有源电力滤波器的设计原理及内部结构

时间：2022-10-10作者：安科瑞电气股份有限公司浏览：251

摘要：该文介绍了有源电力滤波器的工作原理和基本控制方法，并阐述有源电力滤波器的现状及发展前景等等。

关键词：有源电力滤波器；谐波；工作原理；应用及前景
有源电力滤波器是一种用于动态治理谐波、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，可以克服无源滤波器等传统的谐波治理和无功补偿方法的缺点。
有源电力滤波器的分类情况如图1所示，根据不同的接入方式，可分为三类。
 
 
以下主要以并联型有源电力滤波器为介绍对象。
 
1 并联型有源电力滤波器
并联型有源电力滤波器系统构成如图2所示，es表示交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。如图2所示，有源电力滤波器的系统由两部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路（电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分）。基本工作原理：检测补偿对象中含有谐波的电流，经指令电流运算电路得出补偿电流的指令信号，该指令信号经过跟踪控制电路，控制电路得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波电流相互抵消，得到不含谐波的电流。
 
 
当负载产生谐波时，有源电力滤波器检测出负载电流中的谐波分量，将其反性后作为指令信号，由补偿电流发生电路产生的补偿电流，即与负载电流中谐波分量大小相等、方向相反，在连接点相互抵消，达到补偿谐波的目的，使得电源电流中只含有基波，不含谐波。
 
2 电流跟踪控制方法
电流跟踪控制方法在有源电力滤波系统中发挥着重要的作用，它决定了系统的快速性和准确性。为了得到较好的实时性，一般采用跟踪型PWM控制方式，目前常用的电流跟踪控制方法有：三角波比较方式和滞环比较跟踪控制。
2.1 三角波比较控制
三角波比较方法是较简单的一种电流控制方法，其原理如图3所示。
 
 
这种方法将补偿电流指令信号ic*和实际补偿电流信号ic之间的差Δic经放大器A放大之后再与三角波比较，放大器A一般采用比例放大器或者比例积分放大器，控制电路的设计目标将Δic控制为较小。三角波比较方式的特点是电流响应比较慢，跟随误差大，硬件复杂，器件开关频率固定，输出电压中所含的谐波少。
2.2 滞环比较跟踪控制
滞环电流控制具有简单灵活，性能与系统参数无关， 动态响应速度快，鲁棒性好，精度较高等优点，因此在跟踪谐波电流或电压的控制方面应用较多。
以单相电流跟踪控制为例，图4为采用滞环比较器的瞬时比较方式的原理图。
 
 
把补偿电流的指令信号ic*和实际补偿电流信号ic 进行比较，得到两者的差值Δic，将其差值Δic作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的PWM控制信号，该信号经驱动电路来控制开关的通断， 从而达到控制实际补偿电流i 跟踪指令电流i *变化的目的。
这种控制电路的特点是不需要载波，硬件电路简单， 电流响应快，若滞环宽度固定则其电流跟踪误差范围固定。但这种方式中的滞环宽度H对补偿电流的跟踪性能有较大的影响：当H较大时，其跟踪误差大，跟踪能力差， 对主电路中电力半导体器件的开关频率要求较低；反之， 当H较小时其电流跟踪误差小，但同时对主电路中电力半导体器件的开关频率要求就比较高。
 
3 有源电力滤波器的现状及发展前景
3.1 国外的研究现状
目前，有源电力滤波器在国外的研究以日本为代表，已经进入实用化阶段，已有很多应用实例。随着容量的逐步提高，其应用范围也从补偿用电户自身的谐波向改善整个电力系统电能质量的方向发展。
有源电力滤波器在日美等工业发达国家已经得到了高度的重视和广泛的应用。一些装置已经相当成熟，其产品开始进入大量实用化阶段。如日本的有源电力滤波器使用很普遍，并联型有源电力滤波器容量达50 MVA，采用的是GTO、SCR器件，用于治理电弧引起的闪变。
3.2 国内研究现状
国内对于补偿谐波的有源电力滤波器的研究十分活跃，技术也相当成熟，但仍处于试验阶段，且成本较高。并联型有源电力滤波器的研究较为成熟，主要以理论和实验研究为主。虽然我们在理论上已经取得了一定的成就， 但多数只是实验样机，存在容量小、可靠性差、补偿效果不理想、造**等缺点。
3.3发展前景
随着快速、大功率电力电子开关器件的研制成功，基于瞬时无功理论的瞬时空间矢量法的提出，以及微机控制技术和数字信号处理技术的不断发展，有源电力滤波技术也得到了快速发展。
目前有源电力滤波器在日美工业发达国家已经得到了高度的重视和广泛的应用，我国还处在研究试用阶段，而且成本相对较高。但随着大功率电力电子技术和控制技术的不断发展，APF的成本不断降低，加上其滤波效果良好，在我国必将有广阔的应用前景。


