有源电力滤波.ppt

1、有源电力滤波,黄潇嵘,随着工业电力电子器件广泛地应用，配电网中整流器、变频调速装置、工业电源以及各种以开关方式工作的电力电子装置不断增加，这些负荷的非线性、冲突性和不平衡性的用电特性，使电力系统的电压、电流发生畸变，对供电质量造成严重污染，谐波不仅影响电气设备正常工作，还给电网的安全经济运行带来隐患。 治理谐波的方法，有两大类 改造谐波源和采用滤波补偿装置。,电力电子变换装置与电力系统连接是存在如下问题： 1.由于功率器件的非线性工作引起了波形的失真，因此，成为谐波电流的发生源。 2.由于系统电压波形发生畸变，使功率因素下降，因此，又成为无功功率的发生源。,为改善非线性负载对电网质量的严重影响

2、,抑制谐波技术措施主要包括以下几种： ( 1 ) 增大供电系统容量。 ( 2 ) 采用特殊变压器相角差变换。 ( 3 ) 增加多桥式整流器的整流脉动数。 ( 4 ) 串联电抗器。 ( 5 ) 无源滤波器。 ( 6 ) 有源滤波装置。,有源电力滤波器的发展最早可以追溯到本世界60年代。1969年Bird和Marsh发表的论文中已有了有源电力滤波器的基本思想。1971年Sasaki和Machida首次完整的描述了有源电力滤波器的基本原理。自1980 年起，已有大量论著论述了有源电力滤波器的研究工作。 其中包括并联型、串联型及混合型。与无源滤波器混合使用的串联型、并联型有源电力滤波器是其中的典型装置

3、。,构有源电力滤波器可分为串联型、并联型和两者混合使用的统一电能质量调节器。串联有源和并联无源混合使用的滤波器被称作复合型滤波器。,根据拓扑结构分类,大多数APF 采用并联或混合型补偿方案 , 单独使用APF 时由于交流电源的基波电压是直接施加到变流器上的，所要求的装置容量较大 。,与LC滤波器并联,与LC滤波器串联,与LC滤波器混合使用,与LC并联：共同补偿谐波，LC（单个高通滤波器或多组单调滤波器和高通滤波器）后者承担绝大多数的补偿谐波和无功的任务。（LC滤波器与电网发生谐振） 与LC串联：主要由LC补偿谐波和无功功率。该方案中串联型 APF 作用是对电力系统和负载之间的谐波起隔离作用，并

4、在电压波动时进行电压调整，同时它还可以防止电力系统的内阻和无源滤波器之间发生并联谐振,不直接承受系统基波电压作用。适合于高压系统应用 ,但对电源的谐波电压非常敏感 ,不适合大容量的无功补偿。,与LC 滤波器两种并列方式,与LC 滤波器串列方式,根据使用的变流器类型分类,有源电力滤波器的主电路有两种类型的变流 器 , 即电流型 PWM 逆变电路和电压型 PWM 逆变电路。它的作用是产生非正弦电流来补偿非线形负载的谐波电流。电流型有源电力滤波器虽有较高的可靠性 , 但却有较高的损耗并且在交流侧需要并联数值较大的电感 , 因此在一般场合下使用较少。而电压型PWM 变流器在它的直流侧带有一个大电容 ,

5、 因为其轻便且特性较好 , 所以现在主要使用的是这种装置。,电压源型PWM变流器（主电路）,有源滤波装置通过检测补偿对象的电压和电流，得出与负载电流中的谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，从而使电网的电压、电流恢复为正弦波形。,补偿电流指令值的检测方法,1.利用陷波法 首先接测出电流 ，然后经过滤波器（陷波器）将基波成分去除，从而获得补偿电流 。,2.利用带通滤波器的检测方法 在已知谐波电流次数的情况下，可以利用带通滤波器直接检测出各次谐波的成分，然后求取补偿电流。,这两种方法都是根据传统交流电中的平均功率和无功功率理论来求取的，有很多缺点。误差大设计难，对频率波动和元器件参数很敏感。,3.

6、利用三角函数正交运算 首先从三相畸形波中检测出基波电流和基波电 压的相位差和电流的振幅，然后生成与该振幅和相位差相同的基波电流波形。,4.利用傅立叶展开法（d-q法） 首先检测出电源电压e的相位w1和周期T，然后产生与之同步的正弦波 ，再检测出负载电流，做如下运算。,用负载电流减去，得谐波电流,运算量大,5.利用复功率计算法（p-q法）,无功补偿时断开q通道即可 低通会使检测结果发生延时，只检测无功时 不需要低通直接变换即可。,6.,该方法中需用到与 a 相电网电压 ea 同相位的 正、 余弦信号 sint 和 - cost ,它们由一个锁相环(PLL)和一个正、 余弦信号发生电路得到。根据定

7、义可算出 ip 、 iq ,经L PF 滤波后可得 ip 、 iq 的直流分量 ip 、 iq (由 iaf 、 ibf 、 icf产生) ,因此由 ip 、 iq 即可算出iaf 、 ibf 、 icf ,进而算出 iah、 ibh、 ich。若要检测 ih + iq ,则只需断开图 2 中计算 iq 的通道即可。若只检测 iq ,则只需对 iq 反变换即可。,运算与p-q法类似，当要检测谐波和无功电流之和时，只需断开对应的通道。只检测无功电流，直接反变换。,瞬时空间矢量法总结,d-q 法是基于同步旋转坐标变换的一种方法，它在电网电压不对称、畸变情况下能精确地检测出谐波电流（畸变电压没有直接

