有源電力濾波器的設(shè)計(jì)原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

• 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(xiàn)狀及發(fā)展前景等等。

關(guān)鍵詞:有源電力濾波器;諧波;工作原理;應(yīng)用及前景
有源電力濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)治理諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置,它能對(duì)大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償,可以克服無源濾波器等傳統(tǒng)的諧波治理和無功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)。
有源電力濾波器的分類情況如圖1所示,根據(jù)不同的接入方式,可分為三類。
 
 
以下主要以并聯(lián)型有源電力濾波器為介紹對(duì)象。
 
1 并聯(lián)型有源電力濾波器
并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示,es表示交流電源,負(fù)載為諧波源,它產(chǎn)生諧波并消耗無功。如圖2所示,有源電力濾波器的系統(tǒng)由兩部分組成,即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路(電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路三部分)。基本工作原理:檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象中含有諧波的電流,經(jīng)指令電流運(yùn)算電路得出補(bǔ)償電流的指令信號(hào),該指令信號(hào)經(jīng)過跟蹤控制電路,控制電路得出補(bǔ)償電流,補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波電流相互抵消,得到不含諧波的電流。
 
 
當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生諧波時(shí),有源電力濾波器檢測(cè)出負(fù)載電流中的諧波分量,將其反性后作為指令信號(hào),由補(bǔ)償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流,即與負(fù)載電流中諧波分量大小相等、方向相反,在連接點(diǎn)相互抵消,達(dá)到補(bǔ)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(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用,它決定了系統(tǒng)的快速性和準(zhǔn)確性。為了得到較好的實(shí)時(shí)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(huán)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(jiǎn)單的一種電流控制方法,其原理如圖3所示。
 
 
這種方法將補(bǔ)償電流指令信號(hào)ic*和實(shí)際補(bǔ)償電流信號(hào)ic之間的差Δic經(jīng)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(shè)計(jì)目標(biāo)將Δic控制為較小。三角波比較方式的特點(diǎn)是電流響應(yīng)比較慢,跟隨誤差大,硬件復(fù)雜,器件開關(guān)頻率固定,輸出電壓中所含的諧波少。
2.2 滯環(huán)比較跟蹤控制
滯環(huán)電流控制具有簡(jiǎn)單靈活,性能與系統(tǒng)參數(shù)無關(guān), 動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快,魯棒性好,精度較高等優(yōu)點(diǎn),因此在跟蹤諧波電流或電壓的控制方面應(yīng)用較多。
以單相電流跟蹤控制為例,圖4為采用滯環(huán)比較器的瞬時(shí)比較方式的原理圖。
 
 
把補(bǔ)償電流的指令信號(hào)ic*和實(shí)際補(bǔ)償電流信號(hào)ic 進(jìn)行比較,得到兩者的差值Δic,將其差值Δic作為滯環(huán)比較器的輸入,通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路中開關(guān)通斷的PWM控制信號(hào),該信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路來控制開關(guān)的通斷, 從而達(dá)到控制實(shí)際補(bǔ)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(diǎn)是不需要載波,硬件電路簡(jiǎn)單, 電流響應(yīng)快,若滯環(huán)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(huán)寬度H對(duì)補(bǔ)償電流的跟蹤性能有較大的影響:當(dāng)H較大時(shí),其跟蹤誤差大,跟蹤能力差, 對(duì)主電路中電力半導(dǎo)體器件的開關(guān)頻率要求較低;反之, 當(dāng)H較小時(shí)其電流跟蹤誤差小,但同時(shí)對(duì)主電路中電力半導(dǎo)體器件的開關(guān)頻率要求就比較高。
 
