有源電力濾波器的設(shè)計原理及應(yīng)用前景

    摘要:該文介紹了有源電力濾波器的工作原理和基本控制方法,并闡述有源電力濾波器的現(xiàn)狀及發(fā)展前景等等。

    關(guān)鍵詞:有源電力濾波器;諧波;工作原理;應(yīng)用及前景

    有源電力濾波器是一種用于動態(tài)治理諧波、補償無功的新型電力電子裝置,它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償,可以克服無源濾波器等傳統(tǒng)的諧波治理和無功補償方法的缺點。

    有源電力濾波器的分類情況如圖1所示,根據(jù)不同的接入方式,可分為三類。



    以下主要以并聯(lián)型有源電力濾波器為介紹對象。

    1 并聯(lián)型有源電力濾波器

    并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示,es表示交流電源,負載為諧波源,它產(chǎn)生諧波并消耗無功。如圖2所示,有源電力濾波器的系統(tǒng)由兩部分組成,即指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路(電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和主電路三部分)?;竟ぷ髟恚簷z測補償對象中含有諧波的電流,經(jīng)指令電流運算電路得出補償電流的指令信號,該指令信號經(jīng)過跟蹤控制電路,控制電路得出補償電流,補償電流與負載電流中要補償?shù)闹C波電流相互抵消,得到不含諧波的電流。



    當(dāng)負載產(chǎn)生諧波時,有源電力濾波器檢測出負載電流中的諧波分量,將其反性后作為指令信號,由補償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的補償電流,即與負載電流中諧波分量大小相等、方向相反,在連接點相互抵消,達到補償諧波的目的,使得電源電流中只含有基波,不含諧波。

    2 電流跟蹤控制方法

    電流跟蹤控制方法在有源電力濾波系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用,它決定了系統(tǒng)的快速性和準確性。為了得到較好的實時性,一般采用跟蹤型PWM控制方式,目前常用的電流跟蹤控制方法有:三角波比較方式和滯環(huán)比較跟蹤控制。

    2.1 三角波比較控制

    三角波比較方法是較簡單的一種電流控制方法,其原理如圖3所示。



    這種方法將補償電流指令信號ic*和實際補償電流信號ic之間的差Δic經(jīng)放大器A放大之后再與三角波比較,放大器A一般采用比例放大器或者比例積分放大器,控制電路的設(shè)計目標將Δic控制為較小。三角波比較方式的特點是電流響應(yīng)比較慢,跟隨誤差大,硬件復(fù)雜,器件開關(guān)頻率固定,輸出電壓中所含的諧波少。

    2.2 滯環(huán)比較跟蹤控制

    滯環(huán)電流控制具有簡單靈活,性能與系統(tǒng)參數(shù)無關(guān), 動態(tài)響應(yīng)速度快,魯棒性好,精度較高等優(yōu)點,因此在跟蹤諧波電流或電壓的控制方面應(yīng)用較多。

    以單相電流跟蹤控制為例,圖4為采用滯環(huán)比較器的瞬時比較方式的原理圖。



    把補償電流的指令信號ic*和實際補償電流信號ic 進行比較,得到兩者的差值Δic,將其差值Δic作為滯環(huán)比較器的輸入,通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路中開關(guān)通斷的PWM控制信號,該信號經(jīng)驅(qū)動電路來控制開關(guān)的通斷, 從而達到控制實際補償電流i 跟蹤指令電流i *變化的目的。

    這種控制電路的特點是不需要載波,硬件電路簡單, 電流響應(yīng)快,若滯環(huán)寬度固定則其電流跟蹤誤差范圍固定。但這種方式中的滯環(huán)寬度H對補償電流的跟蹤性能有較大的影響:當(dāng)H較大時,其跟蹤誤差大,跟蹤能力差, 對主電路中電力半導(dǎo)體器件的開關(guān)頻率要求較低;反之, 當(dāng)H較小時其電流跟蹤誤差小,但同時對主電路中電力半導(dǎo)體器件的開關(guān)頻率要求就比較高。

    3 有源電力濾波器的現(xiàn)狀及發(fā)展前景

    3.1 國外的研究現(xiàn)狀

    目前,有源電力濾波器在國外的研究以日本為代表,已經(jīng)進入實用化階段,已有很多應(yīng)用實例。隨著容量的逐步提高,其應(yīng)用范圍也從補償用電戶自身的諧波向改善整個電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的方向發(fā)展。

    有源電力濾波器在日美等工業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)得到了高度的重視和廣泛的應(yīng)用。一些裝置已經(jīng)相當(dāng)成熟,其產(chǎn)品開始進入大量實用化階段。如日本的有源電力濾波器使用很普遍,并聯(lián)型有源電力濾波器容量達50 MVA,采用的是GTO、SCR器件,用于治理電弧引起的閃變。

    3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

    國內(nèi)對于補償諧波的有源電力濾波器的研究十分活躍,技術(shù)也相當(dāng)成熟,但仍處于試驗階段,且成本較高。并聯(lián)型有源電力濾波器的研究較為成熟,主要以理論和實驗研究為主。雖然我們在理論上已經(jīng)**了一定的成就, 但多數(shù)只是實驗樣機,存在容量小、可靠性差、補償效果不理想、造**等缺點。

