電能質(zhì)量分析 有源濾波綜述

有源電力濾波器的發(fā)展?fàn)顩r西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院12/27/2023第1頁西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心有源電力濾波器的發(fā)展?fàn)顩r1諧波和無功功率的基本理論2有源電力濾波器的基本原理3APF的功能和特點(diǎn)4APF發(fā)展簡(jiǎn)史5APF的分類6APF的控制7APF的應(yīng)用情況8APF的發(fā)展趨勢(shì)12/27/20232西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心1諧波和無功功率的基本理論諧波的基本概念基波——頻率與工頻相同的分量稱為諧波——頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量諧波次數(shù)——諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比諧波高次諧波低次諧波12/27/20233西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心1)諧波產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的使用效率，大量的3次諧波流過中線時(shí)會(huì)使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)。2)諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴(yán)重過熱。諧波使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短以至損壞。3)諧波會(huì)引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，這就使上述(1)和(2)的危害大大增加，甚至引起嚴(yán)重事故。4)

諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，并會(huì)使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不正確。1諧波和無功功率的基本理論12/27/20234西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心關(guān)于諧波的標(biāo)準(zhǔn)國際IEC61000-3-2IEEE519國家標(biāo)準(zhǔn)（1993年）《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，（GB/T14549-93）諧波電壓限值諧波電流限值12/27/20235西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心關(guān)于無功功率定義正弦交流電路非正弦交流電路無功功率的情況較復(fù)雜沒有廣泛接受的科學(xué)權(quán)威的定義基波因數(shù)位移因數(shù)（目前被廣泛接受）不考慮電壓畸變時(shí)12/27/20236西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心三相電路瞬時(shí)無功功率理論由H.Akagi提出本項(xiàng)目組做了深入研究并提出新見解基本定義：瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無功電流瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無功功率12/27/20237西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心瞬時(shí)無功功率理論用于諧波檢測(cè)基于p、q的檢測(cè)方法基于ip、iq的檢測(cè)方法檢測(cè)結(jié)果不受電壓畸變的影響12/27/20238西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心2有源電力濾波器的基本原理有源電力濾波器——ActivePowerFilter，縮寫APF12/27/20239西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心3APF的功能和特點(diǎn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償可同時(shí)補(bǔ)償諧波和無功所需貯能元件容量不大適當(dāng)控制可保證不會(huì)發(fā)生過載不易受電網(wǎng)阻抗的影響不受電網(wǎng)頻率變化的影響既可單獨(dú)補(bǔ)償，也可集中補(bǔ)償12/27/202310西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心4APF發(fā)展簡(jiǎn)史1969年B.M.Bird和J.F.Marsh論文APF思想萌芽1971年H.Sasaki和T.Machida論文完整描述了APF的基本原理1976年L.Gyugyi等提出了采用PWM變流器構(gòu)成的APF確立APF的概念確立了APF主電路基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法12/27/202311西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心4APF發(fā)展簡(jiǎn)史（續(xù)）80年代，幾大因素促成APF的迅速發(fā)展和應(yīng)用：電力電子器件的迅速發(fā)展PWM控制技術(shù)的發(fā)展瞬時(shí)無功功率理論的提出90年代出現(xiàn)更多的系統(tǒng)構(gòu)成方式應(yīng)用的迅速擴(kuò)展12/27/202312西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心5APF的分類按系統(tǒng)構(gòu)成方式分類12/27/202313西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心5APF的分類（續(xù)）APF按照主電路性質(zhì)分類電壓型電流型使用的器件IGBTGTO12/27/202314西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心6APF的控制6.1用于APF的諧波檢測(cè)方法6.2并聯(lián)型APF的控制方式6.3用于APF的PWM跟蹤控制方法6.4電壓型APF的直流側(cè)電壓控制12/27/202315西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心6.1用于APF的諧波檢測(cè)方法基于瞬時(shí)無功功率理論的檢測(cè)方法時(shí)域方法基于傅立葉變換的檢測(cè)方法頻域方法FFT、DFT及改進(jìn)方法12/27/202316西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心6.2并聯(lián)型APF的控制方式檢測(cè)負(fù)載電流控制方式檢測(cè)電源電流控制方式復(fù)合控制方式12/27/202317西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心6.3用于APF的PWM跟蹤控制方法補(bǔ)償電流（或電壓）的產(chǎn)生采用PWM跟蹤控制滯環(huán)比較的跟蹤控制方法三角波比較的跟蹤控制方法定時(shí)控制的瞬時(shí)比較跟蹤控制12/27/202318西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心6.4電壓型APF的直流側(cè)電壓控制保證APF正常工作所必須并聯(lián)型：通過有功電流分量進(jìn)行控制12/27/202319西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心7APF的應(yīng)用情況APF在日本、歐美已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用日本：從1983年到1995年，共有455套

