1、第六章 电力有源滤波器,电力有源滤波器（APF)的基本原理 电力有源滤波器系统结构和主电路 并联型和并联混合型APF 串联型和串联混合型APF 串并联型APF（UPQC),6.1 电力有源滤波器的基本原理,电力有源滤波器(APF)：动态抑制谐波、补偿无功。新型电力电子装置。 并联型APF系统构成： 非线性负载为谐波源，产生谐波并消耗无功。 指令电流运算电路：检测出补偿对象电流中的谐波和无功等分量。,图71,补偿电流发生电路：根据指令信号产生补偿电流。包括：电流跟踪控制，驱动和主电路。 主电路采用PWM变流器，产生补偿电流时主要作为逆变器。 工作过程：检测补偿对象的电压和电流，经指令运算电路得出
2、补偿电流的指令信号，经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，与负载电流中的谐波和无功电流抵消，得到期望的电源电流。,若只补偿负载谐波电流：将iLh反极性作为补偿电流的指令信号iC* 。,补偿电流iC与iLh大小相等方向相反，相互抵消，使电源电流iS只含基波，不含谐波。,若谐波和无功同时补偿：,补偿电流iC与iLq+iLh大小相等方向相反相互抵消，使电源电流iS只含基波有功分量。 对不对称三相电路的负序电流等补偿同样适用。,电力有源滤波器的特点,APF可对频率和大小都变化的谐波和变化的无功功率实现动态补偿。响应速度极快。 可同时对谐波和无功进行补偿，并且补偿无功大小可以连续调节。 补偿无功不需要储
3、能元件，补偿谐波时所需储能元件容量也不大。 即使补偿对象电流过大，APF也不会发生过载，并能正常发挥作用。,电力有源滤波器的特点,受电网阻抗影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振。 能跟踪电网频率变化，补偿性能不受频率变化影响。 既可以对一个谐波和无功源单独补偿，也可以对多个集中补偿。,6.2 电力有源滤波器的系统 构成和主电路形式,并联型APF是最早最基本的结构。现派生有多种类型。 APF的萌芽：1969年论文报道，向电网注入三次谐波电流来减少电源电流中的谐波成分。 1971年论文报道，完整描述了电力有源滤波器的基本原理。,电力有源滤波器的系统 构成和主电路形式,1976年提出了采用PWM控制变
4、流器构成的APF ,确立了电力有源滤波器的基本概念，基本拓扑和控制方法。将PWM变流器视为补偿电流发生器，但仍局限于实验室。 进入80年代，APF的研究逐渐活跃，研究热点。重大突破：1983年赤木泰文等提出了“三相电路的瞬时无功功率理论”，基于此理论的检测方法成功应用于APF。,电力有源滤波器的系统 构成和主电路形式,目前，三相电路的瞬时无功功率理论被认为是APF的主要理论基础之一。 并联型APF最早单独使用。后来提出了串联型、串联混合型、并联混合型APF，适应不同的补偿对象，提高性能，减小容量。,图72,6.2.1 单独使用的APF的系统构成,根据接入电网的方式，分为并联型和串联型两大类。两
5、者又细分，各有特点。 一、单独使用的并联型APF 与APF并联的一阶高通滤波器（或使用二阶），用于滤除APF所产生的开关频率附近的谐波。 并联型：主电路与负载并联接入电网。,图73,单独使用的并联型APF,单独使用方式：补偿电流基本上全由APF提供。 APF的最基本形式，目前应用最多。主要用于： 只补偿谐波； 只补偿无功，连续可调； 补偿三相不对称电流； 补偿供电点电压波动； 以上任意项组合。,单独使用的并联型APF,主要缺点：要求变流器容量大，电源（电网）基波电压直接施加于变流器，补偿电流基本全由变流器提供。,并联混合型APF,与LC滤波器混合使用。 克服并联型要求容量较大的缺点。 LC无源
