【正文】 第 12 頁(yè) 2 并聯(lián)有源濾波器結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)及其濾波原理 并聯(lián)型電力有源濾波器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 由于有源電力濾波器的主電路與負(fù)載并聯(lián)接入電網(wǎng)，故稱并聯(lián)型。隨著電力有源技術(shù)的發(fā)展。這方面主要工作包括：采用合理的開(kāi)關(guān)頻率；選擇適當(dāng)?shù)奈栈芈芬蕴岣哐b置的使用效率；采用過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)技術(shù)及故障診斷技術(shù)，使系統(tǒng)可靠工作 ； 8)APF 技術(shù)至今未在各國(guó)普遍使用的一個(gè)重要原因是補(bǔ)償電流的精度檢測(cè)等問(wèn)題始終沒(méi)有很好解決。然而有源濾波器造價(jià)較高，與 LC濾波器是不可比擬的。因?yàn)榇笕萘渴艿筋l率的限制，如何從兩者中找到一個(gè)折中，獲得最佳效果，是值得研究的問(wèn)題 ； 6)降低裝置的價(jià)格并使其多功能化。此外，應(yīng)用多重化技術(shù)也能提高器件的等效開(kāi)關(guān)頻率。 5)器件容量的增大和開(kāi)關(guān)頻率的提高。當(dāng) 容量大于 5MVA 時(shí)，通常采用 GTO 及多重化技術(shù)進(jìn)行諧波補(bǔ)償； 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 2)當(dāng)前大功率濾波裝置從經(jīng)濟(jì)上考慮，可以采用 APF 與 LC 無(wú)源濾波器并聯(lián)使用的混合型有源濾波系統(tǒng)，以減小 APF 的容量，達(dá)到降低成本、提高效率的目的。從近年來(lái)的研究和應(yīng)用中可以看出 APF 具有如下的發(fā)展趨勢(shì)： 1)通過(guò)采用 PWM 調(diào)制可提高開(kāi)關(guān)器件等效開(kāi)關(guān)頻率的多重化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高次諧波的有效補(bǔ)償。目前，世界上 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。這樣組成的一個(gè)控制系統(tǒng)是基于把 ccii?? 控制為最小來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。從圖 中可以看出，把補(bǔ)償電流指令 ci? 和實(shí)際補(bǔ)償電流 ci 進(jìn)行比較，求出偏差電流，通過(guò)放大器 A 后得到調(diào)制波 mu ， mu 和高頻二角波 進(jìn)行比較，產(chǎn)生 PWM 波形，作為功率開(kāi)關(guān)器件的控制信號(hào)，從而獲得所需的補(bǔ)償電流。與瞬時(shí)值比較方式相比，該方式具有以下特征： 1)硬件較為復(fù)雜 ； 2)跟隨誤差較大 ； 3)輸出電壓中諧波較少，但是含有與三角載波相同頻率的諧波 ； 4)放大器增益有限 ； 5)器件的開(kāi)關(guān)頻率固定，且等于三角波的頻率 ； 6) 電流響 應(yīng)比瞬時(shí)值比較方式慢 。放大器往往采用比例放大器或比例積分放大器。若 W 較小，則實(shí)際補(bǔ)償電流跟蹤指令電流的精度就比較高，但同時(shí)它要求半導(dǎo)體器件必須具有較高的開(kāi)關(guān)頻率，這不僅會(huì)增大開(kāi)關(guān)損耗，還對(duì)半導(dǎo)體的開(kāi)關(guān)性能提出了根高要求；若 W 較大，自然 ci? ，就會(huì)增大，相對(duì)應(yīng)的實(shí)際補(bǔ)償電流的跟蹤精度就差，但也降低了半導(dǎo)體的開(kāi)關(guān)頻率，降低了開(kāi)關(guān)損耗。于是，無(wú)論指令電流如何變化，在滯環(huán)電流的控制方法下 ，實(shí)際補(bǔ)償電流總能以指令電流為基準(zhǔn)呈圖 所示鋸齒波形狀上下波動(dòng)，即實(shí)際的補(bǔ)償電流被限制在規(guī)定的誤差帶限內(nèi)。設(shè) cai 的方向如主電路圖23 所示，當(dāng) 1T (無(wú)論是 IGBT 還是二極管，只要一個(gè)導(dǎo)通即可 )導(dǎo)通時(shí)，換句話說(shuō)：當(dāng) a 相上橋臂導(dǎo)通時(shí) ， cai 較少，而當(dāng) 4T 導(dǎo)通時(shí) cai 將增大。 