第六章有源电力滤波器

中南大学信息科学与工程学院新能源与电能质量控制研究所第六章有源电力滤波器（APF）授课老师：危韧勇E-mail：[e-mail]时间：8/4/2019中南大学信息科学与工程学院新能源与电能质量控制研究所content6.1APF的基本原理6.2APF的系统构成和主电路形式6.3APF的谐波电流检测方法6.4并联型APF6.5串联型APF小结中南大学信息科学与工程学院新能源与电能质量控制研究所content6.1APF的基本原理6.2APF的系统构成和主电路形式6.3APF的谐波电流检测方法6.4并联型APF6.5串联型APF小结中南大学信息科学与工程学院新能源与电能质量控制研究所6.1APF的基本原理1．APF的特点：有源电力滤波器(ActivePowerFilter:APF)为一种能够动态消谐波并且可以补偿无功的电力电子设备，其完全可以消除频率与幅值都变化的谐波和无功，同时能够弥补PPF的不足，而且能够得到比PPF更好的补偿效果。与无源滤波器相比，有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性，其具体如下：(1)实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应；(2)可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率的大小可做到连续调节；(3)补偿无功功率时不需贮能元件；补偿谐波时所需贮能元件容量也不大；(4)即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用；(5)受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振；(6)能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响；(7)既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿；中南大学信息科学与工程学院新能源与电能质量控制研究所2．APF的基本原理如图6.1所示，APF系统由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路(由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成)。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。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。主电路目前均采用PWM变流器。图6.1并联型APF系统构成中南大学信息科学与工程学院新能源与电能质量控制研究所若要求APF在补偿谐波的同时，补偿负载的无功功率，则只要在补偿电流的指令信号中拉架与负载电流的基波无功分量反极性的成分即可。根据同样的原理，APF还可对不对称三相电路的负序电流等进行补偿。)16()16()16()16(diiiiciibiiiaiiiLfcLsLhcLhLfLcLsLi如图所示，APF检测出补偿对象负载电流的谐波分量，将其反极性后作为补偿电流的指令信号，由补偿电流发生电路产生的补偿电流，即与负载电流中的谐波分量大小相等、方向相反，因而两者互相抵消，使得电源电流中只含基波，不含谐波。Lhi*ciciLhisi中南大学信息科学与工程学院新能源与电能质量控制研究所content6.1APF的基本原理6.2APF的系统构成和主电路形式6.3APF的谐波电流检测方法6.4并联型APF6.5串联型APF小结中南大学信息科学与工程学院新能源与电能质量控制研究所6.2有源电力滤波器的系统构成和主电路形式图6.2有源电力滤波器的系统构成分类中南大学信息科学与工程学院新能源与电能质量控制研究所6.2.1.单独使用的有源电力滤波器的系统构成1.单独使用的并联型有源电力滤波器图6.3单独使用的并联型有源电力滤波器如图所示，变流器与其相连的电感、直流侧贮能元件共同组成有源电力滤波器的主电路。与有源电力滤波器并联的小容量一阶高通滤波器（或者二阶），用于滤除APF所生的补偿电流中开关频率附近的谐波。其补偿电流基本上由APF提供，这是有源电力滤波器中最基本的形式，也是目前应用最多的一种。这种补偿方式可用于：(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；但是，由于交流电源的基波电压直接（或经变压器）施加到变流器上，且补偿电流基本上由变流器提供，故要求变流器具有较大的容量。这是它的主要缺点。中南大学信息科学与工程学院新能源与电能质量控制研究所2.单独使用的串联型有源电力滤波器6.4单独使用的串联型有源电力滤波器如图所示，APF作为电压源串联在电源和谐波源之间。在多数情况下，并联型有源电力滤波器主要用于补偿可以看作电流源的谐波源，典型的如直流侧为阻感负载的整流电路。此时，有源电力滤波器向电网注入补偿电流，抵消谐波源产生的谐波，使电源电流成为正弦波。串联型有源电力滤波器主要用于补偿可看作电压源的谐波源。典型的如电容滤波型整流电路。串联型有源电力滤波器输出补偿电压，抵消由负载产生的谐波电压，使供电点电压成为正弦波。串联型有源电力滤波器应用在直流系统中时，耦合变压器的系统接入侧很容易出现直流磁饱和问题，所以只在交流系统中采用。与中南大学信息科学与工程学院新能源与电能质量控制研究所6.2.2有源电力滤波器的主电路形式1.单个PWM变流器的主电路形式采用单个PWM变流器的有源电力滤波器的主电路，根据其直流侧贮能元件的不同，可分为电压型和电流流型两种。