电力电子技术课件第8章.ppt
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1、第8章 有源电力滤波器,有源电力滤波器(Active Power Filter简称APF)是一种新型的电力电子装置,从它提出以来一直受到广泛的重视。 有源电力滤波器的基本思想是从补偿对象中检测出谐波电流等分量,由补偿装置产生一个与该分量大小相等而极性相反的补偿电流分量,抵消谐波电流分量从而使流入电网的电流只含基波分量。 它具有动态响应快、补偿功能多样化、且补偿特性不受电网阻抗影响的特点,克服了传统LC滤波器和无功补偿方法的缺点,是谐波抑制的一个重要发展方向。,第8章 有源电力滤波器,8.1 有源电力滤波器概述 8.2 瞬时无功功率理论与谐波电流检测 8.3 并联型有源电力滤波器,8.1 有源电
2、力滤波器概述,8.1.1 有源电力滤波器的发展 有源电力滤波器从提出到投入实际应用,经历了几个发展阶段。 (1)基本原理的提出和概念的形成。 (2)快速发展。 (3)持续发展。,有源电力滤波器在国外已经进入工业实用化阶段。世界上有源电力滤波器的主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电气公司、德国西门子公司等。其中有源电力滤波器技术在日本已经成熟。 我国在有源电力滤波器的研究方面起步较晚,直到20世纪80年代末才有论文发表。20世纪90年代以来一些高等院校和科研机构开始进行有源电力滤波器的研究,但有关研究主要以理论研究和实验为主。,8.1.2 有源电力滤波器的基本原理,有源电力滤波器的基本原理
3、如图所示,图中,es表示系统的等效电源,提供的电流为is,非线性负载产生的电流为iL,有源电力滤波器并联在负载端,产生的电流为iC。 根据基尔霍夫定律得,图8-1 并联型有源电力滤波器系统构成原理图,(8-1),假设负载电流含有谐波和无功分量,如式(8-2)所示,式中iLfp、iLfq和iLh分别负载电流的基波有功分量、基波无功分量和谐波分量。,(8-2),当需要补偿负载电流产生的谐波电流时,只需要有源电力滤波器产生的补偿电流与负载电流的谐波分量iLh大小相等、方向相反,如式(8-3),代入到式(8-1),与谐波分量相互抵消,如式(8-4),则电源电流中只含基波分量,不含谐波,这样就达到了抑制
4、电源电流中谐波的目的。,(8-3),(8-4),有源电力滤波器的基本工作原理是根据补偿目的,检测出需要补偿的电流作为参考量,然后根据有源电力滤波器的控制电路,产生一个与参考量大小相等、方向相反的谐波或无功量注入到系统中去,使系统电流最终满足要求。从另一个角度讲,有源电力滤波器向系统注入的量是谐波分量,所以有源电力滤波器也可以看成是一个谐波源。,有源电力滤波器应该包含两个部分: 电流运算电路,用来检测出补偿对象电流中的谐波和无功电流等分量; 补偿电流发生电路,即根据检测电路所得出的补偿电流指令信号,产生实际的补偿电流。,8.1.3 有源电力滤波器的特点,与传统的无源滤波器相比,有源电力滤波器有如
5、下特点: (1)具有自适应能力,能自动跟踪补偿频率和大小都变化的谐波和无功分量,响应速度快,可控性能较高,补偿效果好。 (2)补偿特性受电网系统参数的影响不大,不易与电网阻抗发生谐振,且能抑制由于外电路的谐振产生的谐波过电流。 (3)补偿功能、补偿方式多样化。 (4)装置所占的空间小,初期投资较大,电磁干扰较大。 (5)有源电力滤波器控制快速,不存在过载问题,即当系统中谐波较大时,装置仍可以运行,无需断开。,8.1.4 有源电力滤波器的主电路形式,有源电力滤波器主电路目前均采用PWM变流器,根据直流侧贮能元件的不同,可分为电压型和电流型两种。 图8-2和图8-3分别示出了可应用于三相三线制系统
6、的电压型和电流型两种主电路,图中的电力电子器件为IGBT,实际中可在GTO、IGBT、IGCT等器件中选择。,图8-2 三相电压型PWM变流器,图8-3 三相电流型PWM变流器,图8-4和图8-5分别示出了应用于单相系统的电压型和电流型两种主电路形式。,图8-4 单相电压型PWM变流器,图8-5 单相电流型PWM变流器,通过对图8-2和图8-3的比较分析,可得出电压型和电流型变流器的区别: 电压型PWM变流器的直流侧接有大电容,在正常工作时,其电压基本保持不变,可看作电压源,为保持直流侧电压不变,需要对直流侧电压进行控制,交流侧输出电压为PWM波;电流型PWM变流器的直流侧接有大电感,在正常工