補(bǔ)償電流控制方法 滯環(huán)比 較 PWM 電流控制 采用滯環(huán)比較的 PWM 電流控制方法 [16] [17][18][19]原理圖如圖圖 ： ci ? ci P W M 信 號(hào)滯 環(huán) 比 較 器 圖 在該方式中，把補(bǔ)償電流指令信號(hào) ci? 和實(shí)際補(bǔ)償電流 ci 信號(hào)進(jìn)行比較，其差值ci? 作為滯環(huán)比較器的輸入，滯環(huán)比較器是一個(gè)設(shè)置門檻電壓的比較電路，通過(guò)判 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 斷補(bǔ)償電流差值的大小和方向來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)逆 變器的 PWM信號(hào)，來(lái)控制主電路的通斷，從而使補(bǔ)償電流 ci 跟蹤指令電流 ci? 的變化。最早是由日本學(xué)者 H． Akagi 于 1989 年提出，僅適用于對(duì)稱三相電路，后經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)現(xiàn)已包括 pq? 法、 pqii? 法和 dq? 法等。目前，補(bǔ)償電流的檢測(cè)方法主要有以下幾種： 1)基于頻率運(yùn)算的方法 ； 2)瞬時(shí)功率法：這是基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論。 諧波檢測(cè)方法研究現(xiàn)狀 諧波電流檢測(cè)是 APF 的關(guān)鍵，直接影響到補(bǔ)償速度和精度，是補(bǔ)償?shù)暮诵乃凇? 有源濾波器具有如下功能和特點(diǎn)： 1)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可對(duì)頻率和大小均變化的諧波及變化的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)補(bǔ)償對(duì)象的變化有極快的響應(yīng)速度； 2)有源濾波裝置是一個(gè)高阻抗電流源，它的接入對(duì)系統(tǒng)阻抗不會(huì)產(chǎn)生影響，因此此類裝置適合系列化、規(guī)?；a(chǎn)； 3)當(dāng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)裝置受電網(wǎng)阻抗的影響不大，不存在與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)，同時(shí)還能抑制串并聯(lián)諧振； 4)補(bǔ)償無(wú)功功率時(shí)不需要儲(chǔ)能元件，補(bǔ)償諧波時(shí)所需 要的儲(chǔ)能元件不大； 5)用同一臺(tái)裝置可同時(shí)補(bǔ)償多次諧波電流和非整數(shù)倍次的諧波電流，既可以對(duì)一個(gè)諧波和無(wú)功源進(jìn)行單獨(dú)補(bǔ)償，也可對(duì)多個(gè)諧波和無(wú)功源進(jìn)行集中補(bǔ)償； 6)當(dāng)線路中的諧波電流突然增大時(shí)有源濾波器不會(huì)發(fā)生過(guò)載，并且能正常發(fā)揮作用，不需要與系統(tǒng)斷開(kāi)； 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 7)裝置可以僅輸出所需補(bǔ)償?shù)母叽沃C波電流，不輸出基波無(wú)功功率，不但減小了有源濾波器的總?cè)萘?，還可以避免輕負(fù)荷時(shí)發(fā)生無(wú)功倒送現(xiàn)象。 S l cl lf lhc lhS l c lfi i ii i iiii i i i??????? ? ? 其中 ci 是要主電路所產(chǎn)生的補(bǔ)償電流 ，根據(jù)具體情況，可以僅是諧波，可以同時(shí)是諧波和基波無(wú)功電流 [1]。若圖 的有源濾波器的進(jìn)線電感與濾波電感取值相同，流人有源濾波器的電流僅為無(wú)源支路的 1／ 2，同時(shí)有源裝置只承擔(dān)很小的基波電壓，這對(duì)于有效減少有源濾波器的容量不失為一個(gè)好辦法。T b39。 V 0T a T bT a39。 FUJITA等提出的混合型濾波電路可大大降低有源裝置承擔(dān)的基波電壓。 混合濾波器的研究熱點(diǎn) 近年來(lái)，減少混合濾波器中有源裝置中的安裝容量成為了研究熱點(diǎn)，這需要從降低有源濾波器承擔(dān)的基波電壓與基波電流 2個(gè)方面來(lái)考慮。有源濾波器是由全控型開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成的變流裝置，可視為受系統(tǒng)的諧波電流或諧波電壓控制 的線性受控源。