4 安科瑞有源电力滤波器介绍
4.1 工作原理
ANAPF系列有源电力滤波器并联在含谐波负载的低压配电系统中，能够对动态变化的谐波电流进行快速实时的跟踪和补偿。其原理为：ANAPF系列有源电力滤波器通过CT采集系统谐波电流，经控制器快速计算并提取各次谐波电流的含量，产生谐波电流指令，通过功率执行器件产生与谐波电流幅值相等方向相反的补偿电流，并注入电力系统中，从而抵消非线性负载所产生的谐波电流。
 
图4-1  ANAPF有源电力滤波器原理图
 
4.2 产品特点
● DSP+FPGA全数字控制方式，具有较快的响应时间，主电路拓扑和控制算法，精度更高、运行更稳定；
● 一机多能，既可补谐波，又可兼补无功，可对2～31次谐波进行全补偿或*特定次谐波进行补偿；
● 具有完善的桥臂过流保护、直流过压保护、装置过温保护功能；
● 模块化设计，体积小，安装便利，方便扩容；
● 采用7英寸大屏幕彩色触摸屏以实现参数设置和控制，使用方便，易于操作和维护；
● 输出端加装滤波装置，降低高频纹波对电力系统的影响；
● 多机并联，达到较高的电流输出等级；
● 拥有自主技术。
4.3选型示例
上海某工厂办公大楼变压器容量为250KVA，变压器负载率为0.8，主要负载为节能灯、变频空调和电梯等，属于办公楼宇。
变压器容量为250KVA；
变压器负载率为0.8；
负载类型属于办公楼宇，根据表1估算THDi为30%；
查表4可得估算谐波电流值为83A；
如果根据公式（2）计算，结果是一样的；
 
考虑到一定的裕量，选择100A的ANAPF有源电力滤波器。
4.4治理方式分类与说明
电能质量监测与治理系统针对不同的场合可选择不同的治理方案，一般有集中治理、局部治理和就地治理三种技术方案。
（一）集中治理
 
集中治理上图示例
 
本案例是在变电所低压电容柜中设置无功补偿，同时在配电前端设置有源电力滤波器，采用集中治理的方式治理谐波。
集中治理适用于单台设备谐波含量小，但数量庞大、布局分散的场合，比如办公大楼(个人电脑、节能灯、变频空调、电梯等)，虽然单台设备的电流小，谐波含量低，但整栋大楼的总电流大，总谐波电流也大。
（二）局部治理
 
局部治理上图示例
 
本案例是在变电所低压电容柜中设置无功补偿，同时在局部谐波源前端设置有源电力滤波器，采用局部治理的方式治理谐波。
局部治理适用于谐波源集中在某一条或几条馈出支路的配电系统，比如医院的仪器、UPS电源等，虽然单台设备的电流小，谐波含量低，但为防止其他设备产生的谐波对其干扰，采用局部谐波治理。
（三）就地治理
 
就地治理上图示例
 
本案例是在变电所低压电容柜中设置无功补偿，同时在主要谐波源的前端设置有源电力滤波器，采用就地治理方式的治理谐波。
就地治理适用于谐波源比较明确且单台设备谐波含量较大的配电系统，比如大型商业区的景观照明、影剧院的可控硅调光设备、工业区的变频器调速设备等，单台设备电流大、谐波含量高、谐波电流大，为防止谐波电流影响其他用电设备，采用就地治理。
4.5安科瑞有源电力滤波器选型
立柜式
 
 
5 结束语
与传统谐波治理技术相比，有源电力滤波器作为净化电网污染，改善供电质量的一种装置，具有明显的优势。大功率电力电子技术和控制技术的不断发展，APF的成本逐渐降低，在我国必将有广阔的应用前景，与此同时，此装置在农村电网治理上也必然得到广泛应用。
 

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