有源電力濾波器設(shè)計和應用中的問題及對策

1、有源電力濾波器設(shè)計和應用中的問題與對策演講人：卓放演講人：卓放西安交通大學電氣工程學院西安交通大學電氣工程學院2012014 4年年3 3月月1919日日供用電系統(tǒng)諧波軋鋼機電弧爐中頻爐電焊機電機變頻傳動軌道交通先進照明計算機充電機家用電器高壓直流輸電諧波的危害 干擾其他電氣、電子設(shè)備，使之發(fā)生故障，甚至引起電網(wǎng)局部諧振，設(shè)備損毀；造成額外電能損耗，引起設(shè)備過熱，甚至燒毀。有源濾波器 無源濾波器 無功補償?shù)妊b置 +混合型并聯(lián)型 串聯(lián)型 準確 快速 穩(wěn)定的檢測與控制方法減小有源裝置容量以降低造價系統(tǒng)層面問題準確性、快速性不滿足要求穩(wěn)定性不滿足要求諧波源波形濾波后波形有源電力濾波器造價隨容量增加而

2、急劇上升準確 快速 穩(wěn)定的檢測與控制方法減小有源裝置容量以降低造價系統(tǒng)層面問題價格昂貴的全控型電力半導體器件 優(yōu)化配置穩(wěn)定控制準確 快速 穩(wěn)定的檢測與控制方法減小有源裝置容量以降低造價系統(tǒng)層面問題系統(tǒng)層面問題的起因系統(tǒng)層面問題的起因補償特性由有源濾波器、負載、電網(wǎng)以及可能的無源濾波器共同決定負載特性對系統(tǒng)的影響與對策負載特性對系統(tǒng)的影響與對策常規(guī)的、基于有源濾波器本身的認識常規(guī)的、基于有源濾波器本身的認識常見問題：常見問題：1）所需有源濾波器容量大于原有測量值）所需有源濾波器容量大于原有測量值2）安裝有源濾波器后負荷側(cè)諧波電流反而增大了）安裝有源濾波器后負荷側(cè)諧波電流反而增大了10負載特性對系

3、統(tǒng)的影響與對策負載特性對系統(tǒng)的影響與對策更準確的、考慮負載特性的模型更準確的、考慮負載特性的模型11并聯(lián)型有源電力濾波器應用的一般系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并聯(lián)型有源電力濾波器應用的一般系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并入式混合濾波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖并入式混合濾波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 12不同檢測點對系統(tǒng)特性的影響分析不同檢測點對系統(tǒng)特性的影響分析 混合系統(tǒng)中有源電力濾波器諧波電流檢測共有以下幾種混合系統(tǒng)中有源電力濾波器諧波電流檢測共有以下幾種方法：方法： 檢測負載側(cè)檢測負載側(cè)A點諧波電流控制方法；點諧波電流控制方法； 檢測無源濾波器補償后檢測無源濾波器補償后B點諧波電流控制方法；點諧波電流控制方法； 檢測電網(wǎng)側(cè)檢測電網(wǎng)側(cè)C點諧波電流控制方法；點諧

4、波電流控制方法；13并入式混合型并聯(lián)濾波器單相等效電路圖并入式混合型并聯(lián)濾波器單相等效電路圖只有有源只有有源LhFhShFhShIZZZI LhFhShFhASh)1(IZZZGI LhAChIGI 10A G只有只有無源無源LhAChLhSh)1(IGIII 混合濾波系統(tǒng)僅考慮負載諧波源時單相諧波等效電路圖混合濾波系統(tǒng)僅考慮負載諧波源時單相諧波等效電路圖 并入式混合濾波系統(tǒng)一般的控制方法并入式混合濾波系統(tǒng)一般的控制方法14并入式混合濾波系統(tǒng)一般的控制方法并入式混合濾波系統(tǒng)一般的控制方法u諧波全部補償控制方法的原理及其存在的問題諧波全部補償控制方法的原理及其存在的問題 有源有源電力電力濾波器檢

