APF综述.doc

有源电力滤波器（APF）电气工程 SJ1041 学号201020141025 王梦然谐波电流和谐波电压的出现，对于电力系统的安全运行是一种“污染”，它们降低了电力系统正弦波形的质量，不但严重的影响电力系统自身，而且还危机用户及周围的通信设备。近半个世纪以来，随着电力电子设备的推广使用，非线性负荷的日益增加，特别是高压直流输电的运用，谐波污染问题日益严重，并因此受到人们的普遍注意和关注。减小谐波影响的技术措施可以从俩方面入手：一是从谐波源出发，减少谐波的产生；二是安装滤波装置。常见的滤波装置包括有源滤波器，无源滤波器以及混合滤波器。无源滤波器也成为LC滤波器，是由电容器，电抗器及电阻器组合而成的滤波装置。无源滤波器的工业应用已经有相当长的历史，其设计方法可靠，结构简单，但其滤波特性依赖于系统阻抗特性，并容易受温漂，网络上谐波污染程度，滤波电容老化及非线性程度的影响。此外，无源滤波器仅对特定的谐波能进行有效的衰减基于此，无源滤波器的滤波效果并不理想。与无源滤波器相对应的是有源滤波器（APF），APF采用开关变换器消除谐波电流，克服了无源滤波器的缺点。有源滤波器有着无源滤波器无可比拟的优势，因此受到越来越普遍的应用。1 有源滤波器的发展历史1971年日本科学家完整描述了有源滤波器的基本原理。1976年美国科学家提出了采用脉冲宽度调制控制的有源电力滤波器，确定了主电路的基本拓扑结构和控制方法，从原理上阐明了有源滤波器是一理想的谐波电流发生器，并讨论了实现方法和相应的控制原理，奠定了有源电力滤波器的基础，然而，由于在二十世纪七十年代缺少大功率可关断器件，有源滤波器除了有限的实验室研究外，几乎没有任何进展。进入20世纪八十年代以来，新型半导体器件的出现，PWM技术的发展，尤其是1983年日本的H.akagi等人提出了“三相电路瞬时无功功率理论”，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在三相有源电力滤波器中得到了成功的应用，极大的促进了有源电力滤波器的发展。 与无源电力滤波器相比，有源电力滤波器是一种主动型的补偿装置，具有较好的动态特性。有源电力滤波器是近年来的热门话题。目前，有源滤波技术已经在日本美国等发达国家得到应用，有工业装置投入运行。2有源滤波器的分类APF是由一组开关器件和无源储能元件如电感和电容组成,APF系统主要由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两大部分组成。它的基本工作原理是检测补偿对象的电流和电压,经过指令运算电路得到补偿电流的指令信号。该信号经控制器由补偿电流发生电路获得,补偿电流与负载中的谐波及无功等电流抵消,最终获得期望的电源电流。有源滤波器的结构形式很多,但其基本原理都是类似的。（1）按照与电网的联结方式可分为并联型、串联型、串并联型和混合型的APF。图1为并联型有源滤波器结构,由于其与系统相并联,可等效为一受控电流源。并联型APF可产生与符合电流大小相等、方向相反的谐波电流,从而将电源侧电流补偿为正弦基波电流。它主要适用于电流源型非线性负载的谐波电流抵消、无功补偿以及平衡三相系统中的不平衡电流等。目前并联型有源滤波器在技术上已较成熟,是一种应用广泛的有源滤波器拓扑结构。图2为串联型有源滤波器结构。通过1个匹配变压器将有源滤波器串联于电源和负载之间,以消除电压谐波,平衡或调整负载的端电压。与并联型相比,串联型有源滤波器损耗较大,且各种保护电路也较复杂。图3为串并联型有源滤波器结构。组合了串联、并联型有源滤波器的优点,能解决电气系统发生的大多数电能质量问题,所以又称之为万能有源滤波器或统一电能质量调节器(UPQC)。