其中濾波和無(wú)功補(bǔ)償主要有無(wú)源濾波器承擔(dān)，有源濾波器用來(lái)進(jìn)一步改善濾波和補(bǔ)償?shù)男阅?，并抑制串、并?lián)諧振，由此，其安裝容量不大，也容易實(shí)現(xiàn)。 混合 濾波器 [5] 混合濾波器的基本結(jié)構(gòu) 盡管 APF具有無(wú)源濾波器無(wú)可比擬的巨大優(yōu)勢(shì)，但由于成本問(wèn)題，目前還不可能完全代替無(wú)源濾波裝置。目前使用裝置 9O%以上為電壓型，技術(shù)相對(duì)成熟、完善。根據(jù)逆變電路的儲(chǔ)能元件不同，有源濾波器可分為電流型和電壓型 2種。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同可分為有源直流濾波器和有源交流濾波器 2大類。 有源濾波器的缺點(diǎn)： 1)數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定性好，但計(jì)算量較大，相應(yīng)加大了檢測(cè)過(guò)程的延遲時(shí)間； 2)就目前來(lái)說(shuō)， APF還難以實(shí)現(xiàn)大功率的濾波，并且成本較高。所以目前的主要方向是加快有源濾波器的產(chǎn)品化，提高它在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用水平。 A有源濾波器產(chǎn)品化，并開(kāi)始投向市場(chǎng)。哈爾濱工業(yè) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 大學(xué)電氣工程系研制開(kāi)發(fā)出一種單相有源濾波器產(chǎn)品，目的是改善單相用戶接入點(diǎn)的電網(wǎng)品質(zhì)，進(jìn)而改善配 電網(wǎng)的品質(zhì)。目前以西安交通大學(xué)和浙江大學(xué)為代表，他們已經(jīng)形成了比較系統(tǒng)的研究體系和理論基礎(chǔ)；另外，國(guó)內(nèi)的一些研究所也在開(kāi)展研究工作。 在中國(guó)，直到 2O世 紀(jì) 80年代末期才開(kāi)始有相關(guān)方面文章的出現(xiàn)，起初論文中所采用的諧波檢測(cè)方法陳舊，補(bǔ)償效果不理想。 A功率范圍越來(lái)越寬，從諧波補(bǔ)償?shù)揭种崎W變和電壓調(diào)節(jié)應(yīng)用功能越來(lái)越豐富。其中在日本，已投入使用的 APF從 5O kV 1991年，南非的 Enslin和 Wyk研制出綜合補(bǔ)償系統(tǒng)。 1983年，日本的 Akagi等人提出了瞬時(shí)無(wú)功功率理論，表明實(shí)現(xiàn)有源濾波器補(bǔ)償功能的條件已經(jīng)具備，使有源電力補(bǔ)償技術(shù)實(shí)用化研究得到了極大的發(fā)展。 1982年，第 1臺(tái)采用 GTO作為開(kāi)關(guān)元件的電流源 PWM 逆變器構(gòu)成的有源濾波器(80O kV 圖 有源濾波器基本構(gòu)造 有源濾波器的發(fā)展歷 程及主要應(yīng)用 1971年日本的 Machida首先提出了有源濾波器的原始模型。補(bǔ)償 指令電流檢測(cè)及控制電路對(duì)負(fù)載電流 Li 進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)瞬時(shí)無(wú)功功率理論或 DSP技術(shù)產(chǎn)生的諧波及無(wú)功電流分量，與精密波形發(fā)生器產(chǎn)生的三角載波進(jìn)行比較，獲得 PWM 波形，用于控制主電路內(nèi)的功率電子開(kāi)關(guān)器件，把直流電流信號(hào)變成補(bǔ)償交流電流 ci 。 ac b 圖 濾波裝置結(jié)構(gòu) 在目前流行的開(kāi)關(guān)電源中，在電源的輸人端加入無(wú)源濾波器可以有效地抑制電源傳人開(kāi)關(guān)電源的干擾，也可以抑制開(kāi)關(guān)電源反向串入電源的干擾。綜合考慮各種條件可采用雙調(diào)諧無(wú)源濾波器和高通濾波器。 在高壓直流輸電中， 12相整流得到了廣泛應(yīng)用，特別是大容量整流變壓器，通過(guò)移相可以形成 l2脈波整流，這對(duì)減小直流輸出電壓的紋波幅度、提高紋波頻率、減少電壓畸變、降低諧波電流對(duì)電網(wǎng)的影響都有理想的效果。 它的缺點(diǎn)是： 1)它的補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗的影響，依賴于電網(wǎng)和負(fù)載的參數(shù)； 2)可能發(fā)生電網(wǎng)與濾波器間的串、并聯(lián)諧振，使濾波器和電網(wǎng)側(cè)的諧波較之負(fù)載的電流諧波有所增加； 3)不能對(duì)諧波和無(wú)功功率實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償； 4)有效材料消耗多，體積大。