有源電力濾波器的應(yīng)用及效果

1、有源電力濾波器的應(yīng)用所在學(xué)院：信息科學(xué)與工程學(xué)院專(zhuān)業(yè)班級(jí):學(xué)生姓名: 學(xué)生學(xué)號(hào): 指導(dǎo)教師:有源電力濾波器的應(yīng)用上學(xué)期我們學(xué)習(xí)了電力電子技術(shù)這門(mén)課，通過(guò)這門(mén)課的學(xué)習(xí)我了解到：以非線(xiàn)性負(fù)載為主產(chǎn)生的諧波會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)形成很大的危害，而傳統(tǒng)的電力電子裝置本身就是產(chǎn)生諧波的主要污染源。要想抑制電力電子裝置和其它諧波源造成 的電力系統(tǒng)諧波，基本思路有兩條：一是裝設(shè)補(bǔ)償裝置，設(shè)法補(bǔ)償其產(chǎn)生的諧波； 而是對(duì)電力電子裝置本身進(jìn)行改進(jìn)，使其不產(chǎn)生諧波，同時(shí)也不消耗無(wú)功功率， 或者根據(jù)需要能對(duì)其功率因數(shù)進(jìn)行控制，即采用高功率因數(shù)變流器。裝設(shè)LC調(diào)諧濾波器是傳統(tǒng)的補(bǔ)償諧波的主要手段。LC調(diào)諧濾波器雖然存在 很多缺陷

2、，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，既可補(bǔ)償諧波，又可補(bǔ)償無(wú)功，一直被廣泛應(yīng)用與電 力系統(tǒng)中諧波和無(wú)功功率補(bǔ)償。目前的趨勢(shì)是采用先進(jìn)的電力電子裝置進(jìn)行諧波 補(bǔ)償，這就是有源電力濾波器（APF。與LC無(wú)源濾波器相比，有源濾波器具有 明顯的優(yōu)越性能，能對(duì)變化的諧波進(jìn)行迅速的動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償， 而且補(bǔ)償特性不受 電網(wǎng)頻率和阻抗的影響。有源電力濾波器的變流電路可以分為電壓型和電流型。 從與補(bǔ)償對(duì)象的連接方式看，有源電力濾波器又可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型。電壓型和并聯(lián)型在實(shí)際中應(yīng)用較廣。本學(xué)期做了一個(gè)諧波的產(chǎn)生和抑制的實(shí)驗(yàn)， 其中諧波是由三相橋式整流電路 這一非線(xiàn)性負(fù)載產(chǎn)生的，在實(shí)驗(yàn)中采用了兩種抑制諧波的方法，一種是并聯(lián)無(wú)功 補(bǔ)償電

3、容器和LC濾波器，另一種是并聯(lián)一個(gè)有源電力濾波器。目標(biāo)是經(jīng)過(guò)這兩 次濾波，使諧波電流的畸變率降到 5%左右。有源電力濾波器基本原理如下圖1所示。設(shè)負(fù)載電流為ii，諧波檢測(cè)器從負(fù) 載電流中檢測(cè)出諧波電流ih，令指令電流二-h，補(bǔ)償電流控制算法控制逆變 器產(chǎn)生補(bǔ)償電流ic = ic*，注入母線(xiàn)，抵消負(fù)載電流中的諧波，達(dá)到抑制諧波電流 流向電源的目的。系統(tǒng)由四個(gè)主要部分組成有源濾波主電路、 外圍驅(qū)動(dòng)板、諧波 檢測(cè)器、DSP器件。圖1諧波檢測(cè)由電流傳感器測(cè)量出負(fù)載電流，然后利用基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的 諧波電流檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)諧波，計(jì)算出電網(wǎng)的諧波分量，并根據(jù)相應(yīng)的控制算法計(jì) 算出適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償量，有源電力濾波

