有源电力滤波器的基本原理

有源电力滤波器基本原理及设备目录一. APF的系统构成4二. APF 特性6三. APF的组成和功能8四. 技术参数及规格型号10五. 经典案例13六. 谐波无功节能14七. 谐波无功治理设备的选择17有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装 置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，其应用可克服 LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点。有源电力滤波器的基本原 理如下图所示：检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿 电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与 负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。基波电潦先真电渝电河®事 Fv（电网电流=负裁电林+滤波器输出电流有源电力滤波器基本原理APF的系统构成下图为APF的系统框图。图中，eS表示交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由两大部分组成，即指令电流运算电路和 补偿电流发生电路。其中指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐 波和无功等电流分量。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的 补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流，它由电流跟踪控制电路、驱动电路 和主电路三个部分构成。主电路目前均采用PWM变流器。APFIAPF系统框图下图为APF的系统原理图。图中e a、e b、e c为交流电源，谐波电流 源为非线性负载，L sa、L sb、L sc分别代表三相的电网阻抗。而有源电力 滤波器主要由以下几部分组成，指令运算电路，电流跟踪控制电路，驱动电路以 及主电路。其中指令运算电路的主要任务是按照要求检测出负载电流中的谐波、 无功以及负序分量。电流跟踪控制电路，驱动电路以及主电路和在一起可以称为 补偿电流发生电路，它的主要作用是根据指令运算电路得出的补偿指令，产生实 际的补偿电流。主电路主要由IGBT构成的电压型PWM变流器，以及与其相连的 电感和直流侧电容组成。控制驱动电豁C三相 北线 性 负薮指令电流L 计算.46 q：APF系统原理图APF特性有源电力滤波器不仅可滤除谐波电流，还可补偿系统无功、三相不平衡的治 理等。a）滤除谐波有源电力滤波器补偿负载谐波电流成分的等效电路图如下图所示。图中下标 f和h分别表示基波成分与谐波成分。补偿谐波电流时的等效原理图从图中可以得到，电网侧的谐波电流可以写为：若电源电压没有畸变，即esh=0，只要控制有源电力滤波器的输出电流ich， 使其满足ich=iLh，即可使电网侧的谐波电流ish=0。控制有源电力滤波器的 输出电流为负载电流中指定次谐波分量，即ich二iLhn（n为谐波次数），此时 可使电网侧的指定次谐波电流ishn=0（n为谐波次数）。b）补偿无功有源电力滤波器补偿负载无功电流时的等效电路图如下图所示。图中下标p 和q分别表示有功分量与无功分量补偿无功时的等效原理图从图中可以得到，电网侧的无功电流可以表示为:只要控制有源电力滤波器的输出电流使其满足icq=iLq,即可使电网侧的无 功电流isq=0。有源电力滤波器工作时控制板输出的补偿指令和变流器的输出电流波形，可 以看出变流器的输出电流很好的跟踪了补偿指令。跟踪指令三.APF的组成和功能a）APF的组成和功能APF电路结构包括主电路、继电回路、驱动电路、电流跟踪电路和指令运算 电路。b）主电路APF主电路图主电路图主电路由断路器、PWM变流器、电解电容、滤波电容和进线电感、防雷器组 成：主电路采用三相全桥电压型PWM变流器：两组完全相同的PWM变流器公用一 组直流滤波电容母线，通过进线电抗器直接并联在一起。变流器控制采用二重化 方式，两个变流器的输出电流跟踪同一个补偿指令信号，每个变流器使用自身不 同的三角载波调制PWM驱动信号，这两个载波信号在相位上相差180度（即载波 移相控制），这样一方面通过双变流器实现了整个滤波器输出功率的提高，同时， 提高了系统等效开关频率，进而提高了滤波器补偿效果，而在同样补偿效果情况 下，功率器件IGBT的开关频率可以大为降低。同理，该方法可推广到多重化应 用，根据功率等级需要可采用三重化、四重化电路结构 电解电容用来储存直流侧能量； 滤波电容的作用的滤出直流侧的毛刺；进线电感的作用在于PWM变流器的输出电压和电网电压的差值作用其上产生补 偿电流。c）继电回路APF继电回路包括继电控制、电源系统和同步信号三部分电源系统主要是给控制系统供电，它由进线变压器、交流滤波器、开关电源、 电源板和防雷元件组成。滤波器主要是滤除进线电压的高频干扰，使得开关电源更好的工作，并且能够改善电源部分的EMI；开关电源和电源板用来提供控制系统所需要的直流电压，防雷元件用来防 止雷击，增加了装置的安全性。继电控制回路由控制系统主接交流触器、控制开关、控制继电器、显示灯、 继电板组成，继电板的主要作用是控制开关与控制系统的联系，它用来传递启 动、故障等信号。同步信号由一个同步变压器提供。