率(Hz)，则有：

由谐波补偿电流的斜率应大于谐波指令电流的斜率可得：ω是谐波指令电流的角频率(rad/s)；是谐波指令电流的幅值(A)。采用三角波比较控制方式时，电感值L的取值范围为：

8.2.2有源电力滤波器的指令电流检测算法目前指令电流检测方法有基于频域分析的模拟带通或带阻滤波器检测法、基于神经网络的自适应电流检测法、基于傅里叶变换的谐波检测算法和基于坐标变换谐波电流的瞬时值检测法，他们各有特点本节着重讨论基于坐标变换的谐波电流检测方法，并对该方法的原理进行分析同SVG检测无功电流类似，APF基于坐标变换谐波电流的检测方法主要采用ip-iq瞬时值检测法。与SVG中的ip-iq检测算法不同的是不必断开通道，直接进行反变换得到基波电流iaf、ibf和icf，将基波分量分别和相应的被检测电流相减就可以得到相应的谐波指令电流iah、ibh和ich，如图8.2.3有源电力滤波器的控制策略有源电力滤波器的控制策略与静止无功发生器(SVG)类似，目前在实际中采用较多的主要有滞环控制和三角波比较控制，这里选用三角波比较控制策略为例进行分析。三角波比较控制原理图。该方法不直接把电流指令信号和三角载波信号比较，而是先把谐波补偿电流的实际值与谐波电流指令值的偏差做PI调节，然后PI控制器的输出信号和三角载波做比较，将得到的矩形脉冲作为PWM变流器的控制信号，进而可以使变流器实际输出的谐波补偿电流能够准确实时的跟踪谐波指令电流信号的变化。三角载波控制的优点是PWM变流器中6个开关器件的开关频率是固定的，动态响应好，实现简单。缺点是PWM变流器中6个开关器件一直处于高频工作状态，输出的谐波补偿电流波形中含有与三角载波同频率的高频谐波分量，开关损耗大。8.2.4有源电力