7、作时,其电流基本保持不变,可看作电流源,为保持直流侧电流不变,需要对直流侧电流进行控制,交流侧输出电流为PWM波。,电压型的有源电力滤波器,它的优点是用 电容器储存能量,其损耗较小,效率高,但它不能直接控制输出补偿电流,而是通过控制电压间接控制电流。 电流型的有源电力滤波器的优点是能够直接输出补偿电流,不仅可以补偿正常的谐波,还可以补偿分数次谐波和超高次谐波,并且不会由于主电路开关器件的直通而发生短路故障,因而在可靠性和保护上占有较大的优势。,8.1.5 有源电力滤波器的分类,用户所使用的电源是直流电源和交流电源,所以有源电力滤波器按供电的类型可分为交流有源电力滤波器和直流有源电力滤波器; 根
8、据有源电力滤波器接入电网的方式,有源电力滤波器主要分为三大类,即并联型、串联型和串并联型。,图8-6 有源电力滤波器的分类,1.交流有源电力滤波器 (1)并联型有源电力滤波器 1)单独使用的并联型有源电力滤波器。 并联有源电力滤波器消除谐波的方法,其原理图如图8-1所示。这是有源电力滤波器中最基本的形式,也是目前应用最多的一种。,优点与缺点 这种方式的优点是:通过不同的控制作用,可以对谐波、无功、不对称分量等进行补偿,因此补偿功能较多,且连接方便;对于电流源性质的谐波源,补偿特性不受电源阻抗的影响。 这种方式的缺点是:电源电压直接加在逆变桥上,对主电路中开关器件的电压等级要求较高。有源电力滤波
9、器全部承担负载的谐波补偿,当负载电流谐波含量高时,要求有源电力滤波器容量较大,补偿频带宽。而PWM变流器的容量和动态性能成反比,很难使APF在保证容量的同时,还具有良好的动态特性和低的开关损耗。,适用的场合:主要用于电流源性质的谐波源(如带感性负载的整流器)。,2)与LC滤波器并联的混合有源电力滤波器。 与LC滤波器混合使用的有源电力滤波器的基本思想是利用LC滤波器来分担有源电力滤波器的部分补偿任务,这主要是为了减小有源滤波器补偿容量。而且LC滤波器的成本低,结构简单,可降低整个装置的造价。,1987年,M. Takeda等人首先提出用LC滤波器和有源电力滤波器并联的混合型有源电力滤波器方案。
10、其原理图如图所示。,有源电力滤波器与 LC滤波器并联方式,方案有两种补偿方式: 一种是LC滤波器,主要补偿较高次谐波,而大部分谐波由有源电力滤波器补偿,这对减低有源电力滤波器的容量起不到明显的作用,但因对有源电力滤波器主电路中器件的开关频率要求不高,实现大容量相对容易些; 另一种方式是LC滤波器分担大部分谐波补偿的任务,而有源电力滤波器是为了改善整个系统的性能,那么所需容量与单独使用方式相比可大幅度降低,在这两种方式中,有源电力滤波器都相当于受控电流源。,方案的缺点: 电网与有源电力滤波器及有源电力滤波器与LC滤波器之间存在谐波通道,特别是有源电力滤波器和LC滤波器之间的谐波通道,可能使有源电
11、力滤波器注入的谐波又流入LC滤波器中。,3)与LC滤波器串联的混合有源电力滤波器。,1990年,H. Fujit等人提出将有源电力滤波器与LC滤波器相串联后与电网并联的混合型方案,其原理图如图所示,其中有源电力滤波器相当于一个电流控制电压源。,并联型有源电力滤波器与 LC滤波器串联方式,补偿方式 该方式中,谐波和无功功率主要由LC滤波器补偿,而有源电力滤波器的作用是改善无源滤波器的滤波特性,克服无源滤波器易受电网阻抗的影响,易与电网发生谐振等缺点。,方案优缺点和使用的场合 这种方案的优点是:有源电力滤波器不承受交流电源的基波电压,因此装置容量小;有源电力滤波器与LC滤波器通过变压器连接,电压隔
12、离和保护比较方便。有源电力滤波器发生故障不会危及电网。 这种方案的缺点:对电网中的谐波电压非常敏感。 适用的场合:适于高压电力系统。,(2)串联型有源电力滤波器。 1)单独使用的串联型有源电力滤波器。 图是单独使用的串联型有源电力滤波器的原理图。,单独使用的串联型有源电力滤波器,这种方式中,有源滤波器对谐波呈现高阻抗,而对工频分量呈现低阻抗,因此有源滤波器相当于电源和负载之间的一个谐波隔离装置,电网的谐波电压不会加到负载和LC滤波器上,而负载的谐波电流也不会流入电网。,方式的优缺点 这种方式的优点是:运行效率高,有源滤波器的容量很小,投资少。 这种方式的缺点是:由于有源电力滤波器串联于电路中,