4、器的補(bǔ)償電流由單相電壓型變流器產(chǎn)生，功率開(kāi)關(guān)元件采用IGBT管，諧波電流檢測(cè)器檢測(cè)出負(fù)載電流的諧波信號(hào)ic,將ic反相 后作為指令信號(hào)iC，iC的值送入控制器，控制DSP中的PWM模塊輸出脈寬可調(diào)的 PWM信號(hào)，經(jīng)整形、隔離、放大后，用于驅(qū)動(dòng)各個(gè)功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷。變流 器的交流側(cè)出現(xiàn)逆變電壓，此電壓和電源電壓之差由電感 L負(fù)擔(dān)，于是在回路中 產(chǎn)生補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電網(wǎng)諧波。有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)是反映動(dòng)作迅速，濾除諧波可 達(dá)到95%以上，缺點(diǎn)是價(jià)格高，容量小。我們做的這個(gè)實(shí)驗(yàn)是演示性試驗(yàn)，利用 Matlab/Simuli nk 平臺(tái)進(jìn)行并聯(lián)型 有源濾波器仿真。觀察投入APF前后，電路中的電壓和電流波

5、形，掌握對(duì)諧波電 流進(jìn)行補(bǔ)償?shù)脑?。?shí)驗(yàn)原理如圖2所示:71 3«-Q0£ a.4SkAilEuimT我們首先研究一下這個(gè)實(shí)驗(yàn)原理圖的原理。首先，由于阻感負(fù)載的三相橋式整流電路主要產(chǎn)生五次諧波和七次諧波，為了模擬諧波的產(chǎn)生以及掌握對(duì)諧波 電流的補(bǔ)償原理，在低壓端增加了三次諧波發(fā)生器。三次諧波發(fā)生器的結(jié)構(gòu)如圖帶有很高諧波分量的電流首先通過(guò)變壓器， 進(jìn)行第一次濾波；然后通過(guò)一組3所示。并聯(lián)的RLC無(wú)源濾波器進(jìn)行第二次濾波，這次濾波主要是濾掉三次和五次的諧 波，其結(jié)構(gòu)如圖4所示：圖4根據(jù)所學(xué)的知識(shí)，這種無(wú)源濾波器是三階的濾波器。三階濾波器與二階濾波 器相比電感多串聯(lián)了一個(gè)電容，它

6、提高了濾波器對(duì)基波頻率的阻抗， 從而大大減 小基波損耗，這是三階濾波器的主要優(yōu)點(diǎn)。 我們可以通過(guò)設(shè)置電感、電阻以及電 容的參數(shù)達(dá)到濾除三次諧波和五次諧波的目的。下面介紹有源電力濾波器的模塊。有源電力濾波器的模塊如圖5所示。vabcB2-labcVabcicalabcjcbCSiccCSShunt APF圖5根據(jù)圖5可知，這個(gè)模塊的輸入有三相的電壓、 三相電流還有滯環(huán)信號(hào)。下 面繼續(xù)分解這個(gè)模塊，如圖6所示。SwitchCDVabcCon slant0CScz>labcSwitch 1isiah*ibibh*lcU«bcieh*Single neuronIMCCHysterisi

7、s Controller<D忙a*<z>icbICC圖6通過(guò)圖6可以看出，有源電力濾波器的核心環(huán)節(jié)主要有兩個(gè)， 一個(gè)是諧波電 流的檢測(cè)環(huán)節(jié)，還有一個(gè)是諧波控制環(huán)節(jié)。再根據(jù)所學(xué)的有源電力濾波器結(jié)構(gòu)的 知識(shí)，諧波控制環(huán)節(jié)包括電流跟蹤和主電路。 下面先看諧波電流檢測(cè)環(huán)節(jié)，其具體結(jié)構(gòu)如圖7所示（以A相為例）CD UKTSg * g Rrij圖7圖7的左上角是一個(gè)鎖相環(huán)電路。鎖相環(huán)在工作的過(guò)程中，當(dāng)輸出信號(hào)的頻 率與輸入信號(hào)的頻率相等時(shí)，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值， 即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這樣就保持了頻率和相位的穩(wěn)疋。中間部分是諧 波電流的檢測(cè)方法。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，

