有源电力滤波器(APF)hlti.docx
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1、有源电力力滤波器器(APPF)引言谐波电流流和谐波波电压的的出现,对对于电力力系统运运行是一一种“污染”,它们们降低了了系统电电压正弦弦波形的的质量,不不但严重重地影响响电力系系统自身身,而且且还危及及用户和和周围的的通信系系统。近近半个世世纪以来来,随着着电力电电子设备备的推广广应用,非非线性负负荷的迅迅速增加加(例如如电气机机车、工工业电炉炉等的应应用),特特别是高高压直流流输电的的运用,谐谐波污染染问题日日趋严重重,并因因此受到到人们普普遍的关关注和重重视。减减小谐波波影响的的技术措措施可以以从两方方面入手手:一是是从谐波波源出发发,减少少谐波的的产生;二是安安装滤波波装置。常见的滤波器
2、包括无源滤波器、有源滤波器以及混合滤波器。无源滤波器(PF:Passive Filter)也称为LC滤波器,是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置。无源滤波器的工业应用已经有相当长的历史,其设计方法稳定可靠、结构简单,但其滤波效果依赖于系统阻抗特性,并容易受温度漂移、网络上谐波污染程度、滤波电容老化及非线性负荷的影响。此外,无源滤波器仅能对特定的谐波进行有效地衰减,而出于经济和占地面积方面的考虑,滤波器个数均是有限的,所以对谐波含量丰富的场合,无源滤波器的滤波效果往往不够理想。与无源滤波器对应的是有源滤波器(APF:Active Power Filter)。有源电力滤波器采用开关
3、变换器消除谐波电流,克服了无源滤波器的缺点。有源电力滤波器有着无源滤波器无可比拟的技术优势,因此越来越受到人们的关注。1.有源源滤波器器的发展展历史有源滤波波器的思思想最早早出现于于19669年BB.M.Birrd和JJ.F.Marrsh的的论文中中。文中中描述了了通过向向交流电电源注入入三次谐谐波电流流以减少少电源中中的谐波波,改善善电源电电流波形形的新方方法。文文中所述述的方法法认为是是有源滤滤波器思思想的诞诞生。119711年日本本的H.Sassakii和T.Macchidda完整整描述了了有源电电力滤波波器的基基本原理理。19976年年美国西西屋电气气公司的的L.GGyuggyi和和E
4、.CC.Sttrycculaa提出了了采用脉脉冲宽度度调制控控制的有有源电力力滤波器器,确定定了主电电路的基基本拓扑扑结构和和控制方方法,从从原理上上阐明了了有源电电力滤波波器是一一理想的的谐波电电流发生生器,并并讨论了了实现方方法和相相应的控控制原理理,奠定定了有源源电力滤滤波器的的基础。然然而,在在20世世纪700年代由由于缺少少大功率率可关断断器件,有有源电力力滤波器器除了少少数的实实验室研研究外,几几乎没有有任何进进展。进进入200世纪880年代代以来,新新型半导导体器件件的出现现,PWWM技术术的发展展,尤其其是19983年年日本的的H.AAkaggi等人人提出了了“三相电电路瞬时时
5、无功功功率理论论”,以该该理论为为基础的的谐波和和无功电电流检测测方法在在三相有有源电力力滤波器器中得到到了成功功的应用用,极大大促进了了有源电电力滤波波器的发发展。与无源滤滤波器相相比,有有源滤波波器是一一种主动动型的补补偿装置置,具有有较好的的动态性性能。有有源电力力滤波器器是近年年来电力力电子领领域的热热门话题题。目前前,有源源滤波技技术已在在日本、美美国等少少数工业业发达国国家得到到应用,有有工业装装置投入入运行,其其装置容容量最高高可达660MVV.A;国内对对有源电电力滤波波器的研研究尚处处于起步步阶段。2.有源源滤波器器的分类类有源电力力滤波器器的基本本思想如如图所示示在图中,谐
6、谐波源一一般是非非线性负负载,如如整流器器等,产产生谐波波电流,供电系系统一般般为被保保护对象象;有源源滤波器器表现为为流控电电流源,它它的作用用是产生生和谐波波源谐波波电流大大小相等等方向相相反的补补偿电流流来达到到消除谐谐波的目目的。从不同的的观点出出发,有有源电力力滤波器器具有不不同的分分类标准准。(1)根根据接入入电网的的方式,有有源电力力滤波器器可以分分为串联联型、并并联型和和串-并并联型三三大类。每每一种类类型的有有源电力力滤波器器结构不不同,因因其工作作原理、特特性各不不相同。串串联型有有源滤波波器经耦耦合变压压器串接入电电力系统统,如图图2所示示,其可可等效为为一个受受控电压压
