有源濾波報告

1、創(chuàng)新實踐報告報告題目 ： 有源電力濾波器試驗 學院：電氣與電子工程學院 班級：09自動化x 姓名：xx 學號：0910232116 目錄諧波危害諧波抑制電力有源濾波器（APF） 電力有源濾波器PWM控制方法濾波檢測隨著國內(nèi)外電力電子技術的發(fā)展，大量由電力電子開關構成的、具有非線性特性的用電設備廣泛應用于冶金、鋼鐵、交通、化工等工業(yè)領域，如電解裝置、電氣機車、軋制機械、高頻爐等，故國內(nèi)外電網(wǎng)中的諧波污染狀況日益嚴重。電網(wǎng)中的高次諧波會造成旋轉(zhuǎn)電機和變壓器過熱，使電力電容器組工作不正常，甚至造成熱擊穿損壞；對電力系統(tǒng)中的發(fā)電機、調(diào)相機、繼電保護自動裝置和電能計量等也有很大危害，嚴重時會引發(fā)設備誤動

2、作，造成重大事故；諧波污染對通信、計算機系統(tǒng)、高精度加工機械，檢測儀表等用電設備也有嚴重的干擾。因此，必須采取有效的措施來消除電網(wǎng)中的高次諧波。 諧波的危害 1.使旋轉(zhuǎn)電機和變壓器過熱、振動和噪聲，降低變壓器額定容量，縮短電機使用壽命 2.使電力電容器組工作不正常，甚至造成熱擊穿損壞 3.使線路損失加大、電纜過熱、絕緣老化，嚴重時會使電纜“放炮” 4.影響電力系統(tǒng)中的發(fā)電機、調(diào)相機、繼電保護和自動裝置，嚴重時會引發(fā)設備誤動作，造成重大事故使電能計量等產(chǎn)生誤差 5.嚴重干擾通信、計算機系統(tǒng)、高精度加工機械，檢測儀表等用電設備的使用 6.大大提高了電網(wǎng)諧振的可能 7.損壞電網(wǎng)中敏感設備 8.導致中

3、線電流過大，造成中線發(fā)熱甚至火災 主要諧波產(chǎn)生的場合 1.變頻設備的應用場合 隨著技術的進步，變頻設備大量應用于各類場合，變頻設備會產(chǎn)生大量的諧波，因此，這類場合是有源濾波器主要的目標市場之一。 2.不穩(wěn)定負荷的應用場合 不穩(wěn)定負荷不是有源濾波器的主要市場，但它是電力系統(tǒng)一個極其重要的方面，因為不穩(wěn)定的負荷雖然所占比例不大，但是它們對電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響卻遠遠大于其它負荷所造成的影響，因此對于該類應用場合也應作為有源濾波器的主要市場方向之一。 3.鋼鐵廠 鋼鐵廠的電弧爐、軋鋼機等是主要的諧波發(fā)生設備，且主要是沖擊性負荷，對鋼鐵廠附近的其它負荷有很大影響。同時，諧波問題對鋼鐵廠無功補償?shù)挠绊懞艽螅?/p>

4、所以應以無功補償和諧波治理同時處理作為目標。 4.有色冶金 有色冶金的負荷除電弧爐性質(zhì)的負荷外，還由于采用直流濕法冶金而產(chǎn)生大量的直流成分。 5.港口機械 港機是大型的提升設備，一般都采用很大的變頻器，因此是港口機械主要的諧波發(fā)生源，因此對于該類應用場合也應作為有源濾波器的市場方向之一。 6.電氣化鐵路 電氣化鐵路一般使用直流電機拖動，因此是一個市政方面的主要諧波源。根據(jù)現(xiàn)有上海、北京等地電氣化鐵路的運行情況，大多數(shù)系統(tǒng)都安裝了濾波器。預計本產(chǎn)品可以達到電氣鐵路濾波器國產(chǎn)化的作用。 7.高精度自動化生產(chǎn)線 高精度自動化生產(chǎn)線本身不產(chǎn)生諧波，但是對于電能質(zhì)量有很高的要求，因此需要在高精度自動化生

