APF有源電力濾波器

1、有源電力濾波器有源電力濾波器(APF Active power filter)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，它能夠對不同大小和頻率 的諧波進行快速跟蹤補償，之所以稱為有源，是相對于無源LC濾波器，只能被動吸收固定頻率與大小的諧波而言，APF可以通過采樣負載電流并進行各次諧波和無功的分離，控制并主動輸出電流的大小、 頻率和相位，并且快速響應，抵銷負載中相應電流，實現了動態(tài)跟蹤 補償，而且可以既補諧波又補無功和不平衡。中文名有源電力濾波器所屬學科物理外文名Active powerfilter所屬領域電學英文簡稱APF種類并聯型和串聯型目錄1、概述2、理論基礎3、工作原理4、標

2、準5、三電平?技術優(yōu)勢?濾波器?基本應用?主要應用場合?其他?優(yōu)勢6、性能說明7、配件選型1、概述三相電路瞬時無功功率理論 是APF發(fā)展的主要APFAPF有并聯型 和串聯型兩種，前者用的多；并聯 有源濾波器主要是治理電流諧波， 串聯有源濾波器主要是治理電壓諧波等引起的問題。2、理論基礎有源濾波器同無源濾波器比較，治理效果好，主要可以同時濾除 多次及高次諧波，不會引起諧振，但是價位相對高！實際應用安全系 數很低，國際普遍做法是以變壓器升壓，來保證可靠性，國家相關部門也要求以變壓器升壓的形式和有源濾波器結合，治理高壓諧波！3、工作原理Sato ns有源電力濾波器通過電流互感器檢測負載電流，并通過內

3、部DSP計算，提取出負載電流中的諧波成分，然后通過PWM言號發(fā)送給內部IGBT,控制逆變器產生 一個和負載諧波電流大小相等，方向相反的諧波電流注入到電網中， 達到濾波的目的。指令電流檢測電路的功能主要是從負載電流中分離出諧波電流分 量和基波無功電流，然后將其反極性作用后發(fā)生補償電流的指令信 號。電流跟蹤控制電路的功能是根據主電路產生的補償電流，計算出主電路各開關器件的觸發(fā)脈沖，此脈沖經驅動電路后作用于主電路。 這樣電源電流中只含有基波的有功分量， 從而達到消除諧波與進行無 功補償的目的。根據同樣的原理，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。有源電力濾波器的主電路一般由 P

4、WM逆變器構成。根據逆變器直 流側儲能元件的不同，可分為電壓型有源濾波器（儲能元件為電容）和電流型有源濾波器（儲能元件為電感）。電壓型有源濾波器在工作時 需對直流側電容電壓控制，使直流側電壓維持不變，因而逆變器交流側輸出為PWMfe壓波。而電流型有源濾波器在工作時需對直流側電感 電流進行控制，使直流側電流維持不變，因而逆變器交流側輸出為 PWh電流波。電壓型有源濾波器的優(yōu)點是損耗較少，效率高，該電流 在電感內阻上將產生較大損耗。圖電壓型有源濾波器圖電流型有源濾波器圖控制原理4、標準國際標準EN 50091-3, EN 61000-6-2,EN55011, EN 50178:1997, IEC6

5、2040-3, IEC 50178:1997, AS 62040-3(VFI SS 111 ) , CISPR11國家標準GB/T14549-93電能質量：公用電網諧波GB/T15543-1995電能質量：三相電壓允許不平衡度GB/T15945-1995電能質量：電力系統頻率允許偏差GB/T12326-2000電能質量：電壓波動和閃變GB/T12325-2003電能質量：供電電壓允許偏差GB/T18481-2001電能質量：暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓GB/T15576-1995低壓無功功率靜態(tài)補償裝置總技術條件GB7625.11998低壓電氣電子產品發(fā)出的諧波電流限值GB4208-93外殼防護等級

6、的分類5、三電平二極管箝位三電平拓撲 由日本學者 Nabae. A等人在1980年提 出，經過近30年的發(fā)展，廣泛應用于電力電子技術的各個領域。二極 管箝位三電平拓撲的優(yōu)勢在于，各個開關管承受的反向電壓為直流母 線電壓的一半，可以用較低電壓等級的開關管，組成較高電壓等級的 變流器。已經廣泛應用于4.2kV電動機傳動系統。通常三電平技術一 般應用于電壓較高、功率較大的系統中，正是由功率器件耐壓有限與 變流器系統需求電壓較高的矛盾現實決定的。 但是我們應該看到二極 管箝位三電平拓撲本身固有的一些優(yōu)勢。5.1技術優(yōu)勢（1）用電壓等級較低的開關管構成電壓等級較高的變流器，隨 著功率器件技術的不斷發(fā)展，

