有源电力滤波器的基本原理.docx
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有源电力滤波器的基本原理
有源电力滤波器基本原理及设备
有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点。
有源电力滤波器的基本原理如下图所示：
检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。
有源电力滤波器基本原理
一．APF的系统构成
下图为APF的系统框图。
图中，eS表示交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。
有源电力滤波器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。
其中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，它由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成。
主电路目前均采用PWM变流器。
APF系统框图
下图为APF的系统原理图。
图中ea、eb、ec为交流电源，谐波电流源为非线性负载，Lsa、Lsb、Lsc分别代表三相的电网阻抗。
而有源电力滤波器主要由以下几部分组成，指令运算电路，电流跟踪控制电路，驱动电路以及主电路。
其中指令运算电路的主要任务是按照要求检测出负载电流中的谐波、无功以及负序分量。
电流跟踪控制电路，驱动电路以及主电路和在一起可以称为补偿电流发生电路，它的主要作用是根据指令运算电路得出的补偿指令，产生实际的补偿电流。
主电路主要由IGBT构成的电压型PWM变流器，以及与其相连的电感和直流侧电容组成。
APF系统原理图
二．APF特性
有源电力滤波器不仅可滤除谐波电流，还可补偿系统无功、三相不平衡的治理等。
a）滤除谐波
有源电力滤波器补偿负载谐波电流成分的等效电路图如下图所示。
图中下标f和h分别表示基波成分与谐波成分。
补偿谐波电流时的等效原理图
从图中可以得到，电网侧的谐波电流可以写为：
若电源电压没有畸变，即esh=0，只要控制有源电力滤波器的输出电流ich，使其满足ich=iLh，即可使电网侧的谐波电流ish=0。
控制有源电力滤波器的输出电流为负载电流中指定次谐波分量，即ich=iLhn（n为谐波次数），此时可使电网侧的指定次谐波电流ishn=0（n为谐波次数）。
b）补偿无功
有源电力滤波器补偿负载无功电流时的等效电路图如下图所示。
图中下标p和q分别表示有功分量与无功分量
补偿无功时的等效原理图
从图中可以得到，电网侧的无功电流可以表示为：
只要控制有源电力滤波器的输出电流使其满足icq=iLq，即可使电网侧的无功电流isq=0。
有源电力滤波器工作时控制板输出的补偿指令和变流器的输出电流波形，可以看出变流器的输出电流很好的跟踪了补偿指令。
跟踪指令
三.APF的组成和功能
a）APF的组成和功能
APF电路结构包括主电路、继电回路、驱动电路、电流跟踪电路和指令运算电路。
b）主电路
APF主电路图
主电路图
主电路由断路器、PWM变流器、电解电容、滤波电容和进线电感、防雷器组成：
主电路采用三相全桥电压型PWM变流器：
两组完全相同的PWM变流器公用一组直流滤波电容母线，通过进线电抗器直接并联在一起。
变流器控制采用二重化方式，两个变流器的输出电流跟踪同一个补偿指令信号，每个变流器使用自身不同的三角载波调制PWM驱动信号，这两个载波信号在相位上相差180度（即载波移相控制），这样一方面通过双变流器实现了整个滤波器输出功率的提高，同时，提高了系统等效开关频率，进而提高了滤波器补偿效果，而在同样补偿效果情况下，功率器件IGBT的开关频率可以大为降低。
同理，该方法可推广到多重化应用，根据功率等级需要可采用三重化、四重化……电路结构
电解电容用来储存直流侧能量；
滤波电容的作用的滤出直流侧的毛刺；
进线电感的作用在于PWM变流器的输出电压和电网电压的差值作用其上产生补偿电流。
c）继电回路
APF继电回路包括继电控制、电源系统和同步信号三部分
电源系统主要是给控制系统供电，它由进线变压器、交流滤波器、开关电源、电源板和防雷元件组成。
滤波器主要是滤除进线电压的高频干扰，使得开关电源更好的工作，并且能够改善电源部分的EMI；
开关电源和电源板用来提供控制系统所需要的直流电压,防雷元件用来防止雷击，增加了装置的安全性。
继电控制回路由控制系统主接交流触器、控制开关、控制继电器、显示灯、继电板组成,继电板的主要作用是控制开关与控制系统的联系，它用来传递启动、故障等信号。
同步信号由一个同步变压器提供。
d）驱动电路
驱动电路由电源部分、驱动部分、保护部分组成：
电源用来提供驱动模块正常工作时电源
驱动部分包括驱动模块和相关的外围电路
保护部分主要是检测PWM变流器的电流和温度信号，必要时停止PWM变流器
e）控制系统
APF控制系统指令运算电路和电流跟踪电路组成：
f）电流跟踪电路
电流跟踪电路包括信号调理电路、三角波发生器、PWM信号生成电路、直流侧过压保护电路
g）指令运算电路
指令运算电路主要作用是对采样数据进行计算和分析，得出指令信号。
它采用了双DSP结构，一片采用TMS320C32（32位浮点型），用于浮点计算和数据处理；另一片采用TMS320F240，用于数据采集和大量的逻辑操作和控制。
两者通过一片16k×16bit的双口RAM进行数交换。
C32运算能力强，但片内资源和I/O接口较少，逻辑处理能力弱，而F240正好相反，片内资源丰富，成本低，I/O使用方便，但其16位的定点内核对精度和速度有一定限制，因此两者的结合可充分发挥这两种芯片的优点。
它包括A/D、CPLD、F240、C32、EPROM、双口RAM等
