有源滤波报告.docx

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有源滤波报告

创新实践报告

报告题目：

有源电力滤波器试验

学院：

电气与电子工程学院

班级：

09自动化x

姓名：

xx

学号：

0910232116

目录

谐波危害

谐波抑制

电力有源滤波器（APF）

电力有源滤波器PWM控制方法

滤波检测

随着国内外电力电子技术的发展，大量由电力电子开关构成的、具有非线性特性的用电设备广泛应用于冶金、钢铁、交通、化工等工业领域，如电解装置、电气机车、轧制机械、高频炉等，故国内外电网中的谐波污染状况日益严重。

电网中的高次谐波会造成旋转电机和变压器过热，使电力电容器组工作不正常，甚至造成热击穿损坏；对电力系统中的发电机、调相机、继电保护自动装置和电能计量等也有很大危害，严重时会引发设备误动作，造成重大事故；谐波污染对通信、计算机系统、高精度加工机械，检测仪表等用电设备也有严重的干扰。

因此，必须采取有效的措施来消除电网中的高次谐波。

■ 谐波的危害

1.使旋转电机和变压器过热、振动和噪声，降低变压器额定容量，缩短电机使用寿命 

2.使电力电容器组工作不正常，甚至造成热击穿损坏 

3.使线路损失加大、电缆过热、绝缘老化，严重时会使电缆“放炮” 

4.影响电力系统中的发电机、调相机、继电保护和自动装置，严重时会引发设备误动作，造成重大事故使电能计量等产生误差 

5.严重干扰通信、计算机系统、高精度加工机械，检测仪表等用电设备的使用 

6.大大提高了电网谐振的可能 

7.损坏电网中敏感设备 

8.导致中线电流过大，造成中线发热甚至火灾

■ 主要谐波产生的场合

1.变频设备的应用场合 

    随着技术的进步，变频设备大量应用于各类场合，变频设备会产生大量的谐波，因此，这类场合是有源滤波器主要的目标市场之一。

2.不稳定负荷的应用场合 

    不稳定负荷不是有源滤波器的主要市场，但它是电力系统一个极其重要的方面，因为不稳定的负荷虽然所占比例不大，但是它们对电力系统产生的影响却远远大于其它负荷所造成的影响，因此对于该类应用场合也应作为有源滤波器的主要市场方向之一。

3.钢铁厂 

    钢铁厂的电弧炉、轧钢机等是主要的谐波发生设备，且主要是冲击性负荷，对钢铁厂附近的其它负荷有很大影响。

同时，谐波问题对钢铁厂无功补偿的影响很大，所以应以无功补偿和谐波治理同时处理作为目标。

4.有色冶金 

    有色冶金的负荷除电弧炉性质的负荷外，还由于采用直流湿法冶金而产生大量的直流成分。

5.港口机械 

    港机是大型的提升设备，一般都采用很大的变频器，因此是港口机械主要的谐波发生源，因此对于该类应用场合也应作为有源滤波器的市场方向之一。

6.电气化铁路 

    电气化铁路一般使用直流电机拖动，因此是一个市政方面的主要谐波源。

根据现有上海、北京等地电气化铁路的运行情况，大多数系统都安装了滤波器。

预计本产品可以达到电气铁路滤波器国产化的作用。

7.高精度自动化生产线 

    高精度自动化生产线本身不产生谐波，但是对于电能质量有很高的要求，因此需要在高精度自动化生产线的供电侧安装有源滤波器，以降低谐波对生产线的影响 

8.办公大楼、大型商业区等节能灯和空调集中场所  办公大楼、大型商业区等节能灯和空调集中场所的谐波情况也非常严重，治理方法宜采用集中治理方法，以节省成本。

一、谐波电流产生的原因：

对于阻性负载、感性负载或容性负载以及它们的线性组合而成的网络其电流可用式

（1）表示。

（1）

这类负载的电流波形仍为正弦波，其谐波电流应为零。

现在我们正广泛使用的一些具有整流电路的电子产品如彩色电视机、显示器、微机等产品的电流波形却与之不同。

这类用电器具的电压和电流之间的关系更为复杂，图

（一）所示是这类电路典型的电压电流波形图。

图

（一）：

整流电路的电压、电流波形

其电流仅在线电压达到峰值前后的一段时间内不为零，在其它时间则电流为零。

这种电流波形往往符合标准GB17625.1中的D类波形，由于其是周期与电源周期相同的电流脉冲，因而具有丰富的谐波分量。

电源电路会引起这种电流波形的必要因素有二个：

一是要有整流电路，二是整流后有大的滤波电容。

整流电路中的二极管起着开关作用，当电源电压大于滤波电容两端的电压时，二极管导通，供电电源对电容充电并提供负载电流，其余时间二极管截止，负载依靠电容的贮能供电，表现在供电电源一侧的电流为零。