6、滤波器：结构简单，成本低。分担APF的部分补偿容量。 两者结合，优势互补。,两种混合方式：并联型APF与LC并联并联型APF与LC串联 APF与LC并联方式之一： LC高通滤波器主要补偿较高次谐波，滤除补偿对象中较高次谐波，消除补偿电流中器件通断引起的谐波。使对APF主电路开关频率要求降低。 LC高通只分担部分谐波补偿任务，对降低APF容量作用不明显，但对APF开关频率要求不高，实现大容量相对容易。,图74,APF与LC并联方式之二： LC滤波器包括多组单调谐滤波器和高通。主要补偿绝大部分谐波和无功。APF主要作用是改善系统性能，容量比单独使用时大幅降低。 LC滤波器均有可能与电网阻抗发生谐振
7、，对APF有效控制可抑制。,图75,谐波和无功基本上全由LC滤波器补偿。APF主要作用是改善LC滤波特性，克服LC滤波器易受电网阻抗影响和谐振等缺点。 APF不承受交流电源基波电压，容量小。,并联型APF与LC串联方式,图76,二、单独使用的串联型APF,APF作为电压源串联在电源与谐波源之间。 并联型APF：大都用于补偿可看作电流源的谐波源。比如阻感负载整流器。向电网注入补偿电流，抵消谐波，使电源电流为正弦波形。 并联型APF表现为电流源特性。,单独使用的串联型APF,串联型APF：主要用于补偿可看作电压源的谐波源。比如电容滤波型整流器，交流侧可视为电压源。 串联型APF表现为电压源特性。与
8、并联型对偶。 串联型APF输出补偿电压，抵消由负载或电源产生的谐波电压，使供电点电压为正弦波形。,图710,串联混合型APF 与LC滤波器混合使用方式：LC滤波器与负载并联，与电源之间串入APF。 谐波基本由LC滤波器补偿。APF的作用：改善LC滤波特性。 APF相当于可变阻抗：对基波阻抗为0，对谐波呈高阻，阻止谐波流入电网，迫使谐波流入LC滤波器。也阻止网侧谐波。 谐波隔离作用，抑制电网阻抗对LC的影响和发生谐振。,图711,6.2.2 APF的主电路形式,一、 桥式PWM变流器主电路 四象限变流器主电路，与逆变器、SVG主电路基本相同。只是应用场合、要求不同，控制方法也不同。 分为电压型和
9、电流型，直流侧储能元件不同。 电流型不会因直通而发生短路故障。但直流侧大电感始终有电流，内阻损耗较大，故目前应用较少。随着超导储能磁体研究实用化，必可取代L，电流型应用增多。,图71213 三相三线制系统,图71415,二、多重化主电路形式,APF实际应用一般容量较大，器件串并联难度大，且无法发挥单个器件的容量。 多重化主电路的优点： 容易实现大容量； 提高等效开关频率，从而改善补偿电流的跟随性能； 降低对器件开关频率要求，减小器件损耗。,APF采用的多重化主电路形式,串联电抗器多重化方式：直接通过交流侧电抗器并联，容易实现。 采用平衡电抗器多重化方式：各APF之间加入平衡电抗器，抑制环流，开
10、关频率低时适用。 使用变压器的串联多重化方式：通过变压器二次侧将各APF输出串联起来，各路PWM波直接经变压器叠加，铁损较大。,图71719,并联型APF主电路,串联型APF主电路,采用变压器连接的并联型APF,基于三电平结构的并联型APF,图716 三相四线制电路,6.3 并联型有源电力滤波器,单独使用的并联型APF最基本，工业应用最多。 分析三相三线制系统。 谐波源：三相全控整流器，阻感负载。6.3.1 指令电流运算电路 作用：根据APF的补偿目的，得出补偿电流的指令信号。,图720,谐波和无功电流实时检测方法，如何运用于APF中？ 指令电流运算电路的出发点是要满足APF的补偿目的，而要满