8、参加运算）；其中 P-q 法适用于电网电压对称，且无畸变情况下谐波电流的监测；ip-iq法适用范围广，在电网电压不对称时也同样有效。,两种方法都可以用模拟电路实现也可以用数字电路实现。当用到模拟电路时，第一种要用10个乘法器和2个除法器。第二种只需8个除法器。 总之瞬时空间矢量法优点是能快速跟踪补偿电流，进行适当补偿，不受电网参数和负载变化的影响。但缺点是系统成本高，损耗大。,瞬时无功功率理论,1983年，赤木提出，以瞬时有功功率和瞬时无功功率为基础的理论体系。 传统理论中的有功和无功是建立在平均值或向量的基础上的，而他是建立在瞬时值的基础上的，适用于正弦波，也适用于非正弦波和任何过度过程。,

9、当三相电压和电流均为正弦波时，三相正弦电路的有功功率就是三相电路的瞬时功率。 当三相电路为非正弦电路时，瞬时有功功率和无功功率的交流分量在一个周期内的积分恒为零，所以只剩下直流分量（难分解）。 由于一般输入电压波形的失真度很小，可把直流分量只取基波分量。,电源电压平衡且无畸变时，只有基波有功功率和基波无功功率（不含交流分量），由公式可求出两相的基波电流，再2/3变换得到三相的基波电流。由检测到的负载电流减去后得到谐波的补偿电流。,电源电压不平衡或有畸变时，将出现交流分量，此时由交流分量产生的电流只能是谐波电流，2/3变换后直接可求得三相补偿电流。,有畸变时，p-q运算方式有误差（畸变电压直接参

10、加运算），ip-iq法结果较为准确,补偿电流的产生方法（主电路）,一个有源电力滤波器电路应尽可能的产生与补偿电流指令值相吻合的电流。有关有源电力滤波器的结构和补偿电流控制方法很多，从变换电路结构上分，有电流型和电压型两种；按与电网连接的方式分，有利用普通变压器连接的方式和采用注入电路的方式；从控制方式上分，虽然都采用PWM方式，但又分为采用三角载波的PWM方式、多脉冲PWM方式和跟踪控制方式。,1.电流型补偿电路 基本结构是，直流侧的电流变换器含有直流电抗器（直流侧为一恒流源），变换器以电流逆变方式工作。通过利用高频的是三角载波对补偿信号指令值进行脉宽调制生成PWM信号。再利用该PWM信号使G

11、TO导通关断，获得补偿电流。 问题：开关频率有限，补偿高次谐波需采用多重化变换器。,多重化？,采用多重化主电路最基本的一点就是容易实现大容量 ,并可解决大容量和开关频率间的矛盾。其基本原理是在每相通过变压器绕组的不同连接方式 ,由多个相同的低压变流器串联或并联工作 ,各变流器之间的触发脉冲依次错开一定的相位来抵消某些次数的谐波或提高最低次谐波 ,装置容量即得到提高;并使器件的开关频率降低 ,等效频率提高。,实现多重化的主电路有如下3种形式： (1)通过串联电抗器多重化方式 ,它直接将逆变器通过交流侧的电感并联起来,最容易实现 ,故应用较多。 (2)通过平衡电抗器多重化方式 ,在各个逆变器之间加

12、入平衡电抗器以抑制逆变器之间的环流,因为当逆变器开关频率较低时会出现较大环流 ,故该方式适合于开关频率较低场合。 (3)通过变压器串联多重化方式 ,其稳定性和抗干扰性较好;但其变压器必须采用二次侧为多绕组的特殊形式。通过变压器二次绕组 ,将逆变器输出的 PWM波直接串联 ,使铁心损耗增大 ,故应用较少。,2.多脉冲PWM方式： 为了能减小多重化的次数，又能补偿高次谐波 原理：将前面得到的补偿电流值分解为各次谐波，得到各次谐波的振幅和相位等效的方波信号，再将方波加到一起形成合成脉冲信号。然后对器进行移动处理，使他能在一台逆变器上输出。 优点：不用多重化就能对19次一下谐波进行补偿。 缺点：跟踪性

13、能差,3.电压型补偿电路 电压型有源电力滤波器的基本结构是，其直流侧有直流电容（直流侧是一个恒定的电压源），变流器以电压逆变方式工作。利用交流电抗器两端的电压差产生补偿电流，并通过控制该电流使之与补偿电流指令值一致，以实现补偿。,电压型有源电力滤波器的电流控制方式,1.三角载波比较方式,将指令值和补偿值加到滞环比较器，根据偏差的大小和极性直接驱动逆变器开关的导通和关断，属跟踪控制方式。,2.滞环比较器法,4.带注入电路的补偿电路 有源装置只承受谐波电压 ,因此降低了容量。有串联谐振注入型和并联谐振注入型。可同时用于补偿谐波、 三相不对称电流、 供电点电压 的波动 ,动态补偿性能较好 ,无须承受基波电压和无功电流;但开关频率要求很高 ,对应的容量要求