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山有德水无沙 2014-12-01

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有源电力滤波器

有源滤波器现场应用有源电力滤波器（APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，之所以称为有源，顾名思义该装置需要提供电源，其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点（传统的只能固定补偿），实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功.

基本信息

中文名称

有源电力滤波器
外文名称

Active power filter
英文简称

APF

所属学科

物理
所属领域

电学
种类

并联型和串联型

展开

1 概述

7.1 低纹波电流

7.2 技术分析

7.3 提高系统耐压

8 有源电力滤波器的参数和基本应用

8.1 SPA3系列有源电力滤波器

8.2 SPA4系列有源电力滤波器

8.3 主要应用场合

9 其他

概述

三相电路瞬时无功功率理论是APF发展的主要基础理论；APF有并联型和串联型两种，前者用的多；并联有源滤波器主要是治理电流谐波，串联有源滤波器主要是治理电压谐波等引起的问题。

理论基础

　　有源滤波器同无源滤波器比较，治理效果好，主要可以同时滤除多次及高次谐波，不会引起谐振，但是价位相对高！目前的有源滤波器均以低压为主，高压有源滤波器技术已经成熟，但是实际应用安全系数很低，国际普遍做法是以变压器升压，来保证可靠性，国家相关部门也要求以变压器升压的形式和有源滤波器结合，治理高压谐波！

工作原理

　　有源电力滤波器通过电流互感器检测负载电流，并通过内部DSP计算，提取出负载电流中的谐波成分，然后通过PWM信号发送给内部IGBT,控制逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等，方向相反的谐波电流注入到电网中，达到滤波的目的。

产品设计及生产遵循的国内，国际标准

　　国际标准
EN 50091-3, EN 61000-6-2, EN55011, EN 50178:1997, IEC 62040-3, IEC 50178:1997, AS 62040-3（VFI SS 111）, CISPR11
国家标准
GB/T14549-93《电能质量：公用电网谐波》
GB/T15543-1995 《电能质量：三相电压允许不平衡度》
GB/T15945-1995 《电能质量：电力系统频率允许偏差》
GB/T12326-2000 《电能质量：电压波动和闪变》
GB/T12325-2003 《电能质量：供电电压允许偏差》
GB/T18481-2001 《电能质量：暂时过电压和瞬态过电压》
GB/T15576-1995 《低压无功功率静态补偿装置总技术条件》
GB7625.11998 《低压电气电子产品发出的谐波电流限值》
GB4208-93 《外壳防护等级的分类》

三电平技术

　　二极管箝位三电平拓扑由日本学者Nabae. A 等人在1980 年提出，经过近30年的发展，广泛应用于电力电子技术的各个领域。二极管箝位三电平拓扑的优势在于，各个开关管承受的反向电压为直流母线电压的一半，可以用较低电压等级的开关管，组成较高电压等级的变流器。这个技术现在已经广泛的应用于中压大功率交流传动系统中。采用6500V等级的IGBT或IGCT的三电平中压变频器，已经广泛应用于4.2kV电动机传动系统。通常三电平技术一般应用于电压较高、功率较大的系统中，正是由功率器件耐压有限与变流器系统需求电压较高的矛盾现实决定的。但是我们应该看到二极管箝位三电平拓扑本身固有的一些优势。