如图

（二）所示为一个简单的能产生D类波形的电路。

峰值电流的大小与滤波电容和负载的大小有关。

实际上，图

（二）所示的整流方法使得用电器具仅在电源瞬时电压处于峰值附近，电源瞬时电压超过电容两端电压时才从电网汲取电流，这就形成了在电源电压峰值附近，与电压周期相同的高峰值充电电流脉冲。

这种电源电路在电网中引起了较高的电流谐波，并使得功率因数降低。

功率因素通常在0.5左右，这样视在功率比实际功率大得多。

图

（二）简单的能产生D类电流波形的电路

三、非正弦波形的功率消耗

对于电压和电流波形为正弦波，假如功率因素为cos（φ），则瞬时功率p（t）和平均功率p由下式计算得出：

对于非正弦电压、电流波形利用傅立叶变换可将瞬时电压和电流波形表达成各种谐波分量的和：

式中V（t）和I（t）为电压电流的瞬时值，

为电压和电流的有效值，

为电压和电流的相位。

所以实际功率可以表达为基波的实际功率

和谐波的实际功率

之和

。

这里

和

，

。

所以非正弦波信号的功率由基波信号的功率和各次谐波信号的功率和组成，由上述公式可以看出只有谐波的电压、电流均存在的情况下，谐波的功率才不为零。

在谐波测试系统中，由于测试功率源为纯净的电压源，在这种条件下用电能表测得的实际消耗功率仅是基波的功率。

湝波电流的大小可用均方根值来表示：

，基波的功率除以均方根电流与电压的乘积可得到非正弦电流情况下的功率因素PF。

所以由谐波电流引起的功率因数降低并不是由电压、电流相位差引起的而是由于电流波形的畸变引起的。

四、减小谐波电流的措施

目前常用的减小电流谐波的措施主要有两种：

一种是在电源电路中串联扼流电感器，电感器成本低，生产工艺简单，可靠性好，因而在电视机中得到广泛应用；另一种是利用功率因数校正电路来达到改善电流波形的目的，采用该电路的好处是功率因数基本上能达到1，但是其成本较高，生产、调试等工艺过程比前者复杂。

目前常用的谐波抑制电感器外形如同变压器，铁蕊呈“目”字形，一般由两个基本相同的绕组组成。

外层铁蕊组成封闭的磁路，有减小漏磁的作用。

谐波抑制电感器有三种应用方法，如图（三）所示为一种典型的应用电路。

图（三）谐波抑制电感器的典型应用电路

另外谐波抑制电感器还可以用在EMI滤波器前，此时应注意由于电路振荡容易引起高次谐波电流不合格，如高次谐波电流过大则可通过调节EMI滤波器的参数或附加吸收电路来消除振荡；第三种使用方法是将谐波抑制电感器串联在桥式整流电路与电容器中间。

第一种和第三种应用方法均不易产生高次谐波电流不合格现象，使用起来方便可靠，大量生产时产品性能的一致性好。

电力有源滤波器（APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，之所以称为有源，顾名思义该装置需要提供电源，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（传统的只能固定补偿），实现了动态跟踪补偿，而且可以只补谐波不补无功；三相电路瞬时无功功率理论是APF发展的主要基础理论；APF有并联型和串联型两种，前者用的多；该装置的主要缺点是复杂、成本高，限制了它的使用。

电力有源滤波器-基本原理

 电力有源滤波器系统主要由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路（由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分构成）。

指令电流运算电路的功能主要是从负载电流iL中分离出谐波电流分量iLh和基波无功电流iLg，然后将其反极性作用后发生补偿电流的指令信号ic=（iLh＋iLq）。

电流跟踪控制电路的功能是根据主电路产生的补偿电流ico应跟踪ic的原则，计算出主电路各开关器件的触发脉冲，此脉冲经驱动电路后作用于主电路，产生补偿电流ico，由于ic≈ico,所以

iS=iL＋ic=iL＋ico=iL－（iLh＋iLq）=iLp即电源电流iS中只含有基波的有功分量iLp，从而达到消除谐波与进行无功补偿的目的。

根据同样的原理，电力有源滤波器还能对不对称三相电路的负序电流分量进行补偿。

电力有源滤波器的主电路一般由PWM逆变器构成。

根据逆变器直流侧储能元件的不同，可分为电压型APF（储能元件为电容）和电流型APF（储能元件为电感）。

电压型APF在工作时需对直流侧电容电压控制，使直流侧电压维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电压波。