8、有源電力濾波器的目的只是補(bǔ)償諧波，貝U利 用ip、iq方式，可以檢測(cè)出負(fù)載電流iL中的諧波分量i Lh，補(bǔ)償電流的指令信 號(hào)ic '應(yīng)與諧波分量i Lh極性相反。若補(bǔ)償電流ic和ic '完全一致，則補(bǔ)償后 的電源電流與負(fù)載電流的基波分量完全相同。A lobeB ab諧波控制環(huán)節(jié)的電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。Universal Bndgrch' iah azhifiunn圖8圖8的左下方是電流跟蹤控制電路。由于并聯(lián)型有源電力濾波器產(chǎn)生的補(bǔ)償 電流應(yīng)實(shí)時(shí)跟隨其指令電流信號(hào)的變化，要求補(bǔ)償電流發(fā)生器有很好的實(shí)時(shí)性， 因此電流控制采用跟蹤型PWMI制方式，目前主要的方法有兩種，即瞬時(shí)值

9、比較 方式和三角波比較方式。本實(shí)驗(yàn)采用的是瞬時(shí)值比較方式。 在該方式中，把補(bǔ)償 電流的指令信號(hào)ic '與實(shí)際補(bǔ)償電流信號(hào)ic進(jìn)行比較，兩者的偏差 c作為滯 環(huán)比較器的輸入，通過(guò)滯環(huán)比較器產(chǎn)生主電路開(kāi)關(guān)通斷的 PWI信號(hào)，該P(yáng)W信號(hào) 經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制開(kāi)關(guān)的通斷，從而控制補(bǔ)償電流 ic的變化。滯環(huán)比較器的電 路結(jié)構(gòu)如圖9所示。2C4ihJ-iibhCDCE)I *-2JF JF*CD*OD圖9圖8的左上方是主電路。補(bǔ)償電流ic是主電路中直流側(cè)電容電壓與交流側(cè)電源電壓的差值作用于電感上產(chǎn)生的。 主電路的工作情況是由主電路的 6組開(kāi)關(guān) 器件的通斷組合決定的。將特定的開(kāi)關(guān)組合所對(duì)應(yīng)的工作情況稱(chēng)為

10、工作模式。 通 常情況下，同一相的上下兩組開(kāi)關(guān)總有一組中的一個(gè)器件是導(dǎo)通的。以上就是有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)和原理。下面介紹這個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)中濾波的效 果。這次實(shí)驗(yàn)，我選取了四個(gè)節(jié)點(diǎn) B3、B2、B1、B7來(lái)說(shuō)明濾波的效果。節(jié)點(diǎn)B3的電壓和電流波形及傅里葉分析如下：圖10(注：上面為電壓波形，下面為電流波形，下同)D510Harmonic order1520FFT analysis Fundamental (50Hz) = 11.08 p THD= 36 41%205 Q 5-e-LlaEEPUnLIUcl 穿)Brei乏0圖11通過(guò)圖10和圖11可以看出，電網(wǎng)接入非線(xiàn)性負(fù)載和三次諧波發(fā)生器后，電流波

11、形失真非常厲害，電流的畸變率達(dá)到了36.41%。主要的諧波為三次、五次和七次節(jié)點(diǎn)B2:60-4020,'I20i-1£080402010-I20HIv.300ais0.20.050.25Tine flfTwt： Q圖12FFT analystsFundamental (50Hz) = 26 88 . THD= 14.30%0 8 6 4 2(fflcaEppund Jo 遲s5乏510Harmonic order1520圖13經(jīng)過(guò)一次變壓器的濾波后，電流的畸變率大幅下降到14.8%，而且波形也有了很大的改善節(jié)點(diǎn)B1:BO6O4O2OQ-M-4O-6O-0OTime affset： 0圖14FFT analysisFundamental (50Hz) = 23.95 THD= 7 73%5 4 3 2 1 (-raluaujrapun 一LL.口 ) 6E2.051015Harmonic order020圖15由此可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)了一次三次、五次諧波的無(wú)源濾波后，三、五次諧波已大幅 減少，電流波形進(jìn)一步完善。同時(shí)，電流的畸變率繼續(xù)下降節(jié)點(diǎn)B7:圖17圖16FFT analysisFundamental (50Hz) = 24.09 THD- 2.82