    3.3發(fā)展前景

    隨著快速、大功率電力電子開關(guān)器件的研制成功,基于瞬時無功理論的瞬時空間矢量法的提出,以及微機控制技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展,有源電力濾波技術(shù)也得到了快速發(fā)展。

    目前有源電力濾波器在日美工業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)得到了高度的重視和廣泛的應(yīng)用,我國還處在研究試用階段,而且成本相對較高。但隨著大功率電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展,APF的成本不斷降低,加上其濾波效果良好,在我國必將有廣闊的應(yīng)用前景。

    4 安科瑞有源電力濾波器介紹

    4.1 工作原理

    ANAPF系列有源電力濾波器并聯(lián)在含諧波負載的低壓配電系統(tǒng)中,能夠?qū)討B(tài)變化的諧波電流進行快速實時的跟蹤和補償。其原理為:ANAPF系列有源電力濾波器通過CT采集系統(tǒng)諧波電流,經(jīng)控制器快速計算并提取各次諧波電流的含量,產(chǎn)生諧波電流指令,通過功率執(zhí)行器件產(chǎn)生與諧波電流幅值相等方向相反的補償電流,并注入電力系統(tǒng)中,從而抵消非線性負載所產(chǎn)生的諧波電流。



    圖4-1 ANAPF有源電力濾波器原理圖

    4.2 產(chǎn)品特點

    ● DSP+FPGA全數(shù)字控制方式,具有較快的響應(yīng)時間,主電路拓撲和控制算法,精度較高、運行較穩(wěn)定;

    ● 一機多能,既可補諧波,又可兼補無功,可對2~31次諧波進行全補償或*特定次諧波進行補償;

    ● 具有完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能;

    ● 模塊化設(shè)計,體積小,安裝便利,方便擴容;

    ● 采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制,使用方便,易于操作和維護;

    ● 輸出端加裝濾波裝置,降低高頻紋波對電力系統(tǒng)的影響;

    ● 多機并聯(lián),達到較高的電流輸出等級;

    ● 擁有自主技術(shù)。

    4.3選型示例

    上海某工廠辦公大樓變壓器容量為250KVA,變壓器負載率為0.8,主要負載為節(jié)能燈、變頻空調(diào)和電梯等,屬于辦公樓宇。

    變壓器容量為250KVA;

    變壓器負載率為0.8;

    負載類型屬于辦公樓宇,根據(jù)表1估算THDi為30%;

    查表4可得估算諧波電流值為83A;

    如果根據(jù)公式(2)計算,結(jié)果是一樣的;



    考慮到一定的裕量,選擇100A的ANAPF有源電力濾波器。

    4.4治理方式分類與說明

    電能質(zhì)量監(jiān)測與治理系統(tǒng)針對不同的場合可選擇不同的治理方案,一般有集中治理、局部治理和就地治理三種技術(shù)方案。

    (一)集中治理



    集中治理上圖示例

    本案例是在變電所低壓電容柜中設(shè)置無功補償,同時在配電**設(shè)置有源電力濾波器,采用集中治理的方式治理諧波。

    集中治理適用于單臺設(shè)備諧波含量小,但數(shù)量龐大、布局分散的場合,比如辦公大樓(個人電腦、節(jié)能燈、變頻空調(diào)、電梯等),雖然單臺設(shè)備的電流小,諧波含量低,但整棟大樓的總電流大,總諧波電流也大。

    (二)局部治理



    局部治理上圖示例

    本案例是在變電所低壓電容柜中設(shè)置無功補償,同時在局部諧波源**設(shè)置有源電力濾波器,采用局部治理的方式治理諧波。

    局部治理適用于諧波源集中在某一條或幾條饋出支路的配電系統(tǒng),比如醫(yī)院的儀器、UPS電源等,雖然單臺設(shè)備的電流小,諧波含量低,但為防止其他設(shè)備產(chǎn)生的諧波對其干擾,采用局部諧波治理。

    (三)就地治理



    就地治理上圖示例

    本案例是在變電所低壓電容柜中設(shè)置無功補償,同時在主要諧波源的**設(shè)置有源電力濾波器,采用就地治理方式的治理諧波。

    就地治理適用于諧波源比較明確且單臺設(shè)備諧波含量較大的配電系統(tǒng),比如大型商業(yè)區(qū)的景觀照明、影劇院的可控硅調(diào)光設(shè)備、工業(yè)區(qū)的變頻器調(diào)速設(shè)備等,單臺設(shè)備電流大、諧波含量高、諧波電流大,為防止諧波電流影響其他用電設(shè)備,采用就地治理。

    4.5安科瑞有源電力濾波器選型

    立柜式





    5 結(jié)束語

    與傳統(tǒng)諧波治理技術(shù)相比,有源電力濾波器作為凈化電網(wǎng)污染,改善供電質(zhì)量的一種裝置,具有明顯的優(yōu)勢。大功率電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展,APF的成本逐漸降低,在我國必將有廣闊的應(yīng)用前景,與此同時,此裝置在農(nóng)村電網(wǎng)治理上也必然得到廣泛應(yīng)用。


    江蘇安科瑞電器制造有限公司專注于導(dǎo)軌電能表,有源濾波柜,工礦用電監(jiān)管,電動機保護器廠家,環(huán)保用電監(jiān)測,物聯(lián)網(wǎng)電表,一體式電動機保護器,油煙在線監(jiān)控,智能電動機保護器等

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