A/D：
将模拟信号（同步电压信号、电流信号）转化为数字信号；F240：
数据采集；进线电压同步；重要数据的存储；
C32：
负载电流谐波分析；补偿电流指令的计算；与监控系统的串行通讯
CPLD：
C32，F240的地址译码；F240与外配A/D接口所需的等待状态发生器；缺相，相序检测电路；双端口RAM的SEM逻辑电路
双口RAM：
用于存放准备与F240交换的数据
EPROM：
程序存储
四．技术参数及规格型号
1.执行标准:
GB/T14549-93《电能质量：
公用电网谐波》
GB/T15576-1995《低压无功功率静态补偿装置总技术条件》
GB7625.1-1998《低压电气电子产品发出的谐波电流限值》
2.正常使用的环境条件
a）环境空气:
APF是户内型设备。
所以室内应具有供应冷却媒质的设施。
而如果冷却媒质就是室内的空气，则应具备把热量从室内传至室外的设施，以形成大环境空气循环。
这样就可以把室内的空气作为设备和户外空气的中间热交换器。
如果将APF装于柜内或箱内，由于存在箱壁的热反射，则必须在箱内加大和外界的空气交换，增强箱内的散热性能。
b）环境温度:
设备运行时的冷却空气的极限温度为：
日平均温度不超过30℃,年平均温度不超过25℃。
c）空气相对湿度:
最低15%；最高不大于90%（20℃以下时）。
d）海拔高度:
设备安装运行的海拔高度不超过2000m。
安装地点无剧烈振动及颠簸，安装倾斜度不大于5%。
5.设备的电气保护
a）过压保护
直流母线电压超过780V值时，产品应立即自动关闭有源滤波器输出，同时有相应的告警。
b）变流器过流
有源滤波器变流器输出电流超过IGBT额定电流时，将由驱动模块报出故障，同时由继电保护板切断主回路，滤波器关闭输出。
c）变流器过热
有源滤波器内部功率半导体部分温度超过85±2ºC时，系统发出告警，当温度恢复到安全温度时告警自动解除，有源滤波器可以投入工作。
d）滤波器输出超限
当谐波负载容量超出有源滤波器补偿能力时，有源滤波器按最大能力输出（即限流输出）。
e）滤波器防雷保护
滤波器在柜内装有防雷元件，可以有效防止雷击对滤波器造成的损坏：
防雷元件最大耐压值为1500V,失效指示为绿色时防雷元件正常工作，红色时防雷元件失效,需要更换。
接线
滤波器接线必须在断电的情况下进行！
3.主回路接线
由于滤波器进线为上进线，总开关上方端子从左至右分别为A、B、C三相，用电缆线将它们有电网A、B、C三相分别对应相连即可。
表1有源电力滤波器（APF）及静态无功发生器（SVG）技术参数
容量（KVA）
30
50
100
大容量的可以订制
供电电源电压
380V+10%～-15%
加变压器可运行其它电压等级
供电电源频率
50Hz±5%
供电电源相数
三相三线或三相四线
电流互感器（CT）
□/5A
根据负载电流选择
谐波补偿次数
2～25次，
动态补偿响应时间
≤100ms
补偿能力
在设备容量之内，补偿效率≥75%在满足GB/T14549-93的基础上，谐波补偿率，当超出设备补偿容量时以设备最大输出能力补偿
保护
交流过压、欠压，直流过压，IGBT过流，装置过热
冷却
风冷
可以根据情况选择水冷
操作显示
模拟、LED、LCD显示，具有数字、菜单和图形显示功能，方便系统操作、监测、维护
运行环境问题
-25℃～+55℃
相对湿度
＜90%（25℃）
防护等级
IP20
结构
立柜式，下出线
小功率可以设计成壁挂式
尺寸（mm）
（WxHxD）
610x1200x400
810x2200x600
810x2200x600
重量（kg）
65
150
300
表2电能质量控制器（AVQR）
容量（KVA）
50
100
200
400
供电电源电压
三相四线，220V/380V+25%～-30%
供电电源频率
50Hz±10%
电压畸变
＜30%
电压尖峰
幅值600V,底宽为0.2ms的脉冲列
电源输出
电压
三相四线，220V/380V±5%
频率
与输入频率相同
电压谐波
电压畸变率＜5%
电压尖峰
＜10V
电源效率
≥90%
操作指示
盘式指针以表显示：
三相输出电压、输出电流、仪表精度2.5级
信号灯显示
输入电源、运行、旁路、电源故障
操作
输入总断路器、运行/旁路转换开关、电压显示转换开关
保护
变流器过流、过热、电源过载、过压
尺寸（mm）
（WxHxD）
600x1800x600
800x2000x600
800x2200x800
1200x2200x800
五．经典案例
案例1钢管厂无功、谐波治理方案
钢管厂主要是对半成品钢管进行成品加工处理，包括车丝、中频加热炉、接箍、磁粉探伤等工艺。
配电情况中频加热炉由1250KVA变压器单独供电，其余由2000KVA变压器供电，具体参数及用电情况如下：
A．电力变压器为S9系列。
容量分别为：
1250KVA；2000KVA。
一次电压均为10KV；二次电压均为0.4KV。
B．接线方式均为Y/Y0。
C．1250KVA变压器负荷为两台600KW中频加热电源，主接线采用晶闸管三相桥式整流；快速晶闸管单相桥逆变；储能元件为电抗器；输出频率为2.5KHZ。
D．2000KVA变压器负荷为交直流传动电机，其中直流电机六台，132KW四台，75KW两台，总容量为678KW；交直交变频器28台，总容量约为350KW；其余为普通交流机。
E．中频电源为间歇式工作方式，频次约为30秒，有两台同时工作的情况。
F．2000KVA变压器的负荷有同时工作的情况。
2、存在问题主要有以下几点
A、大量变频器的使用后，电流谐波的污染比较严重，造成设备误动作、以及一些设备自动跳闸、一些电器元件烧坏等故障。
B、大功率交流电机和众多交流电机的使用，供电电网的功率因数过低；
C、冲击性负载给供电电网造成的电压波动甚至闪变等；
六、谐波无功节能
6.1症状分析