5、測負載全部諧波電流，輸出補償負載全部諧波。濾波器檢測負載全部諧波電流，輸出補償負載全部諧波。 幅頻幅頻特性特性電網(wǎng)諧波電流分量電網(wǎng)諧波電流分量：無源濾波器諧波電流分量：無源濾波器諧波電流分量：幅頻幅頻特性特性LhFhShFhASh1 IZZZGI LhFhShShAFh1 IZZZGI 當當GA=1=1時，有源電力濾波器補償全部負時，有源電力濾波器補償全部負載諧波，無源濾波器只補償了基波無功。載諧波，無源濾波器只補償了基波無功。 15并入式混合濾波系統(tǒng)一般的控制方法并入式混合濾波系統(tǒng)一般的控制方法有源濾波器補償所有諧波的仿真結(jié)果有源濾波器補償所有諧波的仿真結(jié)果（GA=1） 有源濾波器補償部分諧

6、波的仿真結(jié)果有源濾波器補償部分諧波的仿真結(jié)果（GA=0.5） 有源濾波器不補償有源濾波器不補償5 5、7 7次諧波的仿真結(jié)果次諧波的仿真結(jié)果 16抑制諧振作用的分析抑制諧振作用的分析)(1)(1)()(1)(1)()(PAFSALhShsGsGsZsZsGsIsI 只考慮負載只考慮負載電流諧波電流諧波S為電網(wǎng)基波角頻率為電網(wǎng)基波角頻率 t為無源濾波器調(diào)諧角頻率為無源濾波器調(diào)諧角頻率 )()()(LhAChIGI 只考慮負載電流諧波只考慮負載電流諧波的情況的情況 tStSA,10,0)(kkG，混合濾波系統(tǒng)控制系統(tǒng)框圖：混合濾波系統(tǒng)控制系統(tǒng)框圖： 有源電力濾波器對并有源電力濾波器對并聯(lián)諧振有抑制

7、作用聯(lián)諧振有抑制作用 )()()(FSPsZsZsG 17抑制諧振作用的分析抑制諧振作用的分析)()()(1)(ShSFShsUsZsZsI 幅頻幅頻特性特性有源電力濾波器對串有源電力濾波器對串聯(lián)諧振無抑制作用聯(lián)諧振無抑制作用 只考慮電網(wǎng)電壓畸變的情況只考慮電網(wǎng)電壓畸變的情況Ch( )0Is 18抑制諧振作用的分析抑制諧振作用的分析有源濾波器抑制并聯(lián)諧振仿真波形有源濾波器抑制并聯(lián)諧振仿真波形19抑制諧振作用的分析抑制諧振作用的分析有源濾波器抑制串聯(lián)諧振仿真波形有源濾波器抑制串聯(lián)諧振仿真波形20電流檢測點位于電流檢測點位于A點點對對并聯(lián)諧振并聯(lián)諧振抑制情況分析（抑制情況分析（補償前）補償前）抑制

8、諧振作用的分析抑制諧振作用的分析僅投入非線性負載時的實驗波形僅投入非線性負載時的實驗波形 非線性負載和無功補償電容器非線性負載和無功補償電容器均投入后的實驗波形均投入后的實驗波形 21抑制諧振作用的分析抑制諧振作用的分析檢測檢測A點電流控制策略點電流控制策略 電流檢測點位于電流檢測點位于A點點對對并聯(lián)諧振并聯(lián)諧振抑制情況分析（抑制情況分析（補償后）補償后）22電流檢測點位于電流檢測點位于A點點對對串聯(lián)諧振串聯(lián)諧振抑制情況分析（補償前）抑制情況分析（補償前）抑制諧振作用的分析抑制諧振作用的分析僅投入非線性負載時的實驗波形僅投入非線性負載時的實驗波形 非線性負載和無功補償電容器非線性負載和無功補償

9、電容器均投入后的實驗波形均投入后的實驗波形 23抑制諧振作用的分析抑制諧振作用的分析電流檢測點位于電流檢測點位于A點點對對串聯(lián)諧振串聯(lián)諧振抑制情況分析（抑制情況分析（補償后）補償后）檢測檢測A點電流控制策略點電流控制策略 24一般控制方法下系統(tǒng)問題總結(jié)一般控制方法下系統(tǒng)問題總結(jié)并入式混合型并聯(lián)濾波系統(tǒng)采用檢測負載諧波電流的控并入式混合型并聯(lián)濾波系統(tǒng)采用檢測負載諧波電流的控制方法主要有以下特點：制方法主要有以下特點： 對有源濾波器、無源濾波器的容量優(yōu)化配置要求對有源對有源濾波器、無源濾波器的容量優(yōu)化配置要求對有源濾波器的補償系數(shù)和所分擔諧波成分精心設(shè)計。濾波器的補償系數(shù)和所分擔諧波成分精心設(shè)計。

