有源電力濾波器

　　有源電力濾波器通過(guò)電流互感器檢測(cè)負(fù)載電流，并通過(guò)內(nèi)部DSP計(jì)算，提取出負(fù)載電流中的諧波成分，然后通過(guò)PWM信號(hào)發(fā)送給內(nèi)部IGBT,控制逆變器產(chǎn)生一個(gè)和負(fù)載諧波電流大小相等，方向相反的諧波電流注入到電網(wǎng)中，達(dá)到濾波的目的。

有源電力濾波器

　　有源電力濾波器（APF）是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Υ笮『皖l率都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，之所以稱為有源，顧名思義該裝置需要提供電源，其應(yīng)用可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方法的缺點(diǎn)（傳統(tǒng)的只能固定補(bǔ)償），實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，而且可以既補(bǔ)諧波又補(bǔ)無(wú)功；三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論是APF發(fā)展的主要基礎(chǔ)理論；APF有并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種，前者用的多；并聯(lián)有源濾波器主要是治理電流諧波，串聯(lián)有源濾波器主要是治理電壓諧波等引起的問(wèn)題。有源濾波器同無(wú)源濾波器比較，治理效果好，主要可以同時(shí)濾除多次及高次諧波，不會(huì)引起諧振，但是價(jià)位相對(duì)高！目前的有源濾波器均以低壓為主，高壓有源濾波器技術(shù)已經(jīng)成熟，但是實(shí)際應(yīng)用安全系數(shù)很低，國(guó)際普遍做法是以變壓器升壓，來(lái)保證可靠性，國(guó)家相關(guān)部門也要求以變壓器升壓的形式和有源濾波器結(jié)合，治理高壓諧波！

　　工作原理：有源電力濾波器通過(guò)電流互感器檢測(cè)負(fù)載電流，并通過(guò)內(nèi)部DSP計(jì)算，提取出負(fù)載電流中的諧波成分，然后通過(guò)PWM信號(hào)發(fā)送給內(nèi)部IGBT,控制逆變器產(chǎn)生一個(gè)和負(fù)載諧波電流大小相等，方向相反的諧波電流注入到電網(wǎng)中，達(dá)到濾波的目的。

　　一、二極管箝位三電平技術(shù)

　　二極管箝位三電平拓?fù)溆扇毡緦W(xué)者Nabae.A等人在1980年提出，經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于電力電子技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。二極管箝位三電平拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)在于，各個(gè)開關(guān)管承受的反向電壓為直流母線電壓的一半，可以用較低電壓等級(jí)的開關(guān)管，組成較高電壓等級(jí)的變流器。這個(gè)技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于中壓大功率交流傳動(dòng)系統(tǒng)中。采用6500V等級(jí)的IGBT或IGCT的三電平中壓變頻器，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于4.2kV電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。通常三電平技術(shù)一般應(yīng)用于電壓較高、功率較大的系統(tǒng)中，正是由功率器件耐壓有限與變流器系統(tǒng)需求電壓較高的矛盾現(xiàn)實(shí)決定的。但是我們應(yīng)該看到二極管箝位三電平拓?fù)浔旧砉逃械囊恍﹥?yōu)勢(shì)。

　　（1）用電壓等級(jí)較低的開關(guān)管構(gòu)成電壓等級(jí)較高的變流器，隨著功率器件技術(shù)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)上已經(jīng)有6500V的IGBT出售，但是耐壓越高的IGBT其開關(guān)損耗越高，最高開關(guān)頻率也變得比較低。3300V以上的IGBT開關(guān)頻率最高不會(huì)超過(guò)5kHz,1200V的IGBT的開關(guān)損耗遠(yuǎn)大于600V的IGBT。采用低壓IGBT的三電平變流器的開關(guān)損耗遠(yuǎn)低于同樣電壓等級(jí)采用高壓IGBT的兩電平變流器，同時(shí)前者可以達(dá)到的開關(guān)頻率也高于后者。