13、很难把电源和有源滤波器分开,易发生短路,绝缘比较困难,而且维修也不方便;有源滤波器一旦发生故障也将危及电网;在正常工作时,耦合变压器流过所有的电流;不能抑制电源电压的闪变。,(3)串并联型有源电力滤波器。,为实现有源电力滤波器的多功能补偿,1994年,H. Akagi 等人提出一种综合了串联APF和并联APF的混合型滤波器,称之为统一电能质量调节器(Unified Power Quality Conditioner简称为UPQC),可兼并二者之间的功能,其结构如下图所示。,串并联型有源电力滤波器,串联有源滤波器用于对电力系统和负载之间的谐波起隔离作用,并在电压波动时进行电压调节,同时它可以防止
14、电力系统的内阻抗和无源滤波器之间发生谐振。并联型有源滤波器主要进行谐波和无功功率的补偿,它同时还用于调节并联型和串联型有源电力滤波器所共用的直流侧电容的电压。,优缺点与适用场合 这种方式的优点是:具有良好的动态性能,对电压和电流、无功功率都可补偿。 这种方式的缺点是:控制功能比较复杂,而且并联有源电力滤波器负担谐波补偿的任务,所需容量大,功耗大。具体实用性有待于进一步的研究。 适用的场合:用于电力配电系统和工业电力系统。,2. 直流有源电力滤波器 有源电力滤波器应用于高压直流输电系统起步较晚,1988年,C. Wong和N. Mohan等人首次提出将有源电力滤波器用于高压直流输电系统,并于隔年
15、进行了可行性的验证。到20世纪90年代初,直流有源电力滤波器取得实质性的进展,最有代表性的是1991年12月首次将并联混合型直流有源电力滤波器样机在瑞典丹麦的250kV直流输电Konti-Skan2工程中投入工业试运行,取得了满意的结果。此后直流有源滤波器受到了广泛的重视。,第8章 有源电力滤波器,8.1 有源电力滤波器概述 8.2 瞬时无功功率理论与谐波电流检测 8.3 并联型有源电力滤波器,8.2 瞬时无功功率理论与谐波电流检测,8.2.1 瞬时无功功率的基础理论,(1)传统功率的概念。 传统的电力系统的交流电流和电压的有效值、有功功率、无功功率的概念都是建立在工频周期的基础上的。如对于单
16、相交流电路,设其电压和电流分别为,设 定义其有功功率为 定义其无功功率为,对于三相交流电路,定义其有功功率为三个单相电路有功功率之和,无功功率为其三个单相电路无功功率之和。 对于此类电力电子装置,采用上述功率定义无法正确地描述装置在一小段时间内有功功率和无功功率的意义,因而发展新的能准确描述与功率、电压瞬时值相对应的瞬时有功功率、瞬时无功功率等概念是必要的。,(2)瞬时无功功率理论。 H. Akagi最初提出的理论亦称pq理论,是以瞬时实功率p和瞬时虚功率q的定义为基础,其基本思想是将abc三相系统电压、电流转换成ab坐标系上的矢量,将电压、电流矢量的点积定义为瞬时实电功率,电压、电流矢量的矢
17、量积定义为瞬时虚电功率,并由此导出相应的概念,其主要一点不足是未对有关的电流量进行定义。,设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为ea、eb、ec和ia、ib、ic,将其变换到a-b两相正交的坐标系中,如图所示。,图8-12 ab坐标系中的电压、电流矢量,1)在ab两相坐标系中的定义。 由下面的变换可得到ab两相瞬时电压ea、eb和两相瞬时电流ia、ib。,其中,(8-9),(8-10),由矢量图可知,在上述公式中,其中ip和iq分别为三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流。,定义三相电路瞬时有功功率p(瞬时无功功率q)为电压矢量的模和三相电路瞬时有功电流ip(三相电路瞬时无功电流iq)的乘积。即,
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