有源电力滤波器的应用及效果

有源电力滤波器的应用所在学院:信息科学与工程学院专业班级：学生姓名：学生学号：指导教师：有源电力滤波器的应用上学期我们学习了电力电子技术这门课，通过这门课的学习我了解到： 以非线性负载为主产生的谐波会对电力系统形成很大的危害，而传统的电力电子 装置本身就是产生谐波的主要污染源。要想抑制电力电子装置和其它谐波源造成 的电力系统谐波，基本思路有两条：一是装设补偿装置，设法补偿其产生的谐波； 而是对电力电子装置本身进行改进，使其不产生谐波，同时也不消耗无功功率， 或者根据需要能对其功率因数进行控制，即采用高功率因数变流器。装设LC调谐滤波器是传统的补偿谐波的主要手段。LC调谐滤波器虽然存在 很多缺陷，但其结构简单，既可补偿谐波，又可补偿无功，一直被广泛应用与电 力系统中谐波和无功功率补偿。目前的趋势是采用先进的电力电子装置进行谐波 补偿，这就是有源电力滤波器（APF）。与LC无源滤波器相比，有源滤波器具有 明显的优越性能，能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿，而且补偿特性不受 电网频率和阻抗的影响。有源电力滤波器的变流电路可以分为电压型和电流型。 从与补偿对象的连接方式看，有源电力滤波器又可分为并联型和串联型。电压型 和并联型在实际中应用较广。本学期做了一个谐波的产生和抑制的实验，其中谐波是由三相桥式整流电路 这一非线性负载产生的，在实验中采用了两种抑制谐波的方法，一种是并联无功 补偿电容器和LC滤波器，另一种是并联一个有源电力滤波器。目标是经过这两 次滤波，使谐波电流的畸变率降到5%左右。有源电力滤波器基本原理如下图1所示。设负载电流为i，谐波检测器从负l载电流中检测出谐波电流i，令指令电流i * =-i，补偿电流控制算法控制逆变hch器产生补偿电流i = i *，注入母线，抵消负载电流中的谐波，达到抑制谐波电流c c流向电源的目的。系统由四个主要部分组成有源滤波主电路、外围驱动板、谐波 检测器、DSP器件。图1谐波检测由电流传感器测量出负载电流，然后利用基于瞬时无功功率理论的 谐波电流检测技术检测谐波，计算出电网的谐波分量，并根据相应的控制算法计 算出适当的补偿量，有源电力滤波器的补偿电流由单相电压型变流器产生，功率 开关元件采用IGBT管，谐波电流检测器检测出负载电流的谐波信号i，将i反相cc后作为指令信号i*，i*的值送入控制器，控制DSP中的PWM模块输出脉宽可调的c cPWM信号，经整形、隔离、放大后，用于驱动各个功率开关的导通和关断。变流 器的交流侧出现逆变电压，此电压和电源电压之差由电感L负担，于是在回路中 产生补偿电流，补偿电网谐波。有源滤波器的优点是反映动作迅速，滤除谐波可 达到95%以上，缺点是价格高，容量小。我们做的这个实验是演示性试验，利用Matlab/Simulink平台进行并联型 有源滤波器仿真。观察投入APF前后，电路中的电压和电流波形，掌握对谐波电 流进行补偿的原理。实验原理如图2所示:Discrete,Ts = 5e-006 s.pov/ergui0Vatc_B2-latc_Bllabc_Bilabc_B2 _3 Soop11 ScopeZ6 SoopeClabc_BekSoope53rd harmonic我们首先研究一下这个实验原理图的原理。首先，由于阻感负载的三相桥 式整流电路主要产生五次谐波和七次谐波，为了模拟谐波的产生以及掌握对谐波 电流的补偿原理，在低压端增加了三次谐波发生器。三次谐波发生器的结构如图 3所示。带有很高谐波分量的电流首先通过变压器，进行第一次滤波；然后通过一组并联的RLC无源滤波器进行第二次滤波，这次滤波主要是滤掉三次和五次的谐波，其结构如图4所示：3rd图4根据所学的知识，这种无源滤波器是三阶的滤波器。三阶滤波器与二阶滤波 器相比电感多串联了一个电容，它提高了滤波器对基波频率的阻抗，从而大大减 小基波损耗，这是三阶滤波器的主要优点。我们可以通过设置电感、电阻以及电 容的参数达到滤除三次谐波和五次谐波的目的。下面介绍有源电力滤波器的模块。有源电力滤波器的模块如图5所示。CSShunt APF图5根据图5可知，这个模块的输入有三相的电压、三相电流还有滞环信号。下 面继续分解这个模块，如图6所示。