　　（2）能夠輸出三種電平。二極管箝位三電平變流器能夠輸出正母線電壓、負(fù)母線電壓以及零電壓（簡(jiǎn)稱P、N、O）,一般情況下輸出電壓在P-O、O-N之間跳變，特殊情況下會(huì)出現(xiàn)P-N跳變，而兩電平變流器只能在P-N之間跳變。也就是說(shuō)三電平的電壓跳變幅度為直流母線電壓的一半，而兩電平的為直流母線電壓。高的電壓跳變幅度對(duì)并網(wǎng)逆變器或有源電力濾波器帶來(lái)的是較高的紋波電流，為了抑制紋波電流，需要較大的輸出電感和濾波電容，由此帶來(lái)了較高的紋波電流損耗。同時(shí)由于輸出濾波電感電容也降低了電流響應(yīng)速度，或?qū)敵鲭娏鞯哪芰Ξa(chǎn)生了一定的限制。對(duì)于變頻器帶來(lái)的則是對(duì)電機(jī)的沖擊以及較大的軸電流，嚴(yán)重影響著電機(jī)的壽命。另外，較高的電壓跳變幅度也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，對(duì)周邊電子設(shè)備產(chǎn)生也重危害。而三電平以其固有的優(yōu)勢(shì)，在很大程度上解決了上述問(wèn)題。

　　隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，三電平技術(shù)被越來(lái)越多的人所重視，同時(shí)也將其從中壓大功率領(lǐng)域，引入到400V的低壓小功率應(yīng)用之中，各個(gè)國(guó)際知名功率器件廠家推出了大量適應(yīng)于400V系統(tǒng)應(yīng)用的集成二極管箝位三電平功率模塊，并有逐漸取代傳統(tǒng)兩電平變流器的趨勢(shì)。應(yīng)用于400V領(lǐng)域的成功的三電平產(chǎn)品如下：

　　（1）2008年日本安川電機(jī)推出了Varispeed G7系列通用矢量變頻器，其400V產(chǎn)品采用三菱的三電平功率模塊，并在應(yīng)用中取得了巨大成功。

　　（2）2009年德州和能工業(yè)自動(dòng)化有限公司在自主開發(fā)的三電平變流器控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，推出了HEINV系列三電平光伏并網(wǎng)逆變器，前端采用對(duì)稱BOOST進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，逆變器采用二極管箝位三電平拓?fù)洌瑑烧呦嗷ヅ浜希捎肧emikron的三電平功率模塊，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于同類兩電平產(chǎn)品。

　　（3）2009年德州和能工業(yè)自動(dòng)化有限公司推出了業(yè)界第一個(gè)三電平有源電力濾波器HESINE系列產(chǎn)品，并取得了巨大的成功。本文將對(duì)此系列產(chǎn)品做一個(gè)較為詳細(xì)的說(shuō)明。

　　二、Hesine系列有源電力濾波器

　　將二極管箝位三電平技術(shù)應(yīng)用于有源電力濾波器領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外很多文獻(xiàn)都有涉及，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者對(duì)此都進(jìn)行了比較深入的研究，也提出了很多新的算法。但是，三電平有源電力濾波器始終沒(méi)有從實(shí)驗(yàn)室走向市場(chǎng)。究其原因，有可能是技術(shù)不夠成熟，控制算法過(guò)于復(fù)雜，應(yīng)用成本高，也可能是企業(yè)界對(duì)此不夠重視，尚未認(rèn)識(shí)到該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。德州和能工業(yè)自動(dòng)化有限公司通過(guò)對(duì)三電平技術(shù)的深入研究以及對(duì)市場(chǎng)趨勢(shì)的正確把握，在業(yè)界首先推出了三電平有源電力濾波器產(chǎn)品。

　　三電平有源電力濾波器與傳統(tǒng)兩電平有源電力濾波器相比有以下優(yōu)勢(shì)：

　　（1）低紋波電流，高電流響應(yīng)速度。

　　紋波電流和電流響應(yīng)速度是矛盾的兩個(gè)指標(biāo)。作為有源電力濾波器，其基本原理是檢測(cè)負(fù)載諧波，注入反相諧波，以諧波的相互抵消達(dá)到濾波的目的。一般的有源電力濾波器是一個(gè)電流模式控制的電壓源逆變器。輸出電流是通過(guò)逆變器輸出的電壓作用在輸出電感上產(chǎn)生的。逆變器采用脈沖寬度調(diào)制，根據(jù)電工的基本原理，紋波電流決定于開關(guān)頻率、直流母線電壓、輸出電感的大小，與電流環(huán)的控制無(wú)關(guān)。開關(guān)頻率越高紋波電流越小、直流母線電壓越高，紋波電流越大；輸出電感越大，紋波電流越小。