10、有源電力濾波器改善無源濾波器的補償效果，對無源濾有源電力濾波器改善無源濾波器的補償效果，對無源濾波器和電網(wǎng)并聯(lián)諧振有一定的抑制作用。波器和電網(wǎng)并聯(lián)諧振有一定的抑制作用。有源電力濾波器不能抑制電網(wǎng)中由電網(wǎng)電壓畸變產(chǎn)生的有源電力濾波器不能抑制電網(wǎng)中由電網(wǎng)電壓畸變產(chǎn)生的諧波電流以及無源濾波器和電網(wǎng)的串聯(lián)諧振。諧波電流以及無源濾波器和電網(wǎng)的串聯(lián)諧振。25不同檢測點對系統(tǒng)特性的影響分析（不同檢測點對系統(tǒng)特性的影響分析（B B點）點）ChA PhIG I A01G 只考慮負載只考慮負載 電流諧波電流諧波 有源電力濾波器檢測無源濾波器后電流各次頻率的諧波有源電力濾波器檢測無源濾波器后電流各次頻率的諧波成分，

11、輸出諧波補償電流為成分，輸出諧波補償電流為： 只考慮負載電流諧波的情況只考慮負載電流諧波的情況26幅頻幅頻特性特性不同檢測點對系統(tǒng)特性的影響分析（不同檢測點對系統(tǒng)特性的影響分析（B B點）點）)()()(1)()()1()(LhSAFAFShsIsZsGsZsGsZsI )()()(1)()()1()(LhSAFASFhsIsZsGsZsGsZsI 電網(wǎng)的諧波電流分量電網(wǎng)的諧波電流分量：無源濾波器諧波電流分量：無源濾波器諧波電流分量：幅頻幅頻特性特性27不同檢測點對系統(tǒng)特性的影響分析（不同檢測點對系統(tǒng)特性的影響分析（B B點）點）補償系數(shù)取補償系數(shù)取0.80.8時補償效果仿真波形時補償效果仿真

12、波形 補償系數(shù)取補償系數(shù)取1 1時補償效果仿真波形時補償效果仿真波形 混合濾波系統(tǒng)對負載諧波電流補償特性的仿真結(jié)果混合濾波系統(tǒng)對負載諧波電流補償特性的仿真結(jié)果 28不同檢測點對系統(tǒng)特性的影響分析（不同檢測點對系統(tǒng)特性的影響分析（B B點）點）混合濾波器抑制并聯(lián)諧振仿真波形混合濾波器抑制并聯(lián)諧振仿真波形 補償系數(shù)取補償系數(shù)取0.80.8時有源濾波器時有源濾波器抑制并聯(lián)諧振仿真波形抑制并聯(lián)諧振仿真波形 補償系數(shù)取補償系數(shù)取1 1時有源濾波器時有源濾波器抑制并聯(lián)諧振仿真波形抑制并聯(lián)諧振仿真波形 29不同檢測點對系統(tǒng)特性的影響分析（B點）只考慮電網(wǎng)電壓畸變的情況只考慮電網(wǎng)電壓畸變的情況)()(1 )(

13、1)(ShSAFAShsUZsGZsGsI 無源濾波器諧波電流分量：無源濾波器諧波電流分量：)()(11)(ShSAFFhsUZsGZsI 電網(wǎng)諧波電流分量電網(wǎng)諧波電流分量：30不同檢測點對系統(tǒng)特性的影響分析（不同檢測點對系統(tǒng)特性的影響分析（B B點）點）混合濾波器抑制串聯(lián)諧振仿真波形混合濾波器抑制串聯(lián)諧振仿真波形 補償系數(shù)取補償系數(shù)取0.80.8有源濾波器有源濾波器抑制串聯(lián)諧振仿真抑制串聯(lián)諧振仿真有源濾波器和無源濾波器諧振仿真有源濾波器和無源濾波器諧振仿真31電流檢測點位于電流檢測點位于B點點對對并聯(lián)諧振并聯(lián)諧振抑制情況分析（抑制情況分析（補償前）補償前）不同檢測點對系統(tǒng)特性的影響分析（不同

