有源滤波器

1有源电力滤波器的技术现状和发展华北电力大学石新春教授2APF的发展有源电力滤波器（ActivePowerFilter）APF是一种新型的电力电子装置，其基本思想是从补偿对象中检测出谐波电流等分量，由补偿装置产生一个与该分量大小相等而极性相反的补偿电流分量，抵消谐波电流分量从而使流入电网的电流只含有基波分量。它具有动态相应快、补偿功能多样且补偿特性不受电网阻抗影响的特点，克服了传统LC滤波器和无功补偿方法的缺点，是谐波抑制的一个重要发展方向。3APF的发展早期使用的LC无源滤波器，根据LC的串联谐振原理，为谐波提供一个低阻通路，将其旁路，同时提供一定的基波无功补偿。特点：构造简单，一直以来被广泛使用，但是其补偿固定频率的谐波，补偿特性容易受电网阻抗和运行状态的影响，容易使系统发生谐振。4APF的发展有源滤波器的发展经历的几个阶段：最初于1969年出现在B.M.Bird和J.F.Marsh发表的论文中，提出向交流电网注入三次谐波电流来减少电源电流中的谐波成分。1971年日本长岗科技大学H.Sasaki和T.Machida发表的论文中首次完整的描述了有源电力滤波器的基本原理。1976年美国西屋电气公司的L.Gyugyi等人提出用四象限PWM变流器构成有源滤波器，并且讨论了APF的实现方法和控制原理，确立了有源电力滤波器的基本概念。5APF的发展20世纪80年代，两大因素促进了有源电力滤波器的研究进展。一是大功率可关断器件的研制和应用，如GTO和IGBT的应用，性价比不断提高，使大功率逆变器生产成为可能；二是1983年H.Akagi等人提出的“三相电路瞬时无功功率理论”，为三相系统畸变电流的实时检测提供了理论依据。随后，H.Akagi等又研制出7kV·A的APF，使APF开始进入工业应用阶段6APF的发展20世纪80年代末至今，APF一直是电力电子技术领域的研究热点之一，关于APF的论文在国际刊物和学术会议上不断发表，这些论文从APF的主电路结构、谐波电流检测、电流跟踪控制等方面进行研究和改进。为适应不同的补偿对象和实现补偿的多功能化，先后提出了并联型结构、串联型结构和混合型结构等。7APF的发展APF在国外已经进入工业实用化阶段。世界上APF的主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电气公司、德国西门子公司等。APF技术在日本已经成熟，已有1000多台投入市场，容量越来越大，已经发展到MV·A等级，功能也越来越丰富，除补偿谐波外，还补偿基波无功、平衡三相电压，抑制电压波动和闪变等功能8APF的发展我国有源滤波器的研究起步较晚，直到20世纪80年代末才有论文发表。20世纪90年代以来一些高校和研究机构开始进行APF的研究，以理论和实验为主。未能在我国工业领域广泛应用。我国实际应用并经过鉴定的是北京电力科学研究院和冶金科学研究院共同研制的用于380V三相系统的50kV·A有源电力滤波器。西安交通大学已经研制成功120kV·A试验样机。随着电力电子及相关技术的发展以及电力市场的形成，电能质量越来越受到人们的关注，因此APF有着良好的发展前景和技术经济效益。9APF的基本结构和原理vsisiCiL交流系统谐波源负荷有源滤波器vsisiCiL有源电力滤波器原理10APF的基本结构和原理有源电力滤波器的技术特点：1）优点a、补偿性能好有源电力滤波器不会与系统发生谐振，滤波效果较稳定。b、动态性能好有源电力滤波器适合用于负载谐波电流有较大的动态变化的场合，滤波器滤除谐波的效果不会变差。c、适应能力强与无源滤波器的工程性质的设计不同，有源电力滤波器即可针对具体工程进行专门设计，也可象其它电气产品一样规格化设计、生产，以便于推广应用。d、体积小有源电力滤波器中没有无源滤波器中的电力电容器与电阻器，从而使体积减小，占地面积减小。