5、產(chǎn)線的供電側(cè)安裝有源濾波器，以降低諧波對生產(chǎn)線的影響 8.辦公大樓、大型商業(yè)區(qū)等節(jié)能燈和空調(diào)集中場所辦公大樓、大型商業(yè)區(qū)等節(jié)能燈和空調(diào)集中場所的諧波情況也非常嚴重，治理方法宜采用集中治理方法，以節(jié)省成本。 一、 諧波電流產(chǎn)生的原因： 對于阻性負載、感性負載或容性負載以及它們的線性組合而成的網(wǎng)絡其電流可用式（1）表示。 （1）這類負載的電流波形仍為正弦波，其諧波電流應為零?，F(xiàn)在我們正廣泛使用的一些具有整流電路的電子產(chǎn)品如彩色電視機、顯示器、微機等產(chǎn)品的電流波形卻與之不同。這類用電器具的電壓和電流之間的關系更為復雜，圖（一）所示是這類電路典型的電壓電流波形圖。圖（一）：整流電路的電壓、電流波形其電

6、流僅在線電壓達到峰值前后的一段時間內(nèi)不為零，在其它時間則電流為零。這種電流波形往往符合標準GB17625.1中的D類波形，由于其是周期與電源周期相同的電流脈沖，因而具有豐富的諧波分量。電源電路會引起這種電流波形的必要因素有二個：一是要有整流電路，二是整流后有大的濾波電容。整流電路中的二極管起著開關作用，當電源電壓大于濾波電容兩端的電壓時，二極管導通，供電電源對電容充電并提供負載電流，其余時間二極管截止，負載依靠電容的貯能供電，表現(xiàn)在供電電源一側(cè)的電流為零。如圖（二）所示為一個簡單的能產(chǎn)生D類波形的電路。峰值電流的大小與濾波電容和負載的大小有關。實際上，圖（二）所示的整流方法使得用電器具僅在電源

7、瞬時電壓處于峰值附近，電源瞬時電壓超過電容兩端電壓時才從電網(wǎng)汲取電流，這就形成了在電源電壓峰值附近，與電壓周期相同的高峰值充電電流脈沖。這種電源電路在電網(wǎng)中引起了較高的電流諧波，并使得功率因數(shù)降低。功率因素通常在0.5左右，這樣視在功率比實際功率大得多。圖（二）簡單的能產(chǎn)生D類電流波形的電路三、非正弦波形的功率消耗對于電壓和電流波形為正弦波，假如功率因素為cos()，則瞬時功率p(t)和平均功率p由下式計算得出：對于非正弦電壓、電流波形利用傅立葉變換可將瞬時電壓和電流波形表達成各種諧波分量的和：式中V(t)和I(t)為電壓電流的瞬時值，為電壓和電流的有效值，為電壓和電流的相位。所以實際功率可以

8、表達為基波的實際功率和諧波的實際功率之和。這里和，。所以非正弦波信號的功率由基波信號的功率和各次諧波信號的功率和組成，由上述公式可以看出只有諧波的電壓、電流均存在的情況下，諧波的功率才不為零。在諧波測試系統(tǒng)中，由于測試功率源為純凈的電壓源，在這種條件下用電能表測得的實際消耗功率僅是基波的功率。湝波電流的大小可用均方根值來表示：，基波的功率除以均方根電流與電壓的乘積可得到非正弦電流情況下的功率因素PF。所以由諧波電流引起的功率因數(shù)降低并不是由電壓、電流相位差引起的而是由于電流波形的畸變引起的。四、減小諧波電流的措施目前常用的減小電流諧波的措施主要有兩種：一種是在電源電路中串聯(lián)扼流電感器，電感器成