11、足此补偿目标要求，需要明确补偿对象即负载的工作情况。 假设负载为三相全控桥整流电路，30，可见其网侧电流方波滞后，并且含有谐波，消耗无功功率。,图721和22（图左右翻转）,由ip、 iq运算方式可检测出负载电流iL中的谐波分量iLh 。补偿电流iC*应与iLh 极性相反。 若APF能保证iC与iC*完全一致（电流跟踪），则补偿后的电源电流iS与负载电流的基波分量iLf完全相同。（如图）,若APF的补偿目的：仅补偿谐波,由ip、 iq运算方式可检测出负载电流iL中的谐波和无功分量之和iLd （iq通道断开） 。补偿电流指令信号iC*应与iLd 大小相等、极性相反。 若APF能保证iC与iC*完
12、全电流跟踪，则补偿后的电源电流iS与负载电流的基波有功分量iLpf完全相同。 （如图）,若补偿目的：同时补偿谐波和无功,图723,由ip、 iq运算方式可检测出负载电流iL中的瞬时无功分量iLq (不经LPF，直接反变换） 。补偿电流指令信号iC*应与iLq 大小相等、极性相反。 若APF能保证iC与iC*完全电流跟踪，则补偿后的电源电流iS含有基波有功分量iLpf和谐波iLh。注意仍含有一定谐波成分。 （如图）,若补偿目的：只补偿无功功率,图724,以瞬时无功功率理论为基础的检测方法中，补偿电流指令信号iC* 与瞬时有功电流ip、瞬时无功电流iq存在清晰的对应关系（如表7-1）：（4项对应）
13、ip +iq=iLhp: 谐波有功由间谐波和次谐波产生。,表71,例如 只补偿无功：对应项包含 iLfq, iLhqiLq= iL-iLp=,日本电气学会调查，工业上APF主要用于谐波补偿： 只补偿谐波：占71.7； 补偿谐波同时补无功： 20.7 同时补偿谐波、无功和供电点电压波动： 5.4 同时补偿谐波、无功和负序电流： 1.1 同时补偿谐波、无功和不平衡电流： 1.1,6.3.2 电流跟踪控制电路,电流跟踪控制电路是补偿电流发生电路的第1个环节。 电流跟踪控制电路的作用：根据指令信号和实际补偿电流之间的相互关系，得出主电路各器件通断的PWM控制信号。 电流控制采用跟踪型PWM控制方式，实
14、时性强。 跟踪型PWM控制方法：瞬时值比较方式；三角波比较方式,1. 瞬时值比较方式（滞环电流跟踪控制）,瞬时值比较方式原理：电流锯齿波状跟随指令信号变化。 图725,图726,瞬时值比较方式的特点： 硬件电路简单； 电流响应快，实时性强； 无需载波，输出电压不含特定频率谐波分量 属于闭环控制，跟踪型PWM控制的共同特点； 若环宽固定，则电流跟踪误差范围固定，但器件开关频率变化（缺点）。,环宽固定的缺点：当iC 瞬时值很小时，会导致补偿电流的相对跟随误差过大；当iC 瞬时值变大时，会导致器件开关频率过高，甚至超出最高限损坏。 解决方法：滞环比较器环宽随iC大小而自动调节。 定时控制的瞬时值比较
15、方式：由时钟控制的比较器代替滞环比较器。每隔一个时钟周期对iC 判断一次，正则出高，负则出低。,图727，28,定时控制的瞬时值比较方式,PWM信号至少需要一个周期才会跳变一次。 器件的开关频率最高不会超过时钟频率的一半。可以避免器件因开关频率过高而损坏。 缺点：补偿电流的跟随误差不固定，波形上毛刺忽大忽小。,2. 三角波比较方式,与载频三角波比较方式不同：不是直接将iC* 与三角波比较，而是将iC* 与 iC 的偏差iC 经放大器A后再与三角波比较。 A采用比例P或PI。 与瞬时值比较方式相比的特点： 跟随误差较大； 输出电压含谐波较少，与三角载波频率相同； 开关频率固定，且为三角载波频率；
16、 电流响应较慢。,图729,6.3.3 直流侧电压的控制,将UC的控制与ip-iq方法检测结合在一起。（图7-27） UC的反馈值与给定值比较，两者的偏差经PI调节器后得到调节信号ip ,叠加到瞬时有功电流的直流分量上（即ip 的平均值）。经运算在指令信号iC*中包含一定的基波有功电流，使APF的补偿电流也包含之，从而使APF直流侧与交流侧能量交换，将UC调节至给定值。,图7-27,6.3.4 并联型APF控制系统典例,转框图,补偿后电源输出的电流为：即，iS 只含有功基波正弦电流分量，pf=1。只要引入的iC适当，就可以恰好将iL的无功分量完全抵消补偿掉。但注意， iC并不含有功分量，故补偿