技术优势

　　（1）用电压等级较低的开关管构成电压等级较高的变流器，随着功率器件技术的不断发展，市场上已经有6500V的IGBT出售，但是耐压越高的IGBT其开关损耗越高，最高开关频率也变得比较低。3300V以上的IGBT开关频率最高不会超过5kHz,1200V的IGBT的开关损耗远大于600V的IGBT。采用低压IGBT的三电平变流器的开关损耗远低于同样电压等级采用高压IGBT的两电平变流器，同时前者可以达到的开关频率也高于后者。
（2）能够输出三种电平。二极管箝位三电平变流器能够输出正母线电压、负母线电压以及零电压（简称P、N、O）,一般情况下输出电压在P-O、O-N之间跳变，特殊情况下会出现P-N跳变，而两电平变流器只能在P-N之间跳变。也就是说三电平的电压跳变幅度为直流母线电压的一半，而两电平的为直流母线电压。高的电压跳变幅度对并网逆变器或有源电力滤波器带来的是较高的纹波电流，为了抑制纹波电流，需要较大的输出电感和滤波电容，由此带来了较高的纹波电流损耗。同时由于输出滤波电感电容也降低了电流响应速度，或对输出电流的能力产生了一定的限制。对于变频器带来的则是对电机的冲击以及较大的轴电流，严重影响着电机的寿命。另外，较高的电压跳变幅度也会产生严重的电磁干扰，对周边电子设备产生也重危害。而三电平以其固有的优势，在很大程度上解决了上述问题。
随着技术的不断发展，三电平技术被越来越多的人所重视，同时也将其从中压大功率领域，引入到400V的低压小功率应用之中，各个国际知名功率器件厂家推出了大量适应于400V系统应用的集成二极管箝位三电平功率模块，并有逐渐取代传统两电平变流器的趋势。应用于400V领域的成功的三电平产品如下：
（1）2008年日本安川电机推出了Varispeed G7系列通用矢量变频器，其400V产品采用三菱的三电平功率模块，并在应用中取得了巨大成功。
（2）2009年德州和能工业自动化有限公司在自主开发的三电平变流器控制技术的基础上，推出了HEINV系列三电平光伏并网逆变器，前端采用对称BOOST进行最大功率点跟踪，逆变器采用二极管箝位三电平拓扑，两者相互配合，采用Semikron的三电平功率模块，各项指标均优于同类两电平产品。
（3）2009年德州和能工业自动化有限公司推出了业界第一个三电平有源电力滤波器HESINE系列产品，并取得了巨大的成功。本文将对此系列产品做一个较为详细的说明。

有源电力滤波器

　　将二极管箝位三电平技术应用于有源电力滤波器领域，国内外很多文献都有涉及，国内外许多专家学者对此都进行了比较深入的研究，也提出了很多新的算法。但是，三电平有源电力滤波器始终没有从实验室走向市场。究其原因，有可能是技术不够成熟，控制算法过于复杂，应用成本高，也可能是企业界对此不够重视，尚未认识到该技术的优势。德州和能工业自动化有限公司通过对三电平技术的深入研究以及对市场趋势的正确把握，在业界首先推出了三电平有源电力滤波器产品。
三电平有源电力滤波器与传统两电平有源电力滤波器相比有以下优势：

低纹波电流

　　纹波电流和电流响应速度是矛盾的两个指标。作为有源电力滤波器，其基本原理是检测负载谐波，注入反相谐波，以谐波的相互抵消达到滤波的目的。一般的有源电力滤波器是一个电流模式控制的电压源逆变器。输出电流是通过逆变器输出的电压作用在输出电感上产生的。逆变器采用脉冲宽度调制，根据电工的基本原理，纹波电流决定于开关频率、直流母线电压、输出电感的大小，与电流环的控制无关。开关频率越高纹波电流越小、直流母线电压越高，纹波电流越大；输出电感越大，纹波电流越小。而逆变器期望的输出电流是由电流环所控制。有源电力滤波器输出谐波电流，如果按基波50Hz，补偿50次谐波计算，最高谐波频率将达到2.5kHz。有源电力滤波器对电流响应速度有很高的要求。

技术分析

　　电流响应速度与直流母线电压和输出电感大小有关。直流母线电压越高，电流响应越快；输出电感越大，电流响应越慢。我们期望输出纹波电流越小越好，电流响应速度越快越好，这是一对矛盾。从上述分析可以看出，两电平有源电力滤波器解决这个矛盾的办法只能是提高开关频率。现在某些厂家的两电平有源电力滤波器产品的开关频率已经达到20kHz。但是，开关频率的提高带来的是更高的开关损耗以及驱动损耗，有源电力滤波器的单机容量会受到限制，而对于更高电压等级的有源电力滤波器，高压的IGBT根本就不允许那么高的开关频率。然而，三电平有源电力滤波器从原理上就是一个解决上述问题的方案。三电平逆变器可以输出正、负、零三种电压，在计算纹波电流时，只需按直流母线电压的一半计算。由此，在相同开关频率、相同直流母线电压、相同纹波电流要求的前提下，三电平的输出电感为两电平的一半，同时器件的开关损耗和电感上的纹波损耗也会降低。在计算电流响应速度时，起作用的将是全部直流母线电压，而输出电感的减半，将加快电流的响应速度，增强滤波效果，提高单机容量。