加裝上述濾波裝置后，通過(guò)改變各個(gè)通路的參數(shù)設(shè)置( ,k k kL C R )，很好地抑制了奇次諧波進(jìn)入到電網(wǎng)中，系統(tǒng)的功率因 數(shù)也得到了提高，滿足了電網(wǎng)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊?。圖 為 35 kV母線電壓下電弧爐系統(tǒng)濾波裝置模型。無(wú)源濾波器因其功率大、成本低等優(yōu)勢(shì)在大功率用電系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 電力有源濾波器 (active power filter，簡(jiǎn)稱 APF)是無(wú)功補(bǔ)償?shù)南冗M(jìn)方法 ,并聯(lián)型電力有源濾波器是一種最基本的形式，也是目前應(yīng)用最為廣泛的一種。 以上這些，即使供給它理想正弦波電壓，它取用的電流也是非正弦的，所以常被看作諧波恒流源。若氣隙是均勻的，則磁通勢(shì)沿定子轉(zhuǎn)子表面均勻分布，但不是正弦分布，將它分解可得諧波分量，在電壓、電流中，會(huì)有相應(yīng)分量產(chǎn)生。飽和愈深，電流波形畸變?cè)絿?yán)重 ； 2)電子開(kāi)關(guān)型 ：各種交直流換流裝置、雙向晶閘管可控開(kāi)關(guān)設(shè)備以及 PWM 變頻器等電力電子設(shè)備 ； 3)電弧型：交流電弧爐和交流電焊機(jī)等 ； 4)旋轉(zhuǎn) 電機(jī)：交流電機(jī)磁場(chǎng)的磁路，是由定子磁軛、定子齒、空氣隙組成閉合回路。 諧波的來(lái)源 [3][4]： 1)鐵磁飽和型：各種鐵芯設(shè)備，其鐵磁飽和特性呈非線性。對(duì)于電網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)、變壓器、傳輸電纜而言，諧波首先增加了設(shè)備的損耗，降低了設(shè)備的使用效率；其次引發(fā)過(guò)熱問(wèn)題，使設(shè)備無(wú)法正常工作 ； 3)諧波電壓或電流會(huì)在電機(jī)的定子繞組、轉(zhuǎn)子回路以及定子和轉(zhuǎn)子鐵芯中引起附加損耗，使其發(fā)熱，縮短使用壽命。 諧波對(duì)公用電網(wǎng)和其他系統(tǒng)危害主要表現(xiàn)在以下方面 [1] [2]： 1)諧波對(duì)電力系統(tǒng)中補(bǔ)償電容器組造成影響。電力諧波問(wèn)題受到越來(lái)越多的關(guān)注。 Harmonics； method of ,pqii； Simulation of control method 目 錄 1 緒論 .............................................................1 課題研究的背景 ............................................. 1 電力濾波器的研究現(xiàn)狀概述 .................................... 2 無(wú)源濾波器 ...............................................2 有源濾波器 ................................................3 混合濾波器 ................................................5 并聯(lián)電力有源濾波器的基本原理 ................................ 7 APF的研究現(xiàn)狀 ............................................. 8 諧波檢測(cè)方法研究現(xiàn)狀 ......................................8 補(bǔ)償電流控制方法 ..........................................8 APF 的前景 ............................................... 10 本文的主要工作 ............................................ 11 2 并聯(lián)有源濾波器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其濾波原理 ...........................