9、本低，生產(chǎn)工藝簡單，可靠性好，因而在電視機中得到廣泛應用；另一種是利用功率因數(shù)校正電路來達到改善電流波形的目的，采用該電路的好處是功率因數(shù)基本上能達到1，但是其成本較高，生產(chǎn)、調(diào)試等工藝過程比前者復雜。目前常用的諧波抑制電感器外形如同變壓器，鐵蕊呈“目”字形，一般由兩個基本相同的繞組組成。外層鐵蕊組成封閉的磁路，有減小漏磁的作用。諧波抑制電感器有三種應用方法，如圖(三)所示為一種典型的應用電路。 圖（三）諧波抑制電感器的典型應用電路另外諧波抑制電感器還可以用在EMI濾波器前，此時應注意由于電路振蕩容易引起高次諧波電流不合格，如高次諧波電流過大則可通過調(diào)節(jié)EMI濾波器的參數(shù)或附加吸收電路來消除振

10、蕩；第三種使用方法是將諧波抑制電感器串聯(lián)在橋式整流電路與電容器中間。第一種和第三種應用方法均不易產(chǎn)生高次諧波電流不合格現(xiàn)象，使用起來方便可靠，大量生產(chǎn)時產(chǎn)品性能的一致性好。電力有源濾波器（APF）是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波以及變化的無功進行補償，之所以稱為有源，顧名思義該裝置需要提供電源，其應用可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法的缺點（傳統(tǒng)的只能固定補償），實現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補償，而且可以只補諧波不補無功；三相電路瞬時無功功率理論是APF發(fā)展的主要基礎理論；APF有并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種，前者用的多；該裝置的主要缺點是復雜、成本高，限

11、制了它的使用。電力有源濾波器-基本原理電力有源濾波器系統(tǒng)主要由兩大部分組成，即指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路(由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和主電路三部分構成)。指令電流運算電路的功能主要是從負載電流iL中分離出諧波電流分量iLh和基波無功電流iLg，然后將其反極性作用后發(fā)生補償電流的指令信號ic=(iLhiLq)。電流跟蹤控制電路的功能是根據(jù)主電路產(chǎn)生的補償電流ico應跟蹤ic的原則，計算出主電路各開關器件的觸發(fā)脈沖，此脈沖經(jīng)驅(qū)動電路后作用于主電路，產(chǎn)生補償電流ico，由于icico,所以iS=iLic=iLico=iL（iLhiLq）=iLp即電源電流iS中只含有基波的有功分量iLp，從

12、而達到消除諧波與進行無功補償?shù)哪康?。根?jù)同樣的原理，電力有源濾波器還能對不對稱三相電路的負序電流分量進行補償。電力有源濾波器的主電路一般由PWM逆變器構成。根據(jù)逆變器直流側(cè)儲能元件的不同，可分為電壓型APF(儲能元件為電容)和電流型APF(儲能元件為電感)。電壓型APF在工作時需對直流側(cè)電容電壓控制，使直流側(cè)電壓維持不變，因而逆變器交流側(cè)輸出為PWM電壓波。而電流型APF在工作時需對直流側(cè)電感電流進行控制，使直流側(cè)電流維持不變，因而逆變器交流側(cè)輸出為PWM電流波。電壓型APF的優(yōu)點是損耗較少，效率高，電流型APF由于電流側(cè)電感上始終有電流流過，該電流在電感內(nèi)阻上將產(chǎn)生較大損耗。電力有源濾波器-

