有源濾波技術(shù)及工程應(yīng)用

1、【文章編號(hào)】1007-9467(200907-0059-03有源濾波技術(shù)及工程應(yīng)用程全紅(中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京100040【摘要】隨著用電系統(tǒng)中非線性負(fù)載和沖擊性負(fù)載的廣泛應(yīng)用,電網(wǎng)中的諧波問(wèn)題日益嚴(yán)重。文章簡(jiǎn)單的闡述了有源濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀、特點(diǎn)、選型及其應(yīng)用案例,并對(duì)有源濾波技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展前景作了一定的描述?！娟P(guān)鍵詞】有源濾波器;電能質(zhì)量;諧波【中圖分類號(hào)】TU855【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】AActive PowerFilterTechnologyAndItsApplicationCHENGQuan-hong(China railwayconstructiongroupco.,ltd.Beij

2、ing100040,China【Abstract】With the wide application of high power electronic switches in power system,the problem of quality of power supply becomes more serious.This paper makes a comparison between the passive filters and active power filters,introduces the classifications, operation principles and

3、 new trends of the active power filters,and the prospectsofthe applicationofactive powerfiltersinChina.【Keywords】active powerfilter;powerquality;harmonics 近年來(lái),配電網(wǎng)中整流器、變頻調(diào)速裝置、電弧爐、電氣化鐵路以及各種電力電子設(shè)備不斷增加。這些負(fù)荷的非線性、沖擊性和不平衡的用電特性,對(duì)供電質(zhì)量造成嚴(yán)重污染。另一方面,現(xiàn)代工業(yè)、商業(yè)及居民用戶的用電設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量更加敏感,對(duì)供電質(zhì)量提出了更高的要求。僅依靠過(guò)去無(wú)源濾波技術(shù)治理諧波已不能滿足要求

4、,研究和開發(fā)適應(yīng)這一要求的新技術(shù)已成為近年來(lái)電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域中的新熱點(diǎn)。對(duì)此,國(guó)外提出了“用戶電力技術(shù)”(Custom Power的新概念,即利用電力電子控制器來(lái)提高配電網(wǎng)供電可靠性及電能質(zhì)量。由于諧波是影響電能質(zhì)量的最主要因素,因此有源濾波(APF利用電力電子控制器來(lái)抑制諧波也是Custom Power技術(shù)實(shí)施的主要手段之一,利用有源濾波這一新技術(shù)對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行綜合電能質(zhì)量補(bǔ)償必將會(huì)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。1有源濾波的發(fā)展、特點(diǎn)及其基本原理采用電力濾波裝置就近吸收諧波源所產(chǎn)生的諧波電流,是抑制諧波污染的有效措施。進(jìn)入80年代以后,隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,大功率可關(guān)斷器件(GTR,GTO,IGB

5、T等的不斷進(jìn)步,以及對(duì)非正弦條件下無(wú)功功率補(bǔ)償理論的深入研究,特別是瞬時(shí)無(wú)功理論的提出,為有源濾波技術(shù)APF的實(shí)用化提供了必要的條件,使之在工業(yè)上得到了廣泛運(yùn)用。有源濾波技術(shù)(APF具有高度可控性和快速響應(yīng)性。其具體特點(diǎn)是:不僅能補(bǔ)償各次諧波,還可抑制閃變、補(bǔ)償無(wú)功,有一機(jī)多能的特點(diǎn),在性價(jià)比上較為合理;濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響,可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn);具有自適應(yīng)功能,可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波。與無(wú)源濾波器相比較而言,盡管有源濾波技術(shù)(APF有著巨大技術(shù)優(yōu)勢(shì),但目前要想在電力系統(tǒng)中完全取代無(wú)源濾波器還不太現(xiàn)實(shí)。這是因?yàn)榕c無(wú)源濾波器相比,APF的成本較高,這一點(diǎn)是限制APF推廣使用的

6、關(guān)鍵。隨著電力電子工業(yè)的發(fā)展,器件的性價(jià)比將不斷提高,APF必然會(huì)得到廣泛應(yīng)用。有源濾波器系統(tǒng)構(gòu)成主要由兩大部分組成:指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路,其中補(bǔ)償電流發(fā)生電路由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路三部分構(gòu)成。APF是運(yùn)用瞬時(shí)濾波形成技術(shù),對(duì)包公用工程設(shè)計(jì)Public Utilities Design59含諧波和無(wú)功分量的非正弦波進(jìn)行“矯正”,這與基于穩(wěn)態(tài)頻譜的“濾波”概念已有很大的不同,而類似于自適應(yīng)濾波技術(shù)中的“干擾抵消器”。因此,電力有源濾波器有很快的響應(yīng)速度,對(duì)變化的諧波和無(wú)功功率都能實(shí)施動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,并且其補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗參數(shù)影響較小。2有源濾波器的選擇方法2.1有源濾波器