1991年至1995年355套以下以日本為例進(jìn)行介紹(參考1997年日本電氣學(xué)會(huì)的報(bào)告)12/27/202320西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心7.1生產(chǎn)臺(tái)數(shù)和容量統(tǒng)計(jì)1991至1995年的355臺(tái)12/27/202321西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心7.2應(yīng)用的行業(yè)情況共調(diào)查了1991年~1995年間的343臺(tái)12/27/202322西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心7.3使用的類型大多為并聯(lián)型主電路多為電壓型12/27/202323西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心7.4諧波的檢測(cè)方式按照檢測(cè)點(diǎn)和檢測(cè)量的不同，主要有3種檢測(cè)負(fù)載電流檢測(cè)電源電流檢測(cè)電源電壓大多數(shù)采用負(fù)載電流檢測(cè)方式12/27/202324西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心7.5其他功能除補(bǔ)償諧波電流外，還可具有如下功能可補(bǔ)償基波無功平衡三相電壓抑制電壓閃變等355臺(tái)設(shè)備中有76臺(tái)（21%）附有補(bǔ)償基波無功的功能12/27/202325西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心7.6.1有源和無源濾波器混合使用的必要性單獨(dú)使用無源濾波器的特點(diǎn)：成本低、易實(shí)現(xiàn)。補(bǔ)償效果欠佳。易與系統(tǒng)發(fā)生諧振。單獨(dú)使用APF的特點(diǎn)：可以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償諧波，補(bǔ)償效果好。投資大、成本高。因此將二者結(jié)合起來，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，無疑是一種好的選擇。7.6與LC無源濾波器混合使用情況12/27/202326西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心(a)串聯(lián)型有源濾波器和無源濾波器的結(jié)合7.6與LC無源濾波器混合使用情況7.6.2有源與無源濾波器混合使用的結(jié)合方式

12/27/202327西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心

(b)并聯(lián)型有源濾波器和無源濾波器的結(jié)合7.6與LC無源濾波器混合使用情況7.6.2有源與無源濾波器混合使用的結(jié)合方式

12/27/202328西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心(c)有源濾波器串入無源濾波支路的結(jié)合方式(1)7.6與LC無源濾波器混合使用情況7.6.2有源與無源濾波器混合使用的結(jié)合方式

12/27/202329西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心7.6與LC無源濾波器混合使用情況7.6.2有源與無源濾波器混合使用的結(jié)合方式

(d)有源濾波器串入無源濾波支路的結(jié)合方式(2)12/27/202330西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心7.6.3結(jié)合方式（C）中APF的控制方法

對(duì)右圖列節(jié)點(diǎn)電流方程得從中可以看出，要想減小電網(wǎng)側(cè)的諧波可以有兩種方法。僅用PF時(shí)的諧波等效電路7.6與LC無源濾波器混合使用情況(1)僅用PF時(shí)的諧波等效電路12/27/202331西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心(2)APF+PF諧波等效電路對(duì)kl

、ks

分別獨(dú)立控制，就可以達(dá)到優(yōu)化控制的目的。諧波等效電路由左圖列節(jié)點(diǎn)電流方得7.6.3結(jié)合方式（C）中APF的控制方法

7.6與LC無源濾波器混合使用情況12/27/202332西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心7.6與LC無源濾波器混合使用情況7.6.4結(jié)合方式（C）的特點(diǎn)和APF的作用

特點(diǎn)：

APF不承受基波電壓，只承受諧波電壓；

APF要承受需補(bǔ)償?shù)娜炕o功電流和諧波電流；

APF的容量約占被補(bǔ)償非線性負(fù)載容量的3%~5%;

即使APF發(fā)生故障，可由旁路開關(guān)旁路，無源濾波器可繼續(xù)正常工作。

12/27/202333西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心7.6與LC無源濾波器混合使用情況7.6.4結(jié)合方式（C）的特點(diǎn)和APF的作用

APF的作用：改善了無源濾波器的濾波性能；徹底消除了系統(tǒng)諧振的可能性，增強(qiáng)了無功補(bǔ)償與濾波系統(tǒng)的安全可靠性；可抑制背景諧波的影響（背景諧波嚴(yán)重時(shí)，純無源濾波器無法正常有效的工作）。12/27/202334西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心7.6.5結(jié)合方式（d）中APF的控制方法

對(duì)右圖列節(jié)點(diǎn)電流方程得從中可以看出，要想減小電網(wǎng)側(cè)的諧波可以有兩種方法。僅用PF時(shí)的諧波等效電路7.6與LC無源濾波器混合使用情況(1)僅用PF時(shí)的諧波等效電路12/27/202335西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心(2)APF+PF諧波等效電路結(jié)合上述兩種控制思想的優(yōu)點(diǎn)對(duì)

kl

、ks分別獨(dú)立控制，就可以達(dá)到優(yōu)化控制的目的。諧波等效電路由左圖列節(jié)點(diǎn)電流方得7.6.5結(jié)合方式（d）中APF的控制方法

7.6與LC無源濾波器混合使用情況12/27/202336西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心7.6與LC無源濾波器混合使用情況7.6.6結(jié)合方式（d）的特點(diǎn)和APF的作用特點(diǎn)：

APF不承受諧波電壓，只承受少許基波電壓（<1%的母線電壓）；

APF只承受需濾除的諧波電流，不承受基波無功電流；

APF的容量約占被補(bǔ)償非線性負(fù)載容量的1%以下（具體數(shù)值取決于負(fù)載情況和補(bǔ)償目標(biāo)）;

即使APF發(fā)生故障，APF內(nèi)部熔斷器熔斷，自動(dòng)從系統(tǒng)中切除，無源濾波器可繼續(xù)正常工作。

12/27/202337西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心7.6與LC無源濾波器混合使用情況7.6.6結(jié)合方式（d）的特點(diǎn)和APF的作用APF的作用：改善了無源濾波器的濾波性能；徹底消除了系統(tǒng)諧振的可能性，增強(qiáng)了無功補(bǔ)償與濾波系統(tǒng)的安全可靠性；可抑制背景諧波的影響。12/27/202338西安交通大學(xué)電力電子與新能源技術(shù)研究中心7.7使用的器件中小容量APF中，基本為IGBT只