7、市場上已經有 6500V的IGBT出售，但 是耐壓越高的IGBT其開關損耗越高，最高開關頻率也變得比較低。3300V以上的IGBT開關頻率最高不會超過5kHz,1200V的IGBT的開關 損耗遠大于600V的IGBT。采用低壓IGBT的三電平變流器的開關損耗 遠低于同樣電壓等級采用高壓IGBT的兩電平變流器，同時前者可以 達到的開關頻率也高于后者。（2）能夠輸出三種電平。二極管箝位三電平變流器能夠輸出正母線電壓、負母線電壓以及零電壓（簡稱P、N、O）, 一般情況下輸出電壓在P-O O-N之間跳變，特殊情況下會出現 P-N跳變，而兩電 平變流器只能在P-N之間跳變。也就是說三電平的電壓跳變幅度為

8、直 流母線電壓的一半，而兩電平的為直流母線電壓。高的電壓跳變幅度 對并網逆變器或有源電力濾波器帶來的是較高的紋波電流，為了抑制紋波電流，需要較大的輸出電感和濾波電容，由此帶來了較高的紋波 電流損耗。同時由于輸出濾波電感電容也降低了電流響應速度，或對輸出電流的能力產生了一定的限制。對于變頻器帶來的則是對電機的 沖擊以及較大的軸電流，嚴重影響著電機的壽命。另外，較高的電壓 跳變幅度也會產生嚴重的電磁干擾，對周邊電子設備產生也重危害。 而三電平以其固有的優(yōu)勢，在很大程度上解決了上述問題。隨著技術的不斷發(fā)展，三電平技術被越來越多的人所重視，同時 也將其從中壓大功率領域，引入到400V的低壓小功率應用之

9、中，各 個國際知名功率器件廠家推出了大量適應于 400V系統應用的集成二 極管箝位三電平功率模塊，并有逐漸取代傳統兩電平變流器的趨勢。應用于400V領域的成功的三電平產品如下：（1）2008年日本安川電機推出了 Varispeed G7系列通用矢量變 頻器，其400V產品采用三菱的三電平功率模塊，并在應用中取得了 巨大成功。（2）2009年德州和能工業(yè)自動化有限公司在自主開發(fā)的三電平變 流器控制技術的基礎上，推出了 HEINV系列三電平光伏并網逆變器， 前端采用對稱BOOS進行最大功率點跟蹤，逆變器采用二極管箝位三 電平拓撲，兩者相互配合，采用 Semikron的三電平功率模塊，各項 指標均優(yōu)

10、于同類兩電平產品。（3） 2006年上海交通大學與上海信元瑞電氣有限公司（當時的上 海飛平電子有限公司）合作推出了國內唯一一個以能量算法為基礎的 有源電力濾波器（APF NEWSINE系列產品，大大的提高了系統的穩(wěn) 定性，隨著此后該產品在我國137個大型項目中的實際應用情況反饋， 證明和標志了中國FACT取術已經達到了國際領先水平。5.2濾波器將二極管箝位三電平技術應用于有源電力濾波器領域，國內外很 多文獻都有涉及，國內外許多專家學者對此都進行了比較深入的研 究，也提出了很多新的算法。但是，三電平有源電力濾波器始終沒有 從實驗室走向市場。究其原因，有可能是技術不夠成熟，控制算法過 于復雜，應用

11、成本高，也可能是企業(yè)界對此不夠重視，尚未認識到該 技術的優(yōu)勢。德州和能工業(yè)自動化有限公司通過對三電平技術的深入 研究以及對市場趨勢的正確把握，在業(yè)界首先推出了三電平有源電力 濾波器產品。三電平有源電力濾波器與傳統兩電平有源電力濾波器相比有以下優(yōu)勢：5.3基本應用SPA系列有源電力濾波器性能描述可同時濾除2次到60次諧波40卩s內響應負荷變化，全響應時間小于10ms（1/2周波）單相動態(tài)補償，不受系統不平衡的影響3.8英寸QVGA顯示屏，MODBU通訊接口有源電力濾波器采用速度高達20KHZ的IGBT,完美消除諧波并聯安裝方式，安裝簡單、方便，易于擴展，最多可10臺并聯優(yōu)勢SPA是諧波治理的完美

12、解決方案動態(tài)電流補償消除諧波和提高功率因數減少諧波在電纜、開關、變壓器中的發(fā)熱應用范圍SPA適用于工業(yè)負載場合SPA系列有源電力濾波器性能描述有效消除因零序諧波產生的中性線電流可以同時濾除225次范圍內的全部或選定次數的諧波單相動態(tài)補償，不受系統不平衡的影響并聯安裝方式，安裝簡單、方便，易于擴展，最多可 4臺并聯設計選型簡單，不需要進行詳細的電網分析，只需測量諧波電流的大小體積輕巧，可壁掛安裝標準的通訊接口，方便的接入用戶現有的通訊系統優(yōu)勢SPA系列是諧波治理的完美解決方案動態(tài)電流補償消除諧波和提高功率因數減少諧波在電纜、開關、變壓器中的發(fā)熱減少諧波引起的停電故障和時間提高電源利用率減少運營成