cs图6通过图6可以看出，有源电力滤波器的核心环节主要有两个，一个是谐波电 流的检测环节，还有一个是谐波控制环节。再根据所学的有源电力滤波器结构的 知识，谐波控制环节包括电流跟踪和主电路。下面先看谐波电流检测环节，其具 体结构如图7所示（以A相为例）。图7的左上角是一个锁相环电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频 率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这样就保持了频率和相位的稳定。中间部分是谐 波电流的检测方法。在这个实验中，有源电力滤波器的目的只是补偿谐波，贝闲 用ip、iq方式，可以检测出负载电流iL中的谐波分量iLh,补偿电流的指令信 号ic应与谐波分量iLh极性相反。若补偿电流ic和ic完全一致，则补偿后 的电源电流与负载电流的基波分量完全相同。谐波控制环节的电路结构如图8所示。Universal Bridgeg CJDiahczibh-czX应A mBreak已icbica o图8图8的左下方是电流跟踪控制电路。由于并联型有源电力滤波器产生的补偿 电流应实时跟随其指令电流信号的变化，要求补偿电流发生器有很好的实时性, 因此电流控制采用跟踪型PWM控制方式，目前主要的方法有两种，即瞬时值比较 方式和三角波比较方式。本实验采用的是瞬时值比较方式。在该方式中，把补偿 电流的指令信号ic与实际补偿电流信号ic进行比较，两者的偏差Ac作为滞 环比较器的输入，通过滞环比较器产生主电路开关通断的PWM信号，该PWM信号 经驱动电路来控制开关的通断，从而控制补偿电流ic的变化。滞环比较器的电 路结构如图9所示。cz- iahCl-ibhzgibhCEidi1iahiahCEibhClictrCExo图8的左上方是主电路。补偿电流ic是主电路中直流侧电容电压与交流侧 电源电压的差值作用于电感上产生的。主电路的工作情况是由主电路的6组开关 器件的通断组合决定的。将特定的开关组合所对应的工作情况称为工作模式。通 常情况下，同一相的上下两组开关总有一组中的一个器件是导通的。以上就是有源电力滤波器的结构和原理。下面介绍这个仿真实验中滤波的效 果。这次实验，我选取了四个节点B3、B2、Bl、B7来说明滤波的效果。节点B3的电压和电流波形及傅里叶分析如下：SO151050U.50.3Tims offset: 0U.U5图10（注：上面为电压波形，下面为电流波形，下同）-FFT analysis EEP 匚 nLL牢)通过图10和图11可以看出，电网接入非线性负载和三次谐波发生器后，电流波形失真非常厉害，电流的畸变率达到了 36.41%。主要的谐波为三次、五次和七次。图12节点B2：FFT analysisFundamental (50Hz) = 26.88 THD二 14.80%Harmonic ordero(-E 匸曲 EEP LlnLL坐)mF乏经过一次变压器的滤波后，电流的畸变率大幅下降到14.8%,而且波形也有了很大的改善。节点B1：Time offset: 0图14FFT analysisFundamental (50Hz) = 23.95 . THD= 7.73%Harmonic order5 4 3 2 10(ralumLUEPUnLL芯 爭)Be 乏由此可见，经过了一次三次、五次谐波的无源滤波后，三、五次谐波已大幅 减少，电流波形进一步完善。同时，电流的畸变率继续下降。节点B7：-301IIIIII_00.050.10.150.20.250.3Time offset: 0图16r- FFT analysisFundamental (50Hz) = 24 09. THD= 2.82%8o.(-ElmEP ImLLoo5101520Harmonic order通过图17可知，经过有源电力滤波后，电流的畸变率已经下降到2.82%。完全符合电网的要求，达到了很好的滤波效果。参考文献：1 王兆安、刘进军.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，20092 王兆安、杨君等谐波抑制和无功功率补偿M.北京：机械工业出版社,2013