有源電力濾波器的設計原理及內部結構

• 安科瑞王璐月 acrel66







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狀及發展前景等等。

關鍵詞:有源電力濾波器;諧波;工作原理;應用及前景
有源電力濾波器是一種用于動態治理諧波、補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行補償,可以克服無源濾波器等傳統的諧波治理和無功補償方法的缺點。
有源電力濾波器的分類情況如圖1所示,根據不同的接入方式,可分為三類。
 
 
以下主要以并聯型有源電力濾波器為介紹對象。
 
1 并聯型有源電力濾波器
并聯型有源電力濾波器系統構成如圖2所示,es表示交流電源,負載為諧波源,它產生諧波并消耗無功。如圖2所示,有源電力濾波器的系統由兩部分組成,即指令電流運算電路和補償電流發生電路(電流跟蹤控制電路、驅動電路和主電路三部分)。基本工作原理:檢測補償對象中含有諧波的電流,經指令電流運算電路得出補償電流的指令信號,該指令信號經過跟蹤控制電路,控制電路得出補償電流,補償電流與負載電流中要補償的諧波電流相互抵消,得到不含諧波的電流。
 
 
當負載產生諧波時,有源電力濾波器檢測出負載電流中的諧波分量,將其反性后作為指令信號,由補償電流發生電路產生的補償電流,即與負載電流中諧波分量大小相等、方向相反,在連接點相互抵消,達到補償諧波的目的,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中發揮著重要的作用,它決定了系統的快速性和準確性。為了得到較好的實時性,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。
 
 
這種方法將補償電流指令信號ic*和實際補償電流信號ic之間的差Δic經放大器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,控制電路的設計目標將Δic控制為較小。三角波比較方式的特點是電流響應比較慢,跟隨誤差大,硬件復雜,器件開關頻率固定,輸出電壓中所含的諧波少。
2.2 滯環比較跟蹤控制
滯環電流控制具有簡單靈活,性能與系統參數無關, 動態響應速度快,魯棒性好,精度較高等優點,因此在跟蹤諧波電流或電壓的控制方面應用較多。
以單相電流跟蹤控制為例,圖4為采用滯環比較器的瞬時比較方式的原理圖。
 
 
把補償電流的指令信號ic*和實際補償電流信號ic 進行比較,得到兩者的差值Δic,將其差值Δic作為滯環比較器的輸入,通過滯環比較器產生控制主電路中開關通斷的PWM控制信號,該信號經驅動電路來控制開關的通斷, 從而達到控制實際補償電流i 跟蹤指令電流i *變化的目的。
這種控制電路的特點是不需要載波,硬件電路簡單, 電流響應快,若滯環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寬度H對補償電流的跟蹤性能有較大的影響:當H較大時,其跟蹤誤差大,跟蹤能力差, 對主電路中電力半導體器件的開關頻率要求較低;反之, 當H較小時其電流跟蹤誤差小,但同時對主電路中電力半導體器件的開關頻率要求就比較高。
 
3 有源電力濾波器的現狀及發展前景
3.1 國外的研究現狀
目前,有源電力濾波器在國外的研究以日本為代表,已經進入實用化階段,已有很多應用實例。隨著容量的逐步提高,其應用范圍也從補償用電戶自身的諧波向改善整個電力系統電能質量的方向發展。
有源電力濾波器在日美等工業發達國家已經得到了高度的重視和廣泛的應用。一些裝置已經相當成熟,其產品開始進入大量實用化階段。如日本的有源電力濾波器使用很普遍,并聯型有源電力濾波器容量達50 MVA,采用的是GTO、SCR器件,用于治理電弧引起的閃變。
3.2 國內研究現狀
國內對于補償諧波的有源電力濾波器的研究十分活躍,技術也相當成熟,但仍處于試驗階段,且成本較高。并聯型有源電力濾波器的研究較為成熟,主要以理論和實驗研究為主。雖然我們在理論上已經**了一定的成就, 但多數只是實驗樣機,存在容量小、可靠性差、補償效果不理想、造**等缺點。
3.3發展前景
隨著快速、大功率電力電子開關器件的研制成功,基于瞬時無功理論的瞬時空間矢量法的提出,以及微機控制技術和數字信號處理技術的不斷發展,有源電力濾波技術也得到了快速發展。
目前有源電力濾波器在日美工業發達國家已經得到了高度的重視和廣泛的應用,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和控制技術的不斷發展,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在含諧波負載的低壓配電系統中,能夠對動態變化的諧波電流進行快速實時的跟蹤和補償。其原理為:ANAPF系列有源電力濾波器通過CT采集系統諧波電流,經控制器快速計算并提取各次諧波電流的含量,產生諧波電流指令,通過功率執行器件產生與諧波電流幅值相等方向相反的補償電流,并注入電力系統中,從而抵消非線性負載所產生的諧波電流。
 
圖4-1  ANAPF有源電力濾波器原理圖
 
4.2 產品特點
● DSP+FPGA全數字控制方式,具有較快的響應時間,主電路拓撲和控制算法,精度較高、運行較穩定;
● 一機多能,既可補諧波,又可兼補無功,可對2～31次諧波進行全補償或*特定次諧波進行補償;
● 具有完善的橋臂過流保護、直流過壓保護、裝置過溫保護功能;
● 模塊化設計,體積小,安裝便利,方便擴容;
● 采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實現參數設置和控制,使用方便,易于操作和維護;
● 輸出端加裝濾波裝置,降低高頻紋波對電力系統的影響;
● 多機并聯,達到較高的電流輸出等級;
● 擁有自主技術。
4.3選型示例
上海某工廠辦公大樓變壓器容量為250KVA,變壓器負載率為0.8,主要負載為節能燈、變頻空調和電梯等,屬于辦公樓宇。
變壓器容量為250KVA;
變壓器負載率為0.8;
負載類型屬于辦公樓宇,根據表1估算THDi為30%;
查表4可得估算諧波電流值為83A;
如果根據公式(2)計算,結果是一樣的;
 
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
電能質量監測與治理系統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置無功補償,同時在配電**設置有源電力濾波器,采用集中治理的方式治理諧波。
集中治理適用于單臺設備諧波含量小,但數量龐大、布局分散的場合,比如辦公大樓(個人電腦、節能燈、變頻空調、電梯等),雖然單臺設備的電流小,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置無功補償,同時在局部諧波源**設置有源電力濾波器,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,比如醫院的儀器、UPS電源等,雖然單臺設備的電流小,諧波含量低,但為防止其他設備產生的諧波對其干擾,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置無功補償,同時在主要諧波源的**設置有源電力濾波器,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備諧波含量較大的配電系統,比如大型商業區的景觀照明、影劇院的可控硅調光設備、工業區的變頻器調速設備等,單臺設備電流大、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 結束語
與傳統諧波治理技術相比,有源電力濾波器作為凈化電網污染,改善供電質量的一種裝置,具有明顯的優勢。大功率電力電子技術和控制技術的不斷發展,APF的成本逐漸降低,在我國必將有廣闊的應用前景,與此同時,此裝置在農村電網治理上也必然得到廣泛應用。