而电流型APF在工作时需对直流侧电感电流进行控制，使直流侧电流维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电流波。

电压型APF的优点是损耗较少，效率高，电流型APF由于电流侧电感上始终有电流流过，该电流在电感内阻上将产生较大损耗。

电力有源滤波器-分类

（1）按电路拓朴结构分类，电力有源滤波器可分为并联型、串联型、串－并联型和混合型。

（2）按电源类型分类，APF可分为单相APF、三相三线制APF、三相四线制APF及有源线路调节器（APLC）等。

三相四线制APF主要是为了补偿电源中线上的电流谐波、无功功率及三相之间的不平衡问题。

当功率额定值较小时，其主电路可直接采用三相逆变器，而将直流侧电容中点联接到电源中点上。

当负载功率较大时可用四桥臂的逆变器，将第四桥臂单独用于补偿中线；为了实现三相独立调节，还可使用更复杂的三个单相桥式逆变器进行分别补偿。

有源线路调节器是向电网中的某个（或几个）优选节点注入消谐波补偿电流，以达到在一定范围内电网的电能质量综合治理。

目前更高层次的电力有源滤波技术在国外尚处于研究阶段。

电力有源滤波器-控制

电力有源滤波器的控制主要是指令电流的运算和补偿电流的产生。

（1）指令电流的运算

指令电流iC的运算方法主要有以下几种：

①基于频域运算的方法：

其基本思想是用频域滤波的方法（使用带通滤波器），首先分离负载电流中的基波分量和谐波分量，然后再使用电路理论中的计算方法将基波电流分解为基波有功分量和基波无功分量。

②瞬时空间矢量法：

基于无功功率理论的瞬间矢量法是目前三相电力有源滤波器中应用最广的一种指令电流运算方法。

③基于现代控制理论的方法：

最早应用的有基于P－I控制器的方法，因P－I控制器的特性不能适应负载及电网的变化，后来又提出了基于滑模控制及模糊控制等现代控制方法。

它们都是直接根据逆变器直流侧的电压（电压型APF）或电流（电流型APF），求出所需的电网电流的基波有功分量幅值，从而求出所需补偿电流的指令值ic。

这种方法适用于单相和三相APF，也适用于电网电压畸变的情况。

④自适应检测法：

该方法基于自适应滤波中的自适应干扰抵消原理，从负载电流中消去基波有功分量，从而得到所需的补偿电流指令值。

该方法的突出优点是对电网电压畸变、频率偏移及电网参数变化有较好的自适应调整能力，

（2）补偿电流的产生

对于采用PWM电压源逆变器的电力有源滤波器，其补偿电流的产生方法目前主要有以下三种：

①三角载波线性控制：

它以指令电流ic与实际补偿电流ico之间的差值作为调整信号，与高频三角载波相比较，从而得到逆变器开关器件所需的控制信号。

其优点是动态响应好，开关频率固定，电路简单。

其缺点是开关损耗较大，且输出波形中含有载波频率及其谐波频率的高频畸变分量。

②滞环比较控制。

该方法将指令电流与实际补偿电流的差值输入到具有滞环特性的比较器中，然后用比较器的输出来控制逆变器的开关器件。

与三角载波控制方式相比，该方法开关损耗小，动态响应快。

该方法使开关频率变化较大，容易引起脉冲电流和开关噪声。

③无差拍控制。

该方法是一种全数字化的控制技术。

它利用前一时刻的指令电流值和实际补偿电流值，根据空间矢量理论计算出逆变器下一时刻应满足的开关模式。

其优点是动态响应很快，易于计算机执行。

但缺点是计算量大，且对系统参数依赖性较大。

（2）电流跟踪控制环节

有源电力滤波器的控制系统主要有模拟控制系统、数字控制系统以及数字模拟混合控制系统三类。

通常的控制系统一般有基于单数字信号处理芯片的带有PWM信号的控制系统，如图3所示的控制系统。

由于DSP芯片本身带有PWM脉冲产生部分，因此采用单片的DSP芯片就可以实验有源电力滤波器的控制系统。

本系统控制部分采用TI公司生产的TMS320LF2407ADSP芯片，DSPLF2407A芯片采用高性能静态CMOS技术，供电电压降为3.3V，减少了控制器的功耗，它具有两个事件管理器（EVA，EVB），每个事件管理器都包括两个16位通用定时器，8个16位PWM通道，3个定时捕获单元，片内正交编码接口，16通道同步A/D转换器，可编程PWM信号控制，外部中断PDPINTX引脚，5个外部叫断，4个捕获单元，其中两个具有与正交编码器脉冲接口的能力，同时它还有丰富的定时单元地，串行通讯接口（SCI），CAN总线。