14、檢測點對系統(tǒng)特性的影響分析（B B點）點）僅投入非線性負載時的實驗波形僅投入非線性負載時的實驗波形 非線性負載和無功補償電容器非線性負載和無功補償電容器均投入后的實驗波形均投入后的實驗波形 32不同檢測點對系統(tǒng)特性的影響分析（不同檢測點對系統(tǒng)特性的影響分析（B B點）點）傳統(tǒng)的只檢測傳統(tǒng)的只檢測B點電流控制策略點電流控制策略 電流檢測點位于電流檢測點位于B點點對對并聯(lián)諧振并聯(lián)諧振抑制情況分析（抑制情況分析（補償后）補償后）33不同檢測點對系統(tǒng)特性影響總結(jié)（不同檢測點對系統(tǒng)特性影響總結(jié)（B B點）點） 并入式混合型并聯(lián)濾波器采用檢測無源濾波器后諧波電并入式混合型并聯(lián)濾波器采用檢測無源濾波器后諧波

15、電流的控制方法主要有以下特點：流的控制方法主要有以下特點：混合濾波器可以補償電網(wǎng)中由負載產(chǎn)生的諧波電流，但混合濾波器可以補償電網(wǎng)中由負載產(chǎn)生的諧波電流，但補償系數(shù)取值接近補償系數(shù)取值接近1 1時，無源濾波器補償?shù)恼{(diào)諧頻率諧時，無源濾波器補償?shù)恼{(diào)諧頻率諧波電流較少，有源濾波器的容量沒有有效減小。波電流較少，有源濾波器的容量沒有有效減小。有源電力濾波器對無源濾波器和電網(wǎng)之間的并聯(lián)諧振有有源電力濾波器對無源濾波器和電網(wǎng)之間的并聯(lián)諧振有抑制作用。抑制作用。有源電力濾波器可以抑制由電網(wǎng)電壓畸變產(chǎn)生的無源濾有源電力濾波器可以抑制由電網(wǎng)電壓畸變產(chǎn)生的無源濾波器與電網(wǎng)之間的串聯(lián)諧振。波器與電網(wǎng)之間的串聯(lián)諧振。

16、當電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變時，采用該控制方法，有源電力濾當電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變時，采用該控制方法，有源電力濾波器和無源濾波器之間存在著諧振的可能。波器和無源濾波器之間存在著諧振的可能。34 基于電網(wǎng)電壓基于電網(wǎng)電壓Ush和和A點電流檢測的點電流檢測的PAPF復合控制方法復合控制方法基于網(wǎng)壓基于網(wǎng)壓U Ushsh和和B B點電流檢測的復合控制方法點電流檢測的復合控制方法CShPAPFLhShCSVSCS( )11( )1( )( )( )( )( ) 1Z ( )( )( )ZsIsGsIsUsZsZ sksZsZ s35基于網(wǎng)壓基于網(wǎng)壓U Ushsh和和B B點電流檢測的復合控制方法點電流檢測的復合控制方

17、法 檢測電網(wǎng)電壓檢測電網(wǎng)電壓Ush和和B點電流的復合控制方法系統(tǒng)特性分析點電流的復合控制方法系統(tǒng)特性分析 36系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖 由圖中不同曲線對應的相位裕量可以看出，采用檢測由圖中不同曲線對應的相位裕量可以看出，采用檢測B點電流點電流控制方法時，隨著電壓通道補償系數(shù)的增加，系統(tǒng)的穩(wěn)定性越來越控制方法時，隨著電壓通道補償系數(shù)的增加，系統(tǒng)的穩(wěn)定性越來越好；隨著電容值的變化，系統(tǒng)沒有出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。好；隨著電容值的變化，系統(tǒng)沒有出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。 基于網(wǎng)壓基于網(wǎng)壓U Ushsh和和B B點電流檢測的復合控制方法點電流檢測的復合控制方法 檢測電網(wǎng)電壓和檢測電網(wǎng)電壓和B點電

18、流的復合控制方法系統(tǒng)特性分析點電流的復合控制方法系統(tǒng)特性分析 37系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖 基于網(wǎng)壓基于網(wǎng)壓U Ushsh和和B B點電流檢測的復合控制方法點電流檢測的復合控制方法 檢測電網(wǎng)電壓和B點電流的復合控制方法系統(tǒng)特性分析 當電流檢測點位于當電流檢測點位于B點時，給點時，給PAPF并聯(lián)電阻后，可以使原來并聯(lián)電阻后，可以使原來不穩(wěn)定的系統(tǒng)變得穩(wěn)定，同時有良好的補償效果。不穩(wěn)定的系統(tǒng)變得穩(wěn)定，同時有良好的補償效果。 SACVLASCSV1(1)1(1)ZIG ZKGIG ZZK38基于網(wǎng)壓基于網(wǎng)壓U Ushsh和和B B點電流檢測的復合控制方法點電流檢測的復合控制方法