13、本應用范圍三相四線適用于商業(yè)建筑負載場合5.4主要應用場合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產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

14、無功補償的影響很大， 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的負荷外，還由于采 用直流濕法冶金而產生大量的直流成分。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。根據現有上海、北京等地電氣化鐵路的運行 情況，大多數系統都安裝了濾波器。預計本產品可以達到電氣鐵路濾 波器國產化的作用。7.高精度自動化生產線 高精度自動化生產 線本身不產生諧波，但是對于電能質量有很

15、高的要求，因此需要在高 精度自動化生產線的供電側安裝有源濾波器， 以降低諧波對生產線的 影響。8.辦公大樓、大型商業(yè)區(qū)等節(jié)能燈和空調集中場所 辦公大樓、 大型商業(yè)區(qū)等節(jié)能燈和空調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。5.5其他正是基于上述優(yōu)點，德州和能工業(yè)自動化有限公司在本公司三電 平變流器控制技術的基礎上，緊密跟蹤行業(yè)發(fā)展趨勢，推出三電平有 源電力濾波器產品。同時，我公司愿與業(yè)內同行企業(yè)合作，共同推進 三電平有源電力濾波器的應用，為中國電能質量事業(yè)做出貢獻。國外知名的有源電力濾波器的生產廠家有：ABB施耐德、西門子、 NOBLE?，國內知名生產廠家有：蘇州

16、和順、盛弘電氣、南京亞派科 技、思源電氣、上海雙電、英納仕電氣、西安賽博、Satons等。5.6優(yōu)勢(1)低紋波電流，高電流響應速度紋波電流和電流響應速度是矛盾的兩個指標。作為有源電力濾波 器，其基本原理是檢測負載諧波，注入反相諧波，以諧波的相互抵消 達到濾波的目的。一般的有源電力濾波器是一個電流模式控制的電壓 源逆變器。輸出電流是通過逆變器輸出的電壓作用在輸出電感上產生 的。逆變器采用脈沖寬度調制，根據電工的基本原理，紋波電流決定 于開關頻率、直流母線電壓、輸出電感的大小，與電流環(huán)的控制無關。 開關頻率越高紋波電流越小、直流母線電壓越高，紋波電流越大；輸出電感越大，紋波電流越小。而逆變器期望

17、的輸出電流是由電流環(huán)所 控制。有源電力濾波器輸出諧波電流，如果按基波 50Hz,補償50次諧 波計算，最高諧波頻率將達到2.5kHz。有源電力濾波器對電流響應速 度有很高的要求。電流響應速度與直流母線電壓和輸出電感大小有 關。直流母線電壓越高，電流響應越快；輸出電感越大，電流響應越 慢。我們期望輸出紋波電流越小越好，電流響應速度越快越好，這是 一對矛盾。從上述分析可以看出，兩電平有源電力濾波器解決這個矛 盾的辦法只能是提高開關。在某些廠家的兩電平有源電力濾波器產品 的開關頻率已經達到20kHz。但是，開關頻率的提高帶來的是更高的 開關損耗以及驅動損耗，有源電力濾波器的單機容量會受到限制， 而

18、對于更高電壓等級的有源電力濾波器，高壓的IGBT根本就不允許那么高的開關頻率。然而，三電平有源電力濾波器從原理上就是一個解 決上述問題的方案。三電平逆變器可以輸出正、負、零三種電壓，在 計算紋波電流時，只需按直流母線電壓的一半計算。由此，在相同開 關頻率、相同直流母線電壓、相同紋波電流要求的前提下，三電平的 輸出電感為兩電平的一半，同時器件的開關損耗和電感上的紋波損耗 也會降低。在計算電流響應速度時，起作用的將是全部直流母線電壓， 而輸出電感的減半，將加快電流的響應速度，增強濾波效果，提高單 機容量。（2）提高系統耐壓，應用于較高電壓系統通常國內低壓電網為400V,但是對于某些行業(yè)，其低壓電網會比 較高，例如石油鉆機傳動采用的是 600V,礦山用電可能是690V或 1140V,而某些行業(yè)的電壓等級可能更加多樣， 但一般都是500V以上。 如何解決這些行業(yè)諧波治理需求， 是一個問題。通常為了提高電流響 應速度、保證補償效果，處理諧波的有源電力濾波器比處理基波的變頻器或并網逆變器需要更高的直流母線電壓。 通常兩電平逆變器的直 流母線電壓是交流電網電壓有效值的2倍。對于380V應用，直流母線 電壓一般在700V750V,而對于600V,直流母線電壓需