d）驱动电路驱动电路由电源部分、驱动部分、保护部分组成：电源用来提供驱动模块正常工作时电源驱动部分包括驱动模块和相关的外围电路保护部分主要是检测PWM变流器的电流和温度信号，必要时停止PWM变流器e）控制系统APF控制系统 指令运算电路和电流跟踪电路组成：f）电流跟踪电路电流跟踪电路包括信号调理电路、三角波发生器、PWM信号生成电路、直流 侧过压保护电路g）指令运算电路指令运算电路主要作用是对采样数据进行计算和分析，得出指令信号。它采 用了双DSP结构，一片采用TMS320C32（32位浮点型），用于浮点计算和数据处 理；另一片采用TMS320F240，用于数据采集和大量的逻辑操作和控制。两者通过一片16kx16bit的双口 RAM进行数交换。C32运算能力强，但片内资源和I/O接口较少，逻辑处理能力弱，而F240正好相反，片内资源丰富，成本低，I/O使 用方便，但其16位的定点内核对精度和速度有一定限制，因此两者的结合可充 分发挥这两种芯片的优点。它包括A/D、CPLD、F240、C32、EPROM、双口 RAM等A/D：将模拟信号（同步电压信号、电流信号）转化为数字信号；F240：数据 采集；进线电压同步；重要数据的存储；C32：负载电流谐波分析；补偿电流指令的计算；与监控系统的串行通讯CPLD： C32，F240的地址译码；F240与外配A/D接口所需的等待状态发生 器；缺相，相序检测电路；双端口 RAM的SEM逻辑电路双口 RAM：用于存放准备与F240交换的数据EPROM :程序存储J.技术参数及规格型号1. 执行标准：GB/T 14549-93电能质量：公用电网谐波GB/T 15576-1995低压无功功率静态补偿装置总技术条件GB 7625.1-1998低压电气电子产品发出的谐波电流限值2. 正常使用的环境条件a）环境空气：APF是户内型设备。所以室内应具有供应冷却媒质的设施。而如果冷却媒质 就是室内的空气，则应具备把热量从室内传至室外的设施，以形成大环境空气循 环。这样就可以把室内的空气作为设备和户外空气的中间热交换器。如果将APF装于柜内或箱内，由于存在箱壁的热反射，则必须在箱内加大和 外界的空气交换，增强箱内的散热性能。b）环境温度：设备运行时的冷却空气的极限温度为：日平均温度不超过30°C,年平均温度不超过25C。c）空气相对湿度：最低15%；最高不大于90%（20C以下时）。d）海拔高度：设备安装运行的海拔高度不超过2000m。安装地点无剧烈振动及颠簸，安装倾斜度不大于5%。5.设备的电气保护a）过压保护直流母线电压超过780V值时，产品应立即自动关闭有源滤波器输出，同时 有相应的告警。b）变流器过流有源滤波器变流器输出电流超过IGBT额定电流时，将由驱动模块报出故障， 同时由继电保护板切断主回路，滤波器关闭输出。c）变流器过热有源滤波器内部功率半导体部分温度超过85±2°C时，系统发出告警，当温 度恢复到安全温度时告警自动解除，有源滤波器可以投入工作。d）滤波器输出超限当谐波负载容量超出有源滤波器补偿能力时，有源滤波器按最大能力输出 （即限流输出）。e）滤波器防雷保护滤波器在柜内装有防雷元件，可以有效防止雷击对滤波器造成的损坏：防雷 元件最大耐压值为1500V,失效指示为绿色时防雷元件正常工作，红色时防雷元 件失效，需要更换。接线滤波器接线必须在断电的情况下进行！3. 主回路接线由于滤波器进线为上进线，总开关上方端子从左至右分别为A、B、C三相，用电缆线将它们有电网A、B、C三相分别对应相连即可。表1有源电力滤波器（APF）及静态无功发生器（SVG）技术参数容量（KVA）3050100大容量的可以 订制供电电源电压380V+10%-15%加变压器可运行其它电压等级供电电源频率50Hz±5%供电电源相数三相三线或三相四线电流互感器（CT）/5A根据负载电 流选择谐波补偿次数225次，动态补偿响应 时间<100ms补偿能力在设备容量之内，补偿效率75%在满足GB/T14549-93的基础上，谐波补偿率，当超出设 备补偿容量时以设备最大输出能力补偿保护交流过压、欠压，直流过压，IGBT过流，装置过 热冷却风冷可以根据情况选择水冷操作显示模拟、LED、LCD显示，具有数字、菜单和图形显 示功能，方便系统操作、监测、维护运彳丁环境问题-25°C +55°C相对湿度<90% (25°C)防护等级IP20结构立柜式，下出线小功率可以 设计成壁挂 式尺寸(mm) (WxHxD)610x1200x400810x2200x600810x2200x600重量（kg）65150300表2电能质量控制器（AVQR）容量（KVA）50100200400供电电源电压三相四线，220V/380V+25%-30%供电电源频率50Hz±10%电压畸变<30%电压尖峰幅值600V,底宽为0.2ms的脉冲列电源输出电压三相四线，220V/380V±5%频率与输入频率相同电压谐波电压畸变率5%电压尖峰<10V电源效率>90%操作指示盘式指针以表显示：三相输出电压、输出电流、仪表精度2.5级信号灯显示输入电源、运行、旁路、电源故障操作输入总断路器、运行/旁路转换开关、电压显示转换开关保护变流器过流、过热、电源过载、过压尺寸(mm) (WxHxD)600x1800x600800x2000x600800x2200x8001200x2200x800五.经典案例案例1钢管厂无功、谐波治理方案钢管厂主要是对半成品钢管进行成品加工处理，包括车丝、中频加热炉、接 箍、磁粉探伤等工艺。配电情况中频加热炉由1250KVA变压器单独供电，其余由 2000KVA变压器供电，具体参数及用电情况如下：A. 电力