11APF的基本结构和原理2）缺点有：a、逆变器容量大由于交流电源电压直接加到逆变器上，要实现大容量的谐波补偿或实现有源电力滤波器补偿功能的多样性，需要有源电力滤波器逆变器具有较大的容量。b、成本高由于较大的逆变器容量，需选用造价较高的大容量电力电子器件和相应的驱动电路，使得有源电力滤波器的成本大大增加。c、模拟式谐波电流检测电路的误差有源电力滤波器谐波电流检测电路中器件参数的分散性以及调试误差等，将影响谐波电流检测精度，从而影响有源电力滤波器的补偿效果。12APF的基本结构和原理按照联结方式确定APF的种类1.并联型APF2.串联型APF3.串并联型APF4.混合型APF按照储能元件确定APF的种类电压型APF（储能元件为电容）电流型APF（储能元件为电感）13有源电力滤波器交流APF直流APF串联型并联型单独使用方式串联混合型单独使用方式并联混合型注入回路方式串联型并联型与LC串联与LC并联统一电能质量调节器APF的基本结构和原理14并联型APF与系统并联，可等效为一受控电流源。适用于电流源型非线性负载的谐波电流抵消、无功补偿及平衡三相系统中的不平衡电流等在技术上较为成熟，是一种应用比较广泛的有源滤波拓扑结构并联型有源滤波器15串联型APF与并联型相比，串联型有源滤波器损耗较大，各种保护电路也较复杂通过一个匹配变压器将有源滤波器串联于电源和负载之间，消除电压谐波，平衡或调整负荷的端电压。串联型有源滤波器16串并联型APF组合了串联、并联型有源滤波器的优点，能解决大部分电能质量问题，又称为统一电能质量调节器（UPQC）这种有源滤波器的主要缺点是控制复杂，造价较高串并联型有源滤波器17混合型APF混合型有源滤波器是在串联型有源滤波器的基础上使用一些大容量的无源L－C滤波网络来承担消除低次谐波，进行无功补偿。串联型有源滤波器承担消除高次谐波及阻尼无源LC网络与线路阻抗产生的谐波谐振。使串联型有源滤波器的电流、电压额定值大大减少，降低了有源滤波器的成本和体积。混合型有源滤波器18电压型APF电压型有源滤波器由一个较大的电容支撑直流测电压。这种结构轻便，并可以扩展为多电平结构使其在开关频率较低的情况下取得很好的性能，与电流型有源滤波器相比具有损耗小、效率高等有点，因此国内绝大多数APF都采用这种结构。电压型有源滤波器电压型有源滤波器19电流型APF由一个大电感充当一个非正弦的电流源来提供非线性负荷的谐波电流。对于开关频率有严格的限制，损耗较高，并且需要一个较大容量的并联电容作为线路电压支撑电容。电流型逆变器的最大缺点是不能用在多电平场合，无法提高大容量时逆变器的性能。电流型有源滤波器20APF的基本结构和原理有源电力滤波器应该包含两个主要部分：一是指令电流运算电路，用来检测出补偿对象电流中的谐波和无功电流等分量；另外一个是补偿电流发生电路，即根据检测电路所得出的补偿电流指令信号，产生实际的补偿电流。21主电路驱动电路指令电流运算电路电流跟踪控制电路负载LiciCsiRL''ciHPFAPFseAPF的基本结构和原理22谐波电流的检测方法谐波基波无功分量基波有功分量iiiiL负载电流：提取基波分量法基于FFT的数字分析法基于Fryze的有功电流检测法基于瞬时无功理论的检测方法要进行补偿，需要要检测出基波无功分量和谐波分量。主要的方法有：23谐波电流的检测方法提取基波分量法：最早的谐波检测方法采用模拟滤波器来实现，采用陷波器将基波滤除，得到谐波分量。或采用带通滤波器得出基本分量，再与被检测电流相减得到谐波分量。难于设计、误差大、对电网频率波动和电路元件参数十分敏感，极少采用。基于FFT的数字分析法：采集到的一个周波的电流进行计算，得到谐波和无功电流。该方法具有较长的时间延迟，需要进行两次变换，计算量大。