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 第第 1 1 页页 共共 1717 页页 目录 一．APF 的系统构成 4 二．APF 特性 6 三.APF 的组成和功能 8 四． 技术参数及规格型号 10 五．经典案例13 六、谐波无功节能14 七、谐波无功治理设备的选择17 第第 2 2 页页 共共 1717 页页 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 第第 3 3 页页 共共 1717 页页 一．一．APFAPF 的系统构成的系统构成 下图为 APF 的系统框图。图中，e 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 e a 、e b 、e c 为交流电源，谐波电流源 为非线性负载，L sa 、L sb 、L sc 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。 第第 4 4 页页 共共 1717 页页 APF 系统原理图 第第 5 5 页页 共共 1717 页页 二．二．APFAPF 特性特性 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： 第第 6 6 页页 共共 1717 页页 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 第第 7 7 页页 共共 1717 页页 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 第第 8 8 页页 共共 1717 页页 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