7、三相三線和三相四線的選擇三相四線制系統(tǒng)與三相三線制系統(tǒng)的區(qū)別在于三相四線制系統(tǒng)存在零線,因而用于三相四線制系統(tǒng)中的有源電力濾波器與用于三相三線制中的相比,根本的區(qū)別在于對(duì)三相電流中零序分量的處理。就一般而言,三相四線制系統(tǒng)適用于商業(yè)建筑混合型負(fù)載,如:熒光燈、電子鎮(zhèn)流器、電腦、電梯、空調(diào)等。三相三線制系統(tǒng)適用于工業(yè)型大容量負(fù)載,如:整流器、變頻器、大型UPS 、中頻爐、電弧爐等。2.2確定有源電力濾波器的容量1通過(guò)對(duì)電網(wǎng)的實(shí)測(cè),得出諧波電流的大小,例如測(cè)得某系統(tǒng)中總的電流畸變率為25%,總電流為1000A ,則總諧波電流為1000A ×25%=250A ,如按1.25倍的諧波裕度計(jì)算

8、,即250A ×1.25=312A ,可以選用容量為300A 的有源濾波器(諧波電流測(cè)試設(shè)備為FLUCK 、CA 、HIOKI 及其它有關(guān)專業(yè)電能質(zhì)量測(cè)試儀。2如果是增加新負(fù)載或新設(shè)計(jì),則需要對(duì)有源電力濾波器容量進(jìn)行估算。重要的是對(duì)非線性負(fù)載的估算,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),變頻器和UPS 以及一般二極管構(gòu)成三相整流橋式電源,其總電流畸變率一般在25%35%之間,特殊的可能有45%左右,因此根據(jù)這類負(fù)載的額定電流值可計(jì)算出諧波電流。諧波電流=負(fù)載額定電流×25%35%3如果是多臺(tái)此類負(fù)載并聯(lián)運(yùn)行,可按均方根方法計(jì)算其總諧波電流值。總諧波電流值=I 12+I 22+I n2姨I 1為第一臺(tái)非

9、線性負(fù)載的諧波電流,A ;I 2為第二臺(tái)非線性負(fù)載的諧波電流,A ;I n 為第n 臺(tái)非線性負(fù)載的諧波電流,A 。3有源濾波器應(yīng)用工程案例在廈門某鐵路段1號(hào)母線段和2號(hào)母線段安裝了兩臺(tái)三相四線有源電力濾波器,兩臺(tái)變壓器容量都是1250kV·A ,負(fù)載最大電流為1500A 左右,在負(fù)載的電網(wǎng)側(cè)存在較大的諧波電流,當(dāng)負(fù)載以80%左右額定負(fù)荷輸出(1200A/380V 時(shí),流入電網(wǎng)電流的畸變率為30%,電壓畸變率為12%,主要是存在3、5、7、11、13、17、19次特征次諧波。有源電力濾波器容量為300A ,投入運(yùn)行后,對(duì)濾除系統(tǒng)中的諧波電流有顯著作用,使流入電網(wǎng)的電流波形得到明顯改善,

10、電網(wǎng)電流的諧波畸變率由原來(lái)的30%下降到3%,其中各次電流相對(duì)于基波的含量均在2%以下。電網(wǎng)的電壓波形也得到明顯改善,總的電壓畸變率也由原來(lái)的12%下降到1.5%,其中各次電壓相對(duì)于基波的含量均在0.5%以下,起到了明顯的濾波效果,達(dá)到了濾除諧波的目的(見(jiàn)圖1圖6。圖1未使用有源濾波器前A 相電流和電流的傅立葉分析圖2使用有源濾波器后A 相電流和電流的傅立葉分析公用工程設(shè)計(jì)Public Utilities Design60圖3未使用有源濾波器時(shí)三相電流畸變率接近30%圖4使用有源濾波器之后三相電流畸變率降為3.2%。圖5未使用有源濾波器前三相電壓畸變率為12.72%。4結(jié)語(yǔ)有源濾波器作為改善供

11、電質(zhì)量的一項(xiàng)關(guān)鍵技圖6使用有源濾波器之后三相電流畸變率降為1.52%。術(shù),在日本、美國(guó)、德國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已得到了高度重視和日益廣泛的應(yīng)用。目前,世界上有源濾波技術(shù)(APF 的主要生產(chǎn)廠家有日本三菱電機(jī)公司、美國(guó)西屋電氣公司、德國(guó)西門子公司等,在國(guó)內(nèi)主要有上海卓能電氣公司等。據(jù)介紹,自1981年以來(lái),僅在日本,已有500多臺(tái)APF 投入運(yùn)行,容量范圍由50kV ·A 到60MV ·A 。隨著我國(guó)對(duì)電網(wǎng)諧波污染治理日益重視,“綠色電力電子”的呼聲愈來(lái)愈高,電力有源濾波器必然會(huì)得到廣泛地推廣應(yīng)用,給我國(guó)電力工業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。【參考文獻(xiàn)】【1】姜齊榮,趙東元,陳建業(yè).有源電力濾波器M.北京:科學(xué)出版社,2005.【2】胡銘,陳