　　而逆變器期望的輸出電流是由電流環(huán)所控制。有源電力濾波器輸出諧波電流，如果按基波50Hz，補(bǔ)償50次諧波計(jì)算，最高諧波頻率將達(dá)到2.5kHz。有源電力濾波器對(duì)電流響應(yīng)速度有很高的要求。電流響應(yīng)速度與直流母線電壓和輸出電感大小有關(guān)。直流母線電壓越高，電流響應(yīng)越快；輸出電感越大，電流響應(yīng)越慢。我們期望輸出紋波電流越小越好，電流響應(yīng)速度越快越好，這是一對(duì)矛盾。

　　從上述分析可以看出，兩電平有源電力濾波器解決這個(gè)矛盾的辦法只能是提高開關(guān)頻率。現(xiàn)在某些廠家的兩電平有源電力濾波器產(chǎn)品的開關(guān)頻率已經(jīng)達(dá)到20kHz。但是，開關(guān)頻率的提高帶來(lái)的是更高的開關(guān)損耗以及驅(qū)動(dòng)損耗，有源電力濾波器的單機(jī)容量會(huì)受到限制，而對(duì)于更高電壓等級(jí)的有源電力濾波器，高壓的IGBT根本就不允許那么高的開關(guān)頻率。然而，三電平有源電力濾波器從原理上就是一個(gè)解決上述問(wèn)題的方案。三電平逆變器可以輸出正、負(fù)、零三種電壓，在計(jì)算紋波電流時(shí)，只需按直流母線電壓的一半計(jì)算。由此，在相同開關(guān)頻率、相同直流母線電壓、相同紋波電流要求的前提下，三電平的輸出電感為兩電平的一半，同時(shí)器件的開關(guān)損耗和電感上的紋波損耗也會(huì)降低。在計(jì)算電流響應(yīng)速度時(shí)，起作用的將是全部直流母線電壓，而輸出電感的減半，將加快電流的響應(yīng)速度，增強(qiáng)濾波效果，提高單機(jī)容量。

　　（2）提高系統(tǒng)耐壓，應(yīng)用于較高電壓系統(tǒng)。

　　通常國(guó)內(nèi)低壓電網(wǎng)為400V，但是對(duì)于某些行業(yè)，其低壓電網(wǎng)會(huì)比較高，例如石油鉆機(jī)傳動(dòng)采用的是600V，礦山用電可能是690V或1140V，而某些行業(yè)的電壓等級(jí)可能更加多樣，但一般都是500V以上。如何解決這些行業(yè)諧波治理需求，是一個(gè)問(wèn)題。通常為了提高電流響應(yīng)速度、保證補(bǔ)償效果，處理諧波的有源電力濾波器比處理基波的變頻器或并網(wǎng)逆變器需要更高的直流母線電壓。通常兩電平逆變器的直流母線電壓是交流電網(wǎng)電壓有效值的2倍。對(duì)于380V應(yīng)用，直流母線電壓一般在700V～750V，而對(duì)于600V，直流母線電壓需要達(dá)到1200V。很多企業(yè)的做法是加一個(gè)變壓器，將其他等級(jí)的電壓變?yōu)?00V。通過(guò)諧波的變壓器是經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的，價(jià)格比較高，體積也比較大，變壓的損耗也會(huì)比較大。而采用三電平技術(shù)，可以用耐壓較低的管子組成耐壓較高的變流器系統(tǒng)，可以直接連接到電壓較高的電網(wǎng)上，同時(shí)保證較好濾波效果和單機(jī)容量。

　　正是基于上述優(yōu)點(diǎn)，德州和能工業(yè)自動(dòng)化有限公司在本公司三電平變流器控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，緊密跟蹤行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，推出三電平有源電力濾波器產(chǎn)品。同時(shí)，我公司愿與業(yè)內(nèi)同行企業(yè)合作，共同推進(jìn)三電平有源電力濾波器的應(yīng)用，為中國(guó)電能質(zhì)量事業(yè)做出貢獻(xiàn)。