7、源,主主要是消消除电压压型谐波波以及系系统侧电电压谐波波与电压压波动对对敏感负负载的影影响。串串联型有有源电力力滤波器器应用在在直流系系统中时时,耦合合变压器器的系统统接入侧侧很容易易出现直直流磁饱饱和问题题,所以以只在交交流系统统中采用用。与并并联型有有源电力力滤波器器相比,由由于串联联型有源源电力滤滤波器中中流过的的是正常常负荷电电流,因因此损耗耗较大;此外,串串联型有有源电力力滤波器器的投切切、故障障后的退退出及各各种保护护也较并并联型有有源电力力滤波器器复杂。目目前单独独使用串串联有源源电力滤滤波器的的例子较较少,研研究多集集中在其其与LCC无源滤滤波器所所构成的的串联混混合型有有源电
8、力力滤波器器上。并联型有有源电力力滤波器器与系统统并联等等效为一一个受控控电流源源,如图图3所示示。有源源滤波器器向系统统注入与与谐波电电流大小小相等方方向相反反的电流流,从而而达到滤滤波的目目的。并并联型有有源电力力滤波器器主要适适用于电电流源型型感性负负载的谐谐波补偿偿,技术术上已相相当成熟熟,工业业上已投投入使用用的有源源电力滤滤波器多多采用此此方案。与串联型型有源电电力滤波波器相比比并联型型有源电电力滤波波器通过过耦合变变压器并并入系统统,不会会对系统统运行造造成影响响,具有有投切方方便灵活活以及各各种保护护简单的的优点。但但是当单单独使用用并联型型有源电电力滤波波器来滤滤除谐波波时,
9、有有源电力力滤波器器容量要要求很大大,这样样会带来来一系列列的问题题,如工工程造价价高、电电磁干扰扰、结构构复杂以以及高的的功率损损耗等。图4所示示为串-并联新新型有源源电力滤滤波器,相相关文献献称之为为统一电电能质量量调节器器(UPPQC)。它它综合了了串联型型和并联联型两种种结构,共共同组成成一个完完整的用用户电力力装置来来解决电电能质量量的综合合问题。其其中,直直流侧电电容器或或电感储储能装置置是串联联型和并并联型有有源滤波波器所公公用的,串串联有源源电力滤滤波器起起到补偿偿电压谐谐波、消消除系统统不平衡衡、调节节电压波波动或闪闪变、维维持系统统电压稳稳定性或或阻尼振振荡的作作用。并并联
10、变流流器起到到补偿电电流谐波波不平衡衡、补偿偿负荷的的无功、调调节变流流器直流流侧电压压的作用用。因此此这种统统一电能能质量调调节器可可以实现现短时间间不间断断供电、蓄蓄能、无无功补偿偿、抑制制谐波、消消除电压压波动及及闪变、维维持系统统电压稳稳定等功功能,被被认为是是最理想想的有源源滤波器器的结构构。这种种结构即即可用于于三相系系统,又又可以用用于单相相系统。但但是其主主要缺陷陷在于成成本较高高(需要要较多的的开关器器件)和和控制复复杂。(2)根根据接入入电网的的方式,有有源电力力滤波器器还可以以分为直直接接入入和通过过无源滤滤波器间间接接入入电网两两种方式式。图5所示示为混合合型滤波波器,
11、它它是有源源滤波器器和无源源滤波器器的组合合结构。这这种滤波波器结构构目前非非常普遍遍,因为为它并联联的LCC无源滤滤波器部部分消除除了大量量的低次次谐波,因因而有源源滤波器器部分容容量可以以做到很很小(负负荷容量量的5%左右),这样大大减少了有源滤波器的体积和成本。它可以同时消除电压和电流谐波,而且成本相对来说较低,因而非常受欢迎。但是这种结构的滤波器的缺点在于只能针对特定负荷进行补偿,负荷运行状况变化较大的时候补偿性能不好。(3)按按有源电电力滤波波器中逆逆变器直直流侧储储能元件件的不同同,有源源电力滤滤波器又又可分为为电压型型有源电电力滤波波器(储储能元件件为电容容)和电电流型有有源电力
