有源電力濾波器的設(shè)計(jì)原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

時間：2022-10-10作者：安科瑞電氣股份有限公司瀏覽：255

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(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)償，可以克服無源濾波器等傳統(tǒng)的諧波治理和無功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)。
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(fù)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(yùn)算電路和補(bǔ)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(bǔ)償對象中含有諧波的電流，經(jīng)指令電流運(yùn)算電路得出補(bǔ)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(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波電流相互抵消，得到不含諧波的電流。
 
 
當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生諧波時，有源電力濾波器檢測出負(fù)載電流中的諧波分量，將其反性后作為指令信號，由補(bǔ)償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流，即與負(fù)載電流中諧波分量大小相等、方向相反，在連接點(diǎn)相互抵消，達(dá)到補(bǔ)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(zhǔn)確性。為了得到較好的實(shí)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(bǔ)償電流指令信號ic*和實(shí)際補(bǔ)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(jì)目標(biāo)將Δic控制為較小。三角波比較方式的特點(diǎn)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(diǎn)，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(bǔ)償電流的指令信號ic*和實(shí)際補(bǔ)償電流信號ic 進(jìn)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(dá)到控制實(shí)際補(bǔ)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(diǎn)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(bǔ)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(jìn)入實(shí)用化階段，已有很多應(yīng)用實(shí)例。隨著容量的逐步提高，其應(yīng)用范圍也從補(bǔ)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(dá)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(jìn)入大量實(shí)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(dá)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(bǔ)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(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)樣機(jī)，存在容量小、可靠性差、補(bǔ)償效果不理想、造**等缺點(diǎn)。
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(jī)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(dá)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(fù)載的低壓配電系統(tǒng)中，能夠?qū)討B(tài)變化的諧波電流進(jìn)行快速實(shí)時的跟蹤和補(bǔ)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(jì)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(bǔ)償電流，并注入電力系統(tǒng)中，從而抵消非線性負(fù)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(diǎn)
● DSP+FPGA全數(shù)字控制方式，具有較快的響應(yīng)時間，主電路拓?fù)浜涂刂扑惴?，精度較高、運(yùn)行較穩(wěn)定；
● 一機(jī)多能，既可補(bǔ)諧波，又可兼補(bǔ)無功，可對2～31次諧波進(jìn)行全補(bǔ)償或*特定次諧波進(jìn)行補(bǔ)償；
● 具有完善的橋臂過流保護(hù)、直流過壓保護(hù)、裝置過溫保護(hù)功能；
● 模塊化設(shè)計(jì)，體積小，安裝便利，方便擴(kuò)容；
● 采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制，使用方便，易于操作和維護(hù)；
● 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(jī)并聯(lián)，達(dá)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(fù)載率為0.8，主要負(fù)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(fù)載率為0.8；
負(fù)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(jì)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)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。
 

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