工作原理

　　有源電力濾波器通過(guò)電流互感器檢測(cè)負(fù)載電流，并通過(guò)內(nèi)部DSP計(jì)算，提取出負(fù)載電流中的諧波成分，然后通過(guò)PWM信號(hào)發(fā)送給內(nèi)部IGBT,控制逆變器產(chǎn)生一個(gè)和負(fù)載諧波電流大小相等，方向相反的諧波電流注入到電網(wǎng)中，達(dá)到濾波的目的。

理論基礎(chǔ)

　　有源濾波器同無(wú)源濾波器比較，治理效果好，主要可以同時(shí)濾除多次及高次諧波，不會(huì)引起諧振，但是價(jià)位相對(duì)高！目前的有源濾波器均以低壓為主，高壓有源濾波器技術(shù)已經(jīng)成熟，但是實(shí)際應(yīng)用安全系數(shù)很低，國(guó)際普遍做法是以變壓器升壓，來(lái)保證可靠性，國(guó)家相關(guān)部門也要求以變壓器升壓的形式和有源濾波器結(jié)合，治理高壓諧波！

主要應(yīng)用場(chǎng)合

　　1.變頻設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)合隨著技術(shù)的進(jìn)步，變頻設(shè)備大量應(yīng)用于各類場(chǎng)合，變頻設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，因此，這類場(chǎng)合是有源濾波器主要的目標(biāo)市場(chǎng)之一。

　　2.不穩(wěn)定負(fù)荷的應(yīng)用場(chǎng)合不穩(wěn)定負(fù)荷不是有源濾波器的主要市場(chǎng)，但它是電力系統(tǒng)一個(gè)極其重要的方面，因?yàn)椴环€(wěn)定的負(fù)荷雖然所占比例不大，但是它們對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它負(fù)荷所造成的影響，因此對(duì)于該類應(yīng)用場(chǎng)合也應(yīng)作為有源濾波器的主要市場(chǎng)方向之一。

　　3.鋼鐵廠鋼鐵廠的電弧爐、軋鋼機(jī)等是主要的諧波發(fā)生設(shè)備，且主要是沖擊性負(fù)荷，對(duì)鋼鐵廠附近的其它負(fù)荷有很大影響。同時(shí)，諧波問(wèn)題對(duì)鋼鐵廠無(wú)功補(bǔ)償?shù)挠绊懞艽螅詰?yīng)以無(wú)功補(bǔ)償和諧波治理同時(shí)處理作為目標(biāo)。

　　4.有色冶金有色冶金的負(fù)荷除電弧爐性質(zhì)的負(fù)荷外，還由于采用直流濕法冶金而產(chǎn)生大量的直流成分。

　　5.港口機(jī)械港機(jī)是大型的提升設(shè)備，一般都采用很大的變頻器，因此是港口機(jī)械主要的諧波發(fā)生源，因此對(duì)于該類應(yīng)用場(chǎng)合也應(yīng)作為有源濾波器的市場(chǎng)方向之一。

　　6.電氣化鐵路電氣化鐵路一般使用直流電機(jī)拖動(dòng)，因此是一個(gè)市政方面的主要諧波源。根據(jù)現(xiàn)有上海、北京等地電氣化鐵路的運(yùn)行情況，大多數(shù)系統(tǒng)都安裝了濾波器。預(yù)計(jì)本產(chǎn)品可以達(dá)到電氣鐵路濾波器國(guó)產(chǎn)化的作用。

　　7.高精度自動(dòng)化生產(chǎn)線高精度自動(dòng)化生產(chǎn)線本身不產(chǎn)生諧波，但是對(duì)于電能質(zhì)量有很高的要求，因此需要在高精度自動(dòng)化生產(chǎn)線的供電側(cè)安裝有源濾波器，以降低諧波對(duì)生產(chǎn)線的影響。

　　8.辦公大樓、大型商業(yè)區(qū)等節(jié)能燈和空調(diào)集中場(chǎng)所辦公大樓、大型商業(yè)區(qū)等節(jié)能燈和空調(diào)集中場(chǎng)所的諧波情況也非常嚴(yán)重，治理方法宜采用集中治理方法，以節(jié)省成本。

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