17、网络不消耗有功功率，只补偿无功功率（Q）。,Goback,iC如何得到？由前式可得：iP 为基波正弦有功电流，即 iS的目标电流波形。 iC既补偿了无功又补偿了谐波，使iS 得以净化，无任何谐波，且与 eS 同相，pf=1。,APF补偿控制系统,半桥式4QC作无功补偿器主电路，其DC侧无负载，不消耗有功功率,但大电容可以缓存无功能量。通常iC 也与eS 进行能量交换。它与非线性负载iL和电源之间的能量交换极性相反， iL 吞时， iC吐（大电容贮能释放）， iL吐时， iC吞，瞬时调节，离不开闭环控制系统。,转系统图,Goback,电压控制环节: Vd*为DC侧电压给定。DC侧实际电压经隔离放
18、大、滤波后与Vd*比较，其偏差信号加至PI调节器，其输出代表iP 的正弦幅度给定Ip*。10uF电容上的电压与Vd*之差作用于1k电阻上，决定着积分电流的大小，若两电压相等，则积分停止。 电流谐波和无功分量检测：基于变流器直流侧电压控制的自适应干扰消除法（三相系统亦可）,转系统图,变压器副边得到与eS同步的正弦参考信号（单位幅度） 。 这一目标电流与eS 同频同相。经求和环节得到:即得目标电流所需要的补偿电流给定信号。iC反馈电流经滞环电流跟踪控制环节实现对iC*的跟踪。,转系统图,滞环比较器一身兼二职，既作为PWM信号发生器，又具有电流调节器ACR的作用。 iC* 为平滑的非正弦模拟信号，i
19、C为锯齿状变化的波形。比如某瞬时(LF411出低)M2管on, iC ,当iC 大过iC*一个值时经反相使LF411负端电位拉低，正端电位高，则输出为正饱和，驱动M1管on，使iC 。,转系统图,可见在iC 能跟踪iC* 变化的条件下, iC补偿是否适当，决定于iP* 是否准确, iP*决定于IP* ，即PI输出。好在通过电压闭环系统控制可使IP*自动稳定在适当值上。,转系统图,若iC补偿不很适当，比如 iS= iP* 偏大, 则4QC吸收部分有功会使Vd Ip* ，使iC*自动得以调整，直到稳态Ps=P时, PC=0，Vd稳定于Vd*，Ip*恒定。,iS定为与eS 同频、同相的正弦波。因为,
20、转系统图,PSPICE仿真结果,Ip*决定了一个合适的iC*，而iC又维持了一个合适的Ip*，二者相互维持。,转系统图,图2PSPICE仿真波形,转系统图,6.4 串联型有源电力滤波器,一、串联型APF的结构和工作原理 并联型APF可以看成是一个谐波电流发生器, 相当于一个受控电流源与负荷并联。通过检测负荷电流, 产生与负荷谐波电流大小相等、相位相反的谐波电流注入电网, 从而抵消负荷谐波电流, 使电源侧电流接近正弦波。所以, 并联型APF 适合补偿电流型谐波源。,并联型APF的适用范围并联型APF只适合于补偿电流型谐波源不适合补偿电压型谐波源。典例： 电流型谐波源：晶闸管可控整流（LR负载）
21、电压型谐波源：带电容滤波的二极管整流对于电压型谐波源，补偿效果要受负荷谐波等效阻抗的影响，等效阻抗较大时，并联型APF易于发挥补偿作用。,串联型有源电力滤波器,串联型APF框图,串联型有源电力滤波器工作原理,串联型APF通过一个耦合变压器连接到配电网中, 检测电源电压, 产生与电源谐波电压大小相等、相位相反的谐波电压,从而使负荷端电压接近正弦波。,图727，28,作为动态电压调节器的串联型APF,串联型有源电力滤波器工作原理,串联型APF适用范围对于等效阻抗小的电压型谐波源, 串联型APF发挥补偿作用。串联型APF只适合补偿电压型谐波源, 不适合补偿电流型谐波源。,二、串联混合型APF,串联A