（3）主电路

根据有源滤波器逆变主电路直流侧储能元件划分，可分为电压源有源滤波和电流源有源滤波器。

逆变器类型不同，滤波器与电网主电路的连接方式和所采用的控制变量也有所不同。

图4a为电压型有源滤波器结构图，电压型变流器在直流侧并联有大电容，它可以抑制直流电压的脉动，减少直流电源的内阻，使直流电源近似为恒压源;图4b为电流型有源滤波器结构图，电流型则在直流侧串联大电感，使直流电源近似为恒流源。

电路中串联的电感可以抑制直流的脉动，维持电路间的电压平衡。

有源滤波器逆变主电路多采用电压型逆变器，而电流型逆变器则采用较少，主要原因在于，直流侧采用电感储能，逆变器损耗大，成本高。

下面简要概括电压型和电流型两种主电路的一些基本特点:

（1）电压型PWM逆变器的直流侧接有大电容，在正常工作时，其电压基本保持不变，可看作电压源;电流型PWM逆变器的直流侧接有大电感，在正常工作时，其电流基本保持不变，可看作电流源。

（2）对于电压型PWM逆变器，为保持直流侧电压不变，需要对直流侧电压进行控制;对于电流型PWM逆变器，为保持直流侧电流不变，需要对直流侧电流进行控制。

（3）电压型PWM逆变器的交流侧输出电压为PWM波，电流型PWM逆变器的交流侧输出电流为PWM波。

图4有源电力滤波器主电路结构

电力有源滤波器-应用

 电力有源滤波器作为改善供电质量的一项关键技术，在国外已日趋成熟。

仅在日本就有500多台APF投入运行，其容量已达到60MVA。

在APF的应用中，一般应考虑以下几个方面的问题：

（1）元件参数的选择

首先是开关器件的选择，对于容量小于2MVA的APF一般采用IGBT，而容量大于5MVA时可采用GTO及多重化技术；其次，为减小逆变器向电网注入的开关纹波又不降低APF的补偿特性，电压型逆变器的输出电感及无源纹波滤波器应仔细设计；最后，为保证逆变器直流侧电压的稳定，应适当选择直流侧电容值。

（2）经济的考虑

APF的技术构想早在70年代就已提出，但直到90年代APF技术才进入实际应用，其中一个重要原因就在于APF的实际成本价格太高。

因此在选择应用APF时必须考虑其成本价格。

就当前技术水平而言，采用小额定值APF结合无源滤波器的混合型电力有源滤波器是一种切实可行的方案。

当然随着开关器件和DSP芯片价格的下降，串_并联电力有源滤波器也是很有发展前途的。

电力有源滤波器PWM控制方法

1滞环比较PWM控制方式

滞环比较控制方法是将补偿电流（电压）的指令信号与逆变器实际电流（电压）补偿信号进行比较,两者之差输入到具有滞环特性的比较器,通过比较器的输出来控制开关的开合,从而达到变流器输出值实时跟踪补偿电流（电压）参考值。

补偿电流的指令信号i*c与实际的补偿电流信号ic进行比较,两者的偏差△ic作为滞环比较器的输入。

用H表示滞环比较器的环宽,当∣△ic∣H时,滞环比较器的输出将翻转,则补偿电流ic的方向随之改变,使△ic减小,保证了补偿电流跟踪指令电流的变化。

这种控制方法硬件电路简单,属于实时控制方式的一种,补偿量响应快,开关损耗小,而且不用载波,在逆变器的输出中不含特定频率的谐波分量。

缺点是系统的开关频率、响应速度及电流的跟踪精度会受滞环带宽影响。

带宽固定时,开关频率会随补偿电流变化而变化,从而引起较大的脉动电流和开关噪声。

2三角波比较PWM控制方式

三角载波比较的跟踪控制方法是最简单的一种控制方法。

该方式将补偿电压的指令信号U*c与实际的补偿电压信号Uc进行比较,两者的偏差△Uc经放大器A之后再与三角波比较,所得到的矩形脉冲作为变流器各开关元件的控制信号,从而在变流器输出端获得所需的波形。

放大器A往往采用比例放大器或比例积分放大器。

这样组成的一个控制系统是基于把△Uc控制为最小来进行设计的。

该调制方法的最大优点是开关频率固定,简单易行,响应速度快,对具有足够高开关频率的系统有良好的控制特性,缺点是输出波形中含有与三角载波相同

谐波检测方法