19、電流檢測點位于電流檢測點位于B并聯(lián)諧振并聯(lián)諧振只檢測只檢測B點電流控制方法點電流控制方法 檢測電網(wǎng)電壓和檢測電網(wǎng)電壓和B點電流控制方法點電流控制方法 采用只檢測采用只檢測B點電流控制方法點電流控制方法時，系統(tǒng)不穩(wěn)定；采用檢測電網(wǎng)電時，系統(tǒng)不穩(wěn)定；采用檢測電網(wǎng)電壓和壓和B點電流的復合控制方法可以點電流的復合控制方法可以很好的抑制系統(tǒng)并聯(lián)諧振。很好的抑制系統(tǒng)并聯(lián)諧振。39基于網(wǎng)壓基于網(wǎng)壓U Ushsh和和B B點電流檢測的復合控制方法點電流檢測的復合控制方法 電流檢測點位于電流檢測點位于B串聯(lián)諧振串聯(lián)諧振 采用只檢測采用只檢測B點電流控制方法點電流控制方法時，系統(tǒng)不穩(wěn)定；采用檢測電網(wǎng)電時，系統(tǒng)不穩(wěn)

20、定；采用檢測電網(wǎng)電壓和壓和B點電流的復合控制方法可以點電流的復合控制方法可以抑制串聯(lián)諧振。抑制串聯(lián)諧振。ShShSVAC( )11( )( )1( )( )IsUsZ skGsZs40電流檢測點位于電流檢測點位于B點點對對并聯(lián)諧振并聯(lián)諧振抑制情況分析（抑制情況分析（補償前）補償前）基于網(wǎng)壓基于網(wǎng)壓U Ushsh和和B B點電流檢測的復合控制方法點電流檢測的復合控制方法僅投入非線性負載時的實驗波形僅投入非線性負載時的實驗波形 非線性負載和無功補償電容器非線性負載和無功補償電容器均投入后的實驗波形均投入后的實驗波形 41基于網(wǎng)壓基于網(wǎng)壓U Ushsh和和B B點電流檢測的復合控制方法點電流檢測的復

21、合控制方法檢測電網(wǎng)電壓和檢測電網(wǎng)電壓和B點負載電流點負載電流控制策略控制策略 只檢測只檢測B點電流控制策略點電流控制策略 電流檢測點位于電流檢測點位于B點點對對并聯(lián)諧振并聯(lián)諧振抑制情況分析（抑制情況分析（補償后）補償后）42電流檢測點位于電流檢測點位于B點點對對串聯(lián)諧振串聯(lián)諧振抑制情況分析抑制情況分析基于網(wǎng)壓基于網(wǎng)壓U Ushsh和和B B點電流檢測的復合控制方法點電流檢測的復合控制方法非線性負載和無功補償電容器均非線性負載和無功補償電容器均投入，補償前實驗波形投入，補償前實驗波形檢測電網(wǎng)電壓和檢測電網(wǎng)電壓和B點負載電流控點負載電流控制策略，補償后實驗波形制策略，補償后實驗波形 43綜合考慮有

22、源、無源及電網(wǎng)特性的系統(tǒng)層面問題綜合考慮有源、無源及電網(wǎng)特性的系統(tǒng)層面問題檢測檢測A點電流控制方法：系統(tǒng)屬于開環(huán)控制，不存在穩(wěn)定性問題，點電流控制方法：系統(tǒng)屬于開環(huán)控制，不存在穩(wěn)定性問題，可以有效補償電網(wǎng)中由負載產(chǎn)生的諧波電流。實際系統(tǒng)中，由于電可以有效補償電網(wǎng)中由負載產(chǎn)生的諧波電流。實際系統(tǒng)中，由于電容器安裝組數(shù)較多，且位置分散靈活，容器安裝組數(shù)較多，且位置分散靈活，A點的電流很難通過檢測得點的電流很難通過檢測得到，該方法應用受限。到，該方法應用受限。檢測檢測B點電流控制方法：系統(tǒng)屬于閉環(huán)控制，當點電流控制方法：系統(tǒng)屬于閉環(huán)控制，當PAPF補償所有次補償所有次諧波時，容易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，補償系統(tǒng)存在著穩(wěn)定性和補償效果諧波時，容易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，補償系統(tǒng)存在著穩(wěn)定性和補償效果