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2018-02-15 19:50:27

有源电力滤波器工作原理

随着电力电子器件的广泛应用,非线性负荷日益增加,电能质量问题日益严重,有源电力波器(Active Power Filter,APF)是一种用于动态抑制电力系统谐波,补偿无功功率的新型电力电子装置,下面佩德雷特介绍一下有源电力滤波器的工作原理和基本类型,阐述 APF 的谐波检测方法及控制策略,并展望一下APF 的未来发展及应用前景。



近些年来,配电网中整流装置、变频调速装置、工业电源以及各种电力电子装置不断曾加,造成了负荷的非线性、不平衡性使得电力系统的电压、电流发生畸变,严重的影响了供电质量。因此,解决电力系统中谐波和无功问题,提高电网供电质量变得越来越成为我们不能忽的问题。


由于电力电子的发展,对供电质量提出更高的要求。而传统的谐波抑制和无功补偿主要是采用LC滤波器,它由于结构简单、成本低、技术成熟广泛应用工业生产中。但由于自身也有一定的缺点,在应用中产生了诸多的问题。电力电子技术的发展,人们提出了有效抑制谐波和补偿无功的有源电力滤波器。与无源滤波器相比,APF 具有高度可控性和快速响应特性,并且能跟踪补偿各次谐波、自动产生所需变化的无功功率,其特性不受系统影响,无谐波放大威胁,是一种能够有效的抑制谐波和补偿无功功率的新型电力电子装置随着 APF 在我国的不断推广应用,也带来了巨大的经济利益和社会利益。


有源滤波概述


有源滤波器工作原理

图 1 是最基本的APF系统结构原理图,非线性负载为谐波源,其中下面部分是APF。

有源电力滤波器工作原理(图1)

图 1 APF系统结构原理图

有系统结构图可以看出,APF 系统包含两大部分,即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。目前主电路的拓扑结构均采用的 PWM 变流器。图示的 APF的基本工作原理是:检测补偿对象的电压电流,经过指令电流运算环节计算得出补偿电流的指令信号,驱动控制回流根据指令信号产生PWM 脉冲作用于变流器的开关器件,使其产生与谐波和无功电流大小相同、方向相反的补偿电流,使电网电流波形趋于正弦波,达到补偿的目的。


APF的分类


根据不同的分类标准,APF可以分成很多的类型,介于目前主要采用直流侧接有大电容的电压型逆变器,APF主要分成串联型和并联型以及与LC无缘滤波混合使用的混合型。

(1)串联型APF

图2 是串联型APF 结构图,串联型APF 利用耦合变压器将APF 串接与电路中,由于流过很高的负载电流,使得损耗较大,且其安装、投切、故障后的退出及各种保护电路也比较负载,在实际的应用中较少。

有源电力滤波器工作原理(图2)


串联型APF 结构图



(2)并联型APF

图3 是并联型APF 结构图,与串联型相比是目前实际应用较广泛的一种结构,其补偿对象灵活,可以对谐波电流、无功、不平衡电流同时进行补偿。

有源电力滤波器工作原理(图3)

3并联型APF 结构图

(3)混合型APF

并联型APF在实际应用十分广泛,但是,其单独使用时,APF要承受基波电源电压,就要求逆变器容量较大,使得其成本增大。因此,为了降低成本,常与LC混合使用。它利用LC无源滤波器分担大部分的补偿任务,以减小APF 的容量,而利用APF来改善混合滤波器的滤波效果。混合型APF既克服了APF容量大,成本高的缺点,又可使整个滤波系统获得良好的补偿性。

补偿电流的检测方法

谐波和无功功率信号检测是APF控制的基础,APF系统首先要通过检测环节获取电网的电压、电流等信号,然后通过检测算法来计算出谐波和无功分量。

1模拟滤波器检测方法

早期的谐波检测都是基于频域理论,采用模拟滤波原理实现的。该方法实现电路简单、输出阻抗低、经济且品质因素容易控制。

有源电力滤波器工作原理(图4)

带通滤波器检测方法

图中是以基波频率 50HZ 电流检测出来,从而计算出谐波分量。但是该方法受外界环境影响大,检测精度低,仅能对少量谐波进行检测,如要检测多次谐波分量,实现电路将变得复杂,设计上存在很大困难。