3 有源電力濾波器的現(xiàn)狀及發(fā)展前景
3.1 國(guó)外的研究現(xiàn)狀
目前,有源電力濾波器在國(guó)外的研究以日本為代表,已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段,已有很多應(yīng)用實(shí)例。隨著容量的逐步提高,其應(yīng)用范圍也從補(bǔ)償用電戶自身的諧波向改善整個(gè)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的方向發(fā)展。
有源電力濾波器在日美等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)得到了高度的重視和廣泛的應(yīng)用。一些裝置已經(jīng)相當(dāng)成熟,其產(chǎn)品開始進(jìn)入大量實(shí)用化階段。如日本的有源電力濾波器使用很普遍,并聯(lián)型有源電力濾波器容量達(dá)50 MVA,采用的是GTO、SCR器件,用于治理電弧引起的閃變。
3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)對(duì)于補(bǔ)償諧波的有源電力濾波器的研究十分活躍,技術(shù)也相當(dāng)成熟,但仍處于試驗(yàn)階段,且成本較高。并聯(lián)型有源電力濾波器的研究較為成熟,主要以理論和實(shí)驗(yàn)研究為主。雖然我們?cè)诶碚撋弦呀?jīng)**了一定的成就, 但多數(shù)只是實(shí)驗(yàn)樣機(jī),存在容量小、可靠性差、補(bǔ)償效果不理想、造**等缺點(diǎn)。
3.3發(fā)展前景
隨著快速、大功率電力電子開關(guān)器件的研制成功,基于瞬時(shí)無功理論的瞬時(shí)空間矢量法的提出,以及微機(jī)控制技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展,有源電力濾波技術(shù)也得到了快速發(fā)展。
目前有源電力濾波器在日美工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)得到了高度的重視和廣泛的應(yīng)用,我國(guó)還處在研究試用階段,而且成本相對(duì)較高。但隨著大功率電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展,APF的成本不斷降低,加上其濾波效果良好,在我國(guó)必將有廣闊的應(yīng)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(lián)在含諧波負(fù)載的低壓配電系統(tǒng)中,能夠?qū)?dòng)態(tài)變化的諧波電流進(jìn)行快速實(shí)時(shí)的跟蹤和補(bǔ)償。其原理為:ANAPF系列有源電力濾波器通過CT采集系統(tǒng)諧波電流,經(jīng)控制器快速計(jì)算并提取各次諧波電流的含量,產(chǎn)生諧波電流指令,通過功率執(zhí)行器件產(chǎn)生與諧波電流幅值相等方向相反的補(bǔ)償電流,并注入電力系統(tǒng)中,從而抵消非線性負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流。
 
圖4-1  ANAPF有源電力濾波器原理圖
 
4.2 產(chǎn)品特點(diǎn)
● DSP+FPGA全數(shù)字控制方式,具有較快的響應(yīng)時(shí)間,主電路拓?fù)浜涂刂扑惴?精度較高、運(yùn)行較穩(wěn)定;
● 一機(jī)多能,既可補(bǔ)諧波,又可兼補(bǔ)無功,可對(duì)2～31次諧波進(jìn)行全補(bǔ)償或*特定次諧波進(jìn)行補(bǔ)償;
● 具有*的橋臂過流保護(hù)、直流過壓保護(hù)、裝置過溫保護(hù)功能;
● 模塊化設(shè)計(jì),體積小,安裝便利,方便擴(kuò)容;
● 采用7英寸大屏幕彩色觸摸屏以實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和控制,使用方便,易于操作和維護(hù);
● 輸出端加裝濾波裝置,降低高頻紋波對(duì)電力系統(tǒng)的影響;
● 多機(jī)并聯(lián),達(dá)到較高的電流輸出等級(jí);
● 擁有自主技術(shù)。
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(fù)載率為0.8,主要負(fù)載為節(jié)能燈、變頻空調(diào)和電梯等,屬于辦公樓宇。
變壓器容量為250KVA;
變壓器負(fù)載率為0.8;
負(fù)載類型屬于辦公樓宇,根據(jù)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(jù)公式(2)計(jì)算,結(jié)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(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理系統(tǒng)針對(duì)不同的場(chǎng)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(shù)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(shè)置無功補(bǔ)償,同時(shí)在配電**設(shè)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(tái)設(shè)備諧波含量小,但數(shù)量龐大、布局分散的場(chǎng)合,比如辦公大樓(個(gè)人電腦、節(jié)能燈、變頻空調(diào)、電梯等),雖然單臺(tái)設(shè)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(shè)置無功補(bǔ)償,同時(shí)在局部諧波源**設(shè)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(tǒng),比如醫(yī)院的儀器、UPS電源等,雖然單臺(tái)設(shè)備的電流小,諧波含量低,但為防止其他設(shè)備產(chǎn)生的諧波對(duì)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(shè)置無功補(bǔ)償,同時(shí)在主要諧波源的**設(shè)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(tái)設(shè)備諧波含量較大的配電系統(tǒng),比如大型商業(yè)區(qū)的景觀照明、影劇院的可控硅調(diào)光設(shè)備、工業(yè)區(qū)的變頻器調(diào)速設(shè)備等,單臺(tái)設(shè)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(shè)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(jié)束語(yǔ)
與傳統(tǒng)諧波治理技術(shù)相比,有源電力濾波器作為凈化電網(wǎng)污染,改善供電質(zhì)量的一種裝置,具有明顯的優(yōu)勢(shì)。大功率電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展,APF的成本逐漸降低,在我國(guó)必將有廣闊的應(yīng)用前景,與此同時(shí),此裝置在農(nóng)村電網(wǎng)治理上也必然得到廣泛應(yīng)用。