13、分類(1)按電路拓樸結構分類，電力有源濾波器可分為并聯(lián)型、串聯(lián)型、串并聯(lián)型和混合型。(2)按電源類型分類，APF可分為單相APF、三相三線制APF、三相四線制APF及有源線路調(diào)節(jié)器(APLC)等。三相四線制APF主要是為了補償電源中線上的電流諧波、無功功率及三相之間的不平衡問題。當功率額定值較小時，其主電路可直接采用三相逆變器，而將直流側(cè)電容中點聯(lián)接到電源中點上。當負載功率較大時可用四橋臂的逆變器，將第四橋臂單獨用于補償中線；為了實現(xiàn)三相獨立調(diào)節(jié)，還可使用更復雜的三個單相橋式逆變器進行分別補償。有源線路調(diào)節(jié)器是向電網(wǎng)中的某個(或幾個)優(yōu)選節(jié)點注入消諧波補償電流，以達到在一定范圍內(nèi)電網(wǎng)的電能質(zhì)量

14、綜合治理。目前更高層次的電力有源濾波技術在國外尚處于研究階段。電力有源濾波器-控制電力有源濾波器的控制主要是指令電流的運算和補償電流的產(chǎn)生。(1)指令電流的運算指令電流iC的運算方法主要有以下幾種：基于頻域運算的方法：其基本思想是用頻域濾波的方法(使用帶通濾波器)，首先分離負載電流中的基波分量和諧波分量，然后再使用電路理論中的計算方法將基波電流分解為基波有功分量和基波無功分量。瞬時空間矢量法：基于無功功率理論的瞬間矢量法是目前三相電力有源濾波器中應用最廣的一種指令電流運算方法?；诂F(xiàn)代控制理論的方法：最早應用的有基于PI控制器的方法，因PI控制器的特性不能適應負載及電網(wǎng)的變化，后來又提出了基于

15、滑?？刂萍澳：刂频痊F(xiàn)代控制方法。它們都是直接根據(jù)逆變器直流側(cè)的電壓(電壓型APF)或電流(電流型APF)，求出所需的電網(wǎng)電流的基波有功分量幅值，從而求出所需補償電流的指令值ic。這種方法適用于單相和三相APF，也適用于電網(wǎng)電壓畸變的情況。自適應檢測法：該方法基于自適應濾波中的自適應干擾抵消原理，從負載電流中消去基波有功分量，從而得到所需的補償電流指令值。該方法的突出優(yōu)點是對電網(wǎng)電壓畸變、頻率偏移及電網(wǎng)參數(shù)變化有較好的自適應調(diào)整能力， (2)補償電流的產(chǎn)生對于采用PWM電壓源逆變器的電力有源濾波器，其補償電流的產(chǎn)生方法目前主要有以下三種：三角載波線性控制：它以指令電流ic與實際補償電流ico之

16、間的差值作為調(diào)整信號，與高頻三角載波相比較，從而得到逆變器開關器件所需的控制信號。其優(yōu)點是動態(tài)響應好，開關頻率固定，電路簡單。其缺點是開關損耗較大，且輸出波形中含有載波頻率及其諧波頻率的高頻畸變分量。滯環(huán)比較控制。該方法將指令電流與實際補償電流的差值輸入到具有滯環(huán)特性的比較器中，然后用比較器的輸出來控制逆變器的開關器件。與三角載波控制方式相比，該方法開關損耗小，動態(tài)響應快。該方法使開關頻率變化較大，容易引起脈沖電流和開關噪聲。 無差拍控制。該方法是一種全數(shù)字化的控制技術。它利用前一時刻的指令電流值和實際補償電流值，根據(jù)空間矢量理論計算出逆變器下一時刻應滿足的開關模式。其優(yōu)點是動態(tài)響應很快，易于