图6.5三相电压型PWM变流器图6.6三相电压型PWM变流器图6.7用于三相四线制的电压型PWM变流器中南大学信息科学与工程学院新能源与电能质量控制研究所电压型与电流型两种主电路的基本特点：(1)电压型PWM变流器的直流侧接有大电容，在正常工作时，其电压基本保持不变，可看作电压源；电流型PWM变流器的直流侧接有大电感，在正常工作时，其电流基本保持不变，可看作电流源；(2)对于电压型PWM变流器，为保持直流侧电压不变，需要对直流侧电压进行控制；对于电流型PWM变流器，为保持直流侧电流不变，需要对直流侧电流进行控制；(3)电压型PWM变流器的交流侧输出电压为PWM波，电流型PWM变流器的交流侧输出电流为PWM波。与电压型变流器相比，电流型变流器不会由于主电路开关器件的直通而发生短路故障。但是其直流侧大电感上始终有电流流过，会在大电感的内阻上产生较大的损耗，因此目前较少使用。直流侧混合型贮能方式，即直流侧采用一个电感和一个电容作为贮能元件，并且一个单相桥对其进行控制，贮能作用主要由电容承担，但却实现了电流型PWM变流器功能。克服了采用电感作为贮能元件的缺点。中南大学信息科学与工程学院新能源与电能质量控制研究所2.多重化的主电路形式有源电力滤波器中采用的主要的多重化主电路形式有三种：(1)串联电抗器多重化方式直接将各个有源电力滤波器通过其交流侧的电感并联起来，这是最容易实现的一种接线方式(2)采用平衡电抗器的多重化方式在各个有源电力滤波器之间加入平衡电抗器，抑制有源电力滤波之间的环流。当开关频率低时，会有较大的环流，因而适用于开关频率低的情况。中南大学信息科学与工程学院新能源与电能质量控制研究所(3)使用变压器的串联多重化方式通过变压器二次侧绕组将APF的输出串联起来。变压器必须采用二次侧为多绕组的特殊形式。由于APF输出的PMW波直接经过变压器叠加，使得变压器会有较大的铁损耗。图6.10采用变压器的多重化方式中南大学信息科学与工程学院新能源与电能质量控制研究所content6.1APF的基本原理6.2APF的系统构成和主电路形式6.3APF的谐波电流检测方法6.4并联型APF6.5串联型APF小结中南大学信息科学与工程学院新能源与电能质量控制研究所6.3有源电力滤波器的谐波电流检测方法1.基于傅利叶分析的检测方法)(nx由于基本的傅利叶分析需要进行积分，在需要快速运算的APF谐波检测中难以实现。目前，在APF中应用较多的是采用离散傅利叶变换(DFT)的方法。设是一个长度为N的有限长序列，则定义的N点离散傅利叶变换为：)(nx）（26)()]([)X(1NnkknNnxnxDFTkW其中：NjNe2W的傅利叶逆变换为：)(kX)36()(1)]([)X(10XnknNkxNkxIDFTxW中南大学信息科学与工程学院新能源与电能质量控制研究所DFT与FFT的比较：knNW由式(6-2)可知，DFT是对每一个k值进行运算，计算每一个指定的谐波分量。FFT利用因子的对称性和周期性，将DFT的对称项和同类项合并，达到简化运算的目的。因此FFT运算必须将展开的各项全部算完，才能达到简化运算的目的。另一方面，为了达到对称项和同类项合并的目的，必须用大量的指令来组织，花费较多时间。在APF中，往往要求对特定的谐波进行补偿。典型的是补偿全部谐波，或补偿少数低频率的谐波。当需要补偿全部谐波时，实际计算时只需要计算出基波，然后从被检测电流中减去该基波分量即得到全部的谐波分量。当需要补偿少数几次低频率谐波时，只需分别计算出所需要的几次谐波即可。因此，在APF中，DFT比FFT更具有优势。中南大学信息科学与工程学院新能源与电能质量控制研究所)46(])2sin[()(])2cos[()()X(1010NnNnnkNnxjnkNnxk式(6-2)可表示为：式(6-4)中k为频率系数，如k=0对应直流分量变换项，k=3对应三次谐波变换项。由此，可以根据对特定次谐波进行补偿的要求，只作相应次数的傅利叶变换。此外，根据正余弦项初始相位的不同，还可得到基波无功和基波有功分量。如，当采样与输入正弦信号同步时，则基波余弦的傅利叶反变换项就对应于无功补偿电流。若要补偿谐波和无功，可用负载电流信号减去基波有功分量得到补偿电流指令。中南大学信息科学与工程学院新能源与电能质量控制研究所2.采用人工神经网络的检测方法（ANN）图6.10神经元自适应谐波检测电路图中，作为原始输入的是非线性负载电流，可以分解成与电源电压同频同相的有功电流和与相位正交的无功电流和谐波电流组成的谐波电流两部分。是与同频同相的参考输入。为神经元的输出；通过神经元权值的自适应调整，最终逼近，从而使检测电路输出逼近得到APF要补偿的谐波电流。同时用作调节的误差信号e。当神经元的激活函数选为线性函数时，其输出为：oioiLipisu3sudijw)(frisudijwpi中南大学信息科学与工程学院新能源与电能质量控制研究所检测电路的输出为：njsjjrktkxkwki1)56()()()()(k式中，——神经元的阈值；——神经元的输入，它由参考输入和其当前时刻以前的值组成；——迭代次数。stjx)66()()()(kikikirLd和的调节采用Delta算法来进行。调节公式为：jwst)86()()()1()76()()()()1(33keGktktkxkeGkwkwssjjj式中，——学习率3G中南大学信息科学与工程学院新能源与电能质量控制研究所将上两式两端同除以输入信号的采样周期T，可得：若T取得足够小，可将离散变量看成连续变量，则可分别变换为：积分得：)106()()()1()96()()()()1(33TkeGktTktTkxkeGTkwkwssjjj)126()()()116()()()(tGedttdttxtGedttdwsjj)146()()()136()()()(dttGettdttxtGetwsjj中南大学信息科学与工程学院新能源与电能质量控制研究所图6.11神经元自适应谐波电流检测模拟电路原理图于是G的取值如下：结合式(6-5)、式(6-6)以及式(6-13)、式(6-14)，当神经元的输入只有一个，即参考输入，而没有的一系列时延时，可以得到一种基本神经元的自适应谐波电流检测方法的模拟电路，如图所示。)(3tus)(3tus该方法中，学习率的取值为：3G)156(103G)166(10TG中南大学信息科学与工程学院新能源与电能质量控制研究所理论上，T→0，G→∞。实际上，图6.11中，G是通过一个比例放大器来实