12、力滤波器器(储能能元件为为电感)。电流型有有源电力力滤波器器由一个个大电感感充当一一个非正正弦的电电流源来来提供非非线性负负荷的谐谐波电流流。电流流源型逆逆变器的的最大缺缺点在于于不能用用于多电电平场合合,无法法提高大大容量时时逆变器器的性能能;电压压型有一一个较大大的电容容作为直直流侧的的电压支支撑。由由于这种种结构轻轻便、便便宜,并并且可以以扩展为为多电平平结构,使使其在开开关频率率较低的的情况下下取得较较好的性性能,与与电流型型有源电电力滤波波器相比比,电压压型有源源电力滤滤波器损损耗较小小、效率率高,因因此目前前国内觉觉大多数数有源电电力滤波波器都采采用电压压型逆变变器结构构。根据据日
13、本电电气学会会的调查查结果,两两者在实实际应用用中所占占的比例例分别是是电压型型93.5%,电电流型66.5%。随着着超导储储能技术术的不断断发展,今今后可能能会有更更多电流流型有源源电力滤滤波器投投入使用用。(4)根根据补偿偿系统的的相数来来分类,有有源滤波波器可分分为单相相和三相相两种,三三相系统统又分为为三相三三线制和和三相四四线制。单相有源源滤波器器一般用用于小功功率的场场合,例例如商业业写字楼楼或者学学校教学学楼带有有电脑负负荷以及及小型工工厂。在在这些场场合中电电流谐波波可以在在公共耦耦合点补补偿掉,因因此可以以将几个个小功率率的滤波波器连接接取代一一个大的的滤波器器。这主主要是由
14、由于在一一个大楼楼中有好好多的单单相负荷荷并且中中线上存存在大量量谐波电电流会有有较大的的危害。这这样可以以根据运运行条件件的不同同有选择择地进行行补偿。但但另一方方面,住住宅性负负荷并没没有产生生大量的的集中的的谐波。而而且由于于缺少强强制的谐谐波约束束法规,住住宅用户户不可能能投资于于单相的的有源滤滤波器。单单相有源源滤波器器的主要要优点在在于处理理小功率率负荷,因因此变流流器的开开关频率率可以很很高,从从而提高高整个装装置补偿偿谐波的的性能。对于三相相装置,滤滤波器及及主电路路的选择择取决于于三相系系统是否否平衡。在在相对低低功率场场合(1100KKV.AA),三三相系统统可以采采用三个
15、个单相有有源滤波波器或者者单独的的三相有有源滤波波器。对对于平衡衡负荷而而言,如如果目标标仅仅是是消除电电流谐波波而不需需要三相相系统及及补偿电电压谐波波,采用用三个单单相有源源滤波器器的结构构是可行行的。对对于不平平衡负荷荷电流或或者不对对称供电电电压,主主电路结结构采用用基于三三个单相相逆变器器的三相相有源电电力滤波波器是可可行的。大多数的的单相负负荷都是是有带中中线的三三相系统统供电的的。它们们给系统统带来了了大量的的中线电电流、谐谐波、无无功以及及三相不不平衡。三三相四线线制有源源滤波器器的引入入就是为为了减少少这类系系统出现现的问题题。(5)根根据应用用场合分分,有源源电力滤滤波器还
16、还可以分分为应用用在直流流系统(主主要是高高压直流流输电系系统)的的有源直直流滤波波器和应应用在交交流系统统的有源源滤波器器。(6)根根据目的的分为电电力用户户根据自自身需要要在谐波波负荷附附近安装装的有源源滤波器器和电力力公司在变变电站或或配电网网安装的的有源滤滤波器。用户安装装有源电电力滤波波器的目目的是为为了补偿偿谐波电电流、电电流不平平衡以及及电压闪闪变;电力公司司安装有有源电力力滤波器器的目的的是补偿偿配电系系统普通通耦合点点处的谐谐波电压压以及抑抑制由线线路电感感(包括括变压器器漏感)和和并联电电容谐振振引起的的谐波加加倍,从从而改善善电力系系统的功功率因数数。3.有源源与无源源的
17、比较较与无源滤滤波器相相比,有有源电力力滤波器器具有高高度可控控性和快快速响应应性,其其具体特特点如下下:(1)具具有自适适应功能能,实现现了动态态补偿,可可对频率率和大小小都变化化的谐波波及变化化的无功功功率进进行补偿偿,对补补偿的对对象有极极快的响响应。(2)可可同时对对谐波和和无功功功率进行行补偿,补补偿无功功功率时时不需要要储能元元件,补补偿谐波波时所需需储能元元件容量量不大,且且补偿无无功功率率的大小小可以做做到连续续调节。(3)受受电网阻阻抗的影影响不大大,不容易和和电网阻阻抗发生生谐振;且可以以跟踪电电网频率率的变化化,故补补偿性能能不受电电网频率率变化的的影响。尽管有源源电力滤
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