提高系统耐压

　　通常国内低压电网为400V，但是对于某些行业，其低压电网会比较高，例如石油钻机传动采用的是600V，矿山用电可能是690V或1140V，而某些行业的电压等级可能更加多样，但一般都是500V以上。如何解决这些行业谐波治理需求，是一个问题。通常为了提高电流响应速度、保证补偿效果，处理谐波的有源电力滤波器比处理基波的变频器或并网逆变器需要更高的直流母线电压。通常两电平逆变器的直流母线电压是交流电网电压有效值的2倍。对于380V应用，直流母线电压一般在700V～750V，而对于600V，直流母线电压需要达到1200V。很多企业的做法是加一个变压器，将其他等级的电压变为400V。通过谐波的变压器是经过特殊设计的，价格比较高，体积也比较大，变压的损耗也会比较大。而采用三电平技术，可以用耐压较低的管子组成耐压较高的变流器系统，可以直接连接到电压较高的电网上，同时保证较好滤波效果和单机容量。

有源电力滤波器的参数和基本应用

SPA3系列有源电力滤波器

　　性能描述
可同时滤除2次到60次谐波
40μs内响应负荷变化，全响应时间小于10ms(1/2周波)
单相动态补偿，不受系统不平衡的影响
3.8 英寸QVGA显示屏，
MODBUS 通讯接口
采用速度高达20KHz的IGBT，完美消除谐波
并联安装方式，安装简单、方便，易于扩展，最多可10台并联
设计选型简单，不需要进行详细的电网分析，只需测量谐波电流的大小
优势
SPA3是谐波治理的完美解决方案
动态电流补偿消除谐波和提高功率因数
减少谐波在电缆、开关、变压器中的发热
减少谐波引起的停电故障和时间
提高电源利用率减少运营成本
应用范围
SPA3适用于工业负载场合

SPA4系列有源电力滤波器

　　性能描述
有效消除因零序谐波产生的中性线电流
可以同时滤除2～25次范围内的全部或选定次数的谐波
单相动态补偿，不受系统不平衡的影响
并联安装方式，安装简单、方便，易于扩展，最多可4台并联
设计选型简单，不需要进行详细的电网分析，只需测量谐波电流的大小
体积轻巧，可壁挂安装
标准的通讯接口，方便的接入用户现有的通讯系统
优势
SPA4系列是谐波治理的完美解决方案
动态电流补偿消除谐波和提高功率因数
减少谐波在电缆、开关、变压器中的发热
减少谐波引起的停电故障和时间
提高电源利用率减少运营成本
应用范围
三相四线适用于商业建筑负载场合

主要应用场合

　　1.变频设备的应用场合　随着技术的进步，变频设备大量应用于各类场合，变频设备会产生大量的谐波，因此，这类场合是有源滤波器主要的目标市场之一。　2.不稳定负荷的应用场合　不稳定负荷不是有源滤波器的主要市场，但它是电力系统一个极其重要的方面，因为不稳定的负荷虽然所占比例不大，但是它们对电力系统产生的影响却远远大于其它负荷所造成的影响，因此对于该类应用场合也应作为有源滤波器的主要市场方向之一。　3.钢铁厂　钢铁厂的电弧炉、轧钢机等是主要的谐波发生设备，且主要是冲击性负荷，对钢铁厂附近的其它负荷有很大影响。同时，谐波问题对钢铁厂无功补偿的影响很大，所以应以无功补偿和谐波治理同时处理作为目标。　4.有色冶金　有色冶金的负荷除电弧炉性质的负荷外，还由于采用直流湿法冶金而产生大量的直流成分。　5.港口机械　港机是大型的提升设备，一般都采用很大的变频器，因此是港口机械主要的谐波发生源，因此对于该类应用场合也应作为有源滤波器的市场方向之一。　6.电气化铁路　电气化铁路一般使用直流电机拖动，因此是一个市政方面的主要谐波源。根据现有上海、北京等地电气化铁路的运行情况，大多数系统都安装了滤波器。预计本产品可以达到电气铁路滤波器国产化的作用。　7.高精度自动化生产线　高精度自动化生产线本身不产生谐波，但是对于电能质量有很高的要求，因此需要在高精度自动化生产线的供电侧安装有源滤波器，以降低谐波对生产线的影响　8.办公大楼、大型商业区等节能灯和空调集中场所　办公大楼、大型商业区等节能灯和空调集中场所的谐波情况也非常严重，治理方法宜采用集中治理方法，以节省成本。