在工业和生活用电负荷中，电感性负荷占有很大的比例。
感应电动机、变压器、日光灯等都是典型的电感性负荷。
感应电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。
电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率。
电感性负荷必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。
电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置。
如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器，在工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率。
6.2无功功率的影响
无功功率对公用电网的影响主要有以下几个方面：
（1）增加设备容量。
无功功率的增加会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。
同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。
（2）设备及线路损耗增加。
无功功率的增加使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加。
（3）使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负荷，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。
6.3无功补偿和企业利益
（1）降低线损和变损
对企业而言，线损主要在低压线路。
安装无功补偿装置后功率因数提高，线路电流会下降，这样线路损耗降低，变压器的有功损耗也会降低。
对于高压计量的用户，在低压侧安装无功补偿装置，可降低安装点与计量点间的线损。
（2）提高设备使用效率
举例：
变压器容量为250KVA，平时总电流为280A，功率因数为0.7，现在要增加75KW的电动机。
如果不采取措施的话，变压器的容量不够用，需更换变压器。
后来根据实际情况，采取如下解决方案：
在该变压器二次侧对现有设备进行集中补偿，补偿后功率因数提高，变压器出力增加。
总电流为280A时变压器所带的负载为：
加上75KW电动机总负载为211KW。
进行无功补偿只要把功率因数提高到0.844便可达到增容的目的，考虑到其他的原因，功率因数提高到了0.95.这样无需更换变压器便可增加75KW的电动机.
（3）提高电压
在一定的电压下向负载输送一定的有功功率时，负载的功率因数越低，通过输电线路的电流越大，导线阻抗的电压降落越大，这样负载的端电压就低，使设备得不到充分的利用。
谐波治理装置
6.4症状分析
目前由于电力电子装置的大量生产与广泛应用，电力电子装置作为一个谐波源给电力电网带来的公害是无法估量的，我们应引起高度重视。
理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。
谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。
近年来，各种电力电子装置的迅速普及使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。
6.5谐波治理方法
电力系统中对谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流，以便把谐波电压控制在限定值之内，为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条。
一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。
另一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的，这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。
6.5谐波治理的利益
（1）提高设备使用效率
因为谐波会使一些元件增加损耗，当谐波含量大，它会使线路电容器、电缆等设备过热绝缘老化速度加快，造成使用寿命缩短。
加装谐波补偿装置可以很好地解决此问题。
为公司节约了成本，同时创造了利益。
（2）使其它设备能正常工作，减少干扰、设备误动作。
在当今电子集成化时代，电磁干扰给我带来很多麻烦，甚至会造成更大的经济损失，例如谐波会使邻近轻者引进噪声，降低通信质量；重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。
所以解决谐波干扰是具有非常重要的意义。
（3）减少系统与用电设备谐振
由于系统设备的阻抗特性，谐波会在局部造成串并联谐振，使谐波放大，严重时可产重大的火灾事故。
安装谐波治理装置后可以避免此类事情的发生。
七、谐波无功治理设备的选择
1、谐波治理设备的选择
以下提供了一套谐波治理设备的选择方法，主要的选择方法是根据现场的谐波电流来选择合理的治理设备容量，谐波电流简单的计算为总电流乘以总的谐波畸变率。
具体的方法如下表：
2、无功治理设备的选择
关于无功治理解决方案前面已有详细的说明，在此就不再叙述了，只针对治理设备如何选择为客户提供一个参考。
主要的选择方法是根据现场的无功功率来选择的，具体的选择方法如下：
注：
我公司的有源电力滤波器既可以补偿谐波又可以补偿无功。
所以现场即要补偿谐波又要补偿无功时，请参考以上两种方法综合考虑。
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