17、計算機執(zhí)行。但缺點是計算量大，且對系統(tǒng)參數(shù)依賴性較大。（2）電流跟蹤控制環(huán)節(jié)有源電力濾波器的控制系統(tǒng)主要有模擬控制系統(tǒng)、數(shù)字控制系統(tǒng)以及數(shù)字模擬混合控制系統(tǒng)三類。通常的控制系統(tǒng)一般有基于單數(shù)字信號處理芯片的帶有PWM信號的控制系統(tǒng)，如圖3所示的控制系統(tǒng)。由于DSP芯片本身帶有PWM脈沖產(chǎn)生部分，因此采用單片的DSP芯片就可以實驗有源電力濾波器的控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)控制部分采用TI公司生產(chǎn)的TMS320LF2407A DSP芯片，DSP LF2407A芯片采用高性能靜態(tài)CMOS技術，供電電壓降為3.3V，減少了控制器的功耗，它具有兩個事件管理器（EVA，EVB），每個事件管理器都包括兩個16位通用定

18、時器，8個16位PWM通道，3個定時捕獲單元，片內(nèi)正交編碼接口，16通道同步A/D轉(zhuǎn)換器，可編程PWM信號控制，外部中斷PDPINTX引腳，5個外部叫斷，4個捕獲單元，其中兩個具有與正交編碼器脈沖接口的能力，同時它還有豐富的定時單元地，串行通訊接口（SCI），CAN總線。開關器件驅(qū)動板有源濾波器的變流器PWM脈沖發(fā)生DSP控制芯片圖3 基于單DSP的有源電力濾波器的控制系統(tǒng)（3）主電路 根據(jù)有源濾波器逆變主電路直流側(cè)儲能元件劃分，可分為電壓源有源濾波和電流源有源濾波器。逆變器類型不同，濾波器與電網(wǎng)主電路的連接方式和所采用的控制變量也有所不同。圖4a為電壓型有源濾波器結構圖，電壓型變流器在直流側(cè)

19、并聯(lián)有大電容，它可以抑制直流電壓的脈動，減少直流電源的內(nèi)阻，使直流電源近似為恒壓源;圖4b為電流型有源濾波器結構圖，電流型則在直流側(cè)串聯(lián)大電感，使直流電源近似為恒流源。電路中串聯(lián)的電感可以抑制直流的脈動，維持電路間的電壓平衡。有源濾波器逆變主電路多采用電壓型逆變器，而電流型逆變器則采用較少，主要原因在于，直流側(cè)采用電感儲能，逆變器損耗大，成本高。下面簡要概括電壓型和電流型兩種主電路的一些基本特點:(1)電壓型PWM逆變器的直流側(cè)接有大電容，在正常工作時，其電壓基本保持不變，可看作電壓源;電流型PWM逆變器的直流側(cè)接有大電感，在正常工作時，其電流基本保持不變，可看作電流源。（2）對于電壓型PWM

20、逆變器，為保持直流側(cè)電壓不變，需要對直流側(cè)電壓進行控制;對于電流型PWM逆變器，為保持直流側(cè)電流不變，需要對直流側(cè)電流進行控制。（3）電壓型PWM逆變器的交流側(cè)輸出電壓為PWM波，電流型PWM逆變器的交流側(cè)輸出電流為PWM波。 圖4 有源電力濾波器主電路結構電力有源濾波器-應用電力有源濾波器作為改善供電質(zhì)量的一項關鍵技術，在國外已日趨成熟。僅在日本就有500多臺APF投入運行，其容量已達到60MVA。在APF的應用中，一般應考慮以下幾個方面的問題：(1)元件參數(shù)的選擇首先是開關器件的選擇，對于容量小于2MVA的APF一般采用IGBT，而容量大于5MVA時可采用GTO及多重化技術；其次，為減小逆變器向電網(wǎng)注入的開關紋波又不降低APF的補償特性，電壓型逆變器的輸出電感及無源紋波濾波器應仔細設計；最后，為保證逆變器直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，應適當選擇直流側(cè)電容值。(2)經(jīng)濟的考慮APF的技術構想早在70年代就已提出，但直到90年代APF技術才進入實際應用，其中一個重要原因就在于APF的實際成本價格太高。因此在選擇應用APF時必須考慮其成本價格。就當前技術水平而言，采用小額定值APF結合無源濾波器的混合型電力有源濾波器是一種切實可行