2 基于Fryze时域分析法

这种方法根据采集到的一个周期的电流值进行计算得出所需的谐波进和无功电流。由于需要一定时间的电流值,且需进行两次变换,计算量大,从而使得检测结果又较长的延迟,实时性不好。

3 基于频域分析的 FFT 法

该方法建立在傅里叶分析的基础山,要求倍补偿的波形是周期变化的。通过FFT 变换将检测到的一个周期的谐波信号进行分析得出各次谐波幅值和相位系数,再将抵消的谐波分量进行FFT反变换,可得到补偿信号。其有点是可以选择拟消除的谐波次数,但具有较长时间的延迟,实时性较差。

4瞬时无功功率检测方法

基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法是目前应用最广泛的一种检测方法,是1983年有日本学者H.Akagi提出的。该方法在只检测无功电流时,可以完全无延时地得出检测结果。在检测谐波电流时延迟时间最多不会超过一个电源周期。可见,该方法具有很的实时性。设三相电路各相电压瞬时值为ea、eb、ec,电流瞬时值为ia、ib、ic 分别进行3-2 变换,变

有源电力滤波器工作原理(图5)

有源电力滤波器工作原理(图6)


有源滤波器的控制方法

三角波载波调制法

该方法是将调制后的实际补偿电流ic与电流指令信号ic*的偏差信号△ic经放大器K 放大后,与高频三角波进行实时比较,从而的得到不同时刻逆变器的开关状态。

有源电力滤波器工作原理(图7)

三角波调制法

滞环控制

滞环电流控制HCC (Hysteresis Current Control)是目前应用最广泛的一种非线性闭环电流控制方法。它利用滞环比较器形成一个以给定电流为中心的死区或滞环,通过反馈电流与给定电流的滞环比较误差来控制。

有源电力滤波器工作原理(图8)

6滞环控制原理图


逆变器的开关动作。滞环控制具有动态响应速度快、鲁棒性好的特点,而且对负载的适应能力强,输出电压中不含特定频率的谐波分量。但是开关频率、损耗以及控制精度都受置换宽度的影响。

单周控制

单周控制OCC(One-Cycle Control)是一种非线性控制法,最早由美国学者K.M. Smedley和S.Cuk 提出。其基本思想是:控制开关占空比,在每个周期内使逆变器开关变量的平均值与控制参考值相等或成一定比例,从而消除稳态和瞬态误差。它具有反应快、控制精度高、控制电路简单、特别是具有控制性能对系统参数变化不敏感等优点。

空间矢量控制

空间矢量控制SVC(Space Vector Control)是建立在交流异步电机磁场理论基础上的一种控制策略,开始时其使用范围仅仅局限于电机应用场合,但现在它已发展成一种能够普遍应用的PWM 技术。它是将三相整流器件作为一个整体来考虑,通过控制与参考矢量最接近的三个开关矢量组合的作用时间,使一个控制周期内开关矢量输出的平均效果与参考矢量相等;其基本思想是在矢量空间中用有限的静止矢量去合成和跟踪调制波的空间旋转矢量,使合成的空间矢量含有调制波的信息。

自适应控制

自适应控制系统(Adaptive Control System)可分为模型参考自适应控制系统和自校正控制系统。模型参考自适应控制系统中参考模型的输出反映了设计者对被控对象的输出的要求,调节机构根据某种设计准则来调节可调控制器的参数,使参考模型的输出和对象的输出之误差趋于零。


佩德雷特有源滤波器产品优势:

■控制架构先进、运算能力强大

采用DSP+FPGA+ARM的多核数字控制架构,充分利用FPGA的硬件并行处理优势及DSP数字信号处理能力,极大的提高了控制系统的计算处理能力和响应速度。

■模块化设计,安装方便

采用模块化设计,结构紧凑、独特的散热通道散热效果好,接线简单,大大节省了装配时间及空间。

■接线方式灵活

具备相序自适应功能,接线时无需区分A/B/C三相相序,简化安装流程;系统电流互感器既可以位于系统侧也可以位于电源侧,降低改造难度。

■三电平技术

采用三电平拓扑结构,硬件配置更加合理,大大降低了抽屉式有源滤波器的体积及损耗,符合电网节能降耗的发展方向。

■多种工作模式并行

设有不平衡电流补偿、谐波滤除及无功补偿三种工作模式,且可依据优先级设置将三种工作模式自由组合。