24谐波电流的检测方法基于Fryze的有功电流检测法：根据传统功率定义来构造检测方法。这种方法积分一个周期才能得出检测结果。80年代以来，Czarnecki等人对非正弦情况下的电流进行了新的分解。这些电流的定义虽然严格，但是据此构造的检测算法，仍然需要积分一个周波才能得出检测结果，同样存在实时性不好的缺点。25谐波电流的检测方法基于瞬时无功功率的检测法：三相电路瞬时无功功率理论由S.Fryze、W.Quade和Akagi等先后提出，随后得到广泛深入的研究并逐渐完善。该理论突破传统的以平均值为基础的功率定义，系统的定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量，可以据此得出用于有源电力滤波器的谐波和无功电流实时检测方法。26谐波电流的检测方法cbacbaeeeCeeeee32232302121132cbacbaiiiCiiiii32232302121132在αβ两相坐标系下的定义：将三相电路电压电流瞬时值变换到αβ两相正交坐标系中eeeeeiiiii27谐波电流的检测方法iiCiieeeeqppqcosiipsiniiq分别为三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流qpii,定义三相电路的瞬时有功功率p（瞬时无功功率q）为电压矢量的模和三相电路瞬时有功电流（瞬时无功电流）的乘积定义28谐波电流的检测方法qqcqbqaqiiiii232123210132cpbpapiii,,ppcpbpapiiiii232123210132定义三相电路的瞬时有功功率（瞬时无功功率）是αβ两相瞬时有功电流（瞬时无功电流）通过两相到三相变换的结果在abc三相坐标系中的定义：cqbqaqiii,,29定义a，b，c各相的瞬时有功功率（瞬时无功功率）分别为该相的瞬时电压和瞬时有功电流（瞬时无功电流）的乘积谐波电流的检测方法ApeiepApeiepApeiepccpccbbpbbaapaa222333cbappp,,cbaqqq,,AqeeeieqAqeeeieqAqeeeieqbaccqccacbbqbbcbaaqaa)(3)(3)(3)(2)()()(222222accbbacbaaccbbaeeeeeeeeeeeeeeeA30谐波电流的检测方法ppppcba0cbaqqq由以上两式可以得到：由此可见，传统理论中功率的定义是在平均值基础或相量的意义上定义的，只适用于电压、电流均为正弦波的情况。而瞬时无功功率理论中的概念，都是在瞬时值的基础上定义的，不仅适用于正弦波也适用于非正弦波和任何过渡过程的情况。31谐波电流的检测方法)3/2sin()3/2sin()sin(tIitIitIimcmbma)3/2sin()3/2sin(sintEetEetEemcmbmasin23cos23mmmmIEqIEp下面分析三相电压电流均为基波正序分量的情况：经过αβ变换后，计算p,q的值为：其中2,2mmIIEEsin3cos3EIqEIp得到32谐波电流的检测方法可见在三相电压和电流均为基波正序分量时，p，q均为常数（直流分量），其值与按传统理论算出的有功功率和无功功率完全一样。若电压无畸变（仅含有基波正序分量），电流不仅存在负序分量，还存在谐波分量，可以证明，通过以上方法计算的瞬时功率不是直流量，而是具有直流偏置的变换量，通过傅立叶分析，其中的直流分量为基波正序电流与电压作用产生，而交流分量是负序分量和谐波分量与电压作用产生。因此，可以通过瞬时无功功率理论较快将基波正序分量分离。33以瞬时无功功率理论为基础，三相电路谐波和无功电流的检测主要有两种方法：p、q运算方式和运算方式谐波电流的检测方法qpii,p、q运算方式：TCC3223aebecee