22、PF与并联无源滤波器组成的混合有源电力滤波器 Serial Hybrid Active Power Filter（SHAPF）该方案结合了无源滤波器和有源电力滤波器的优点, 具有很好的滤波性能, 而且容量较小。大部分谐波由成本较低的无源滤波器滤除, 因此APF的容量可以很小, 装置的容量可以做得很大。,SHAPF结构,SHAPF工作原理,串联APF可以看成是与系统串联的电流控制电压源, 其输出电压和谐波电流成正比。 对于谐波电流, 串联APF可以等效为高阻抗, （阻值为输出电压与谐波电流的比值），PF呈现低阻抗，负载端仅有很小的谐波残余。 在工频点,APF呈现低阻抗，PF呈现高阻抗。,SHAP
23、F工作原理,无源滤波器组通常由5 次、7 次LC 调谐滤波器跟一个高通滤波器组成。当APF的谐波等效阻抗远远大于电网阻抗和无源滤波器阻抗时, 负载谐波电流强制流入无源滤波器, 线路只剩下很小的谐波电压和电流。,SHAPF局限性,对于低次谐波处, 串联APF的等效阻抗却不能远远大于无源滤波器的等效阻抗, 无法实现完全隔绝。 对于负荷变化范围大的电网, PF在轻载时引起的容性基波电流往往变得比较突出。另外,由APF强制流入PF 的谐波电流, 有一部分是PF无法滤除的, 这样将在负载输入端产生谐波电压;而当电网电压发生严重畸变, 较小的谐波电压将在LC 滤波器上产生较大的谐波电流, 这些都会给电网造
24、成一定的谐波污染。,三、串并联型APF (p318),串-并混合APF的优点,串联型APF将电源和负载隔离, 阻止电源谐波电压串入负载和负载电流流入电网。并联型APF提供一个零阻抗的谐波支路, 把负载中的谐波电流吸收掉。这种方案兼有串、并联APF的功能, 可以抑制闪变、补偿谐波、消除共同耦合点处的三相电压不平衡, 具有较高的性能价格比。,并联型APF和串联型APF各有优缺点，其优缺点存在互补性。两种都具有一定局限性。 并联型APF具有多种功能，但主要侧重于对负载侧电流谐波、无功和负序等补偿； 串联型APF更偏重于对网侧电压谐波和不对称等补偿。 将并联型与串联型APF结合起来，研制出串并联谐波综
25、合控制器，通常称为电能质量统一控制器（Unified Power Quality Controller，简称UPQC）。,UPQC将串联型与并联型APF结合起来，既能滤除非线性负荷的谐波，防止非线性负荷产生的谐波流入系统，又能补偿系统电压的谐波、不对称，为负荷提供波形质量良好的电压。,UPQC的并联部分位于负荷侧（应用较多）,两个变流器“背靠背”连接，共用直流环节。 靠近电源侧的串联型可等效为一个受控电压源，补偿来自电网侧的电压谐波和电压波动，提高供电质量。 并联型靠近负载侧，可等效为一个受控电流源，向电网注入与负载谐波和无功电流大小相等而方向相反的补偿电流，抑制非线性、冲击性负载引起的谐波和
26、无功电流。 UC通过并联型APF从电源侧吸收和释放有功功率来维持恒定。,UPQC应满足的基本要求： 从电源电压检测出的谐波和负载电压偏差，控制串联型APF产生与之对应的补偿电压； 从负载电流中检测出谐波和无功电流，控制并联型APF产生与之大小相等而方向相反的谐波补偿电流。 UPQC的并联部分位于负载侧：串联逆变器无谐波流过，并联侧谐波少，易于谐波分离计算，但串联侧容量大。,UPQC的并联部分位于系统侧 串联逆变器有负载谐波流过，系统电压谐波作用于并联侧，检测谐波困难，串联侧容量小。,串-并混合APF的不足：由于要选择特定的控制方法来限制串联和并联逆变器的功率等级,UPQC 只能补偿一定量的无功, 当负载变化时无法提供足够的无功。另外, 当有不平衡负荷向共同耦合节点处注入不平衡电流时, 不能修正线路的不平衡电流。因此, 不能减少三相四线电网中心线的功率损失。,