图4为混合型有源滤波器结构。混合型有源滤波器是在串联型有源滤波器的基础上使用一些大容量的无源L-C滤波网络来承担消除低次谐波,进行无功补偿。而串联型有源滤波器只承担消除高次谐振及阻尼无源LC网络与线路阻抗产生的谐波谐振的任务。从而使串联型有源滤波器的电流、电压额定值大大减少(功率容量可减少到负载容量的5%以下),降低了有源滤波器的成本和体积。（2）根据接入电网的方式有源电力滤波器还可以分为直接接入和通过无源滤波器间接接入的两种方式。（3）按有源电力滤波器中直流侧储能原件的不同，有源型电力滤波器又分为电压型有源电力滤波器（储能原件为电容）和电流型有源电力滤波器（储能原件为电感）。（4）根据补偿系统的相数来分类，有源滤波器可分为单相和三相两种，三相系统又分为三相三线制和三相四线制。（5）根据应用场合分类，有源电力滤波器可以分为应用在直流系统（主要是高压直流输电系统）的有源直流滤波器和应用在交流系统的滤波器。3. 谐波检测电力有源滤波器要精确补偿电网谐波电流和无功功率,首先要将电网的各次谐波和无功功率的大小准确检测出来,如果检测结果存在误差,即使跟踪非常准确,也难以达到良好的结果.传统的基于富里叶频普分析的谐波电流检测技术,由于计算复杂,延时较大,实时性较差,难以实现瞬时检测。基于三相无功功率理论的瞬时矢量法,是目前投入运行的三相电力有源滤波器中应用最广泛的一种谐波电流检测技术,但这种方法计算复杂,且检测精度不高。目前该领域研究的方向主要有以下方法。（1）dq法检测谐波电流的原理三相电路瞬时无功功率理论于20 世纪80 年代提出, 并得到了成功的应用, 它系统定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等功率量。目前电网中谐波和无功检测运用较多的是基于瞬时无功功率理论的dq 法, 电网电压畸变时该方法仍然可行。dq 法检测谐波电流的原理。该法需用到i la、i lb、i lc 以及与a 相电源电压ua同相位的正、余弦信号, 再算得三相负载基波电流ilfa、ilfb、i lfc 。可见: 三相负载电流减去其基波电流即得谐波电流(2)自适应检测法。该法基于自适应滤波中的自适应干扰抵消原理,从负载电流中消去基波有功分量,从而得到所需补偿的电流值。该方法的优点是对电网电压畸变、频偏及电网参数变化有较好的自适应能力,但其动态响较慢。4.控制系统有源电力滤波器的控制系统及选用的控制算法是其滤波效果好坏的关键。有源电力滤波器的控制系统主要有模拟控制系统，数字控制系统以及数字模拟混合控制系统三类。近年来随着微电子技术的快速发展，各种数字处理芯片的性能大大提高，因此有源电力滤波器的控制系统逐步由模拟控制系统转化为模拟数字混合控制系统及纯数字控制系统。5应用情况及前景展望有源型滤波器在我国有着广阔的应用前景，主要可用于下列机电设备的谐波抑制：（1）各行业电动机调速装置的谐波抑制；（2）直流和交流电弧炉晶闸管供电装置的谐波抑制；（3）轧机用交、直流晶闸管供电装置的谐波抑制；（4）电解、电镀用整流装置的谐波抑制；（5）高频感应炉用逆变器的谐波抑制；（6）变频器的谐波抑制；（7）各种含有电力电子器件的换流设备的谐波抑制；（8）适用于如办公大楼、移动通信、电力系统、石油、化工、烟草、液晶、制药、造船、汽车制造、电信、水泥、矿山、地铁、电气化铁路、造纸、精密机械加工、纺织、印刷、半导体制造、机场、港口、医疗等的供电与配电系统。随着我国对电能质量治理工作的日益重视，有源电力滤波器作为净化电网污染、改善供电质量的一种有效装置，有着广阔的应用前景。综合现阶段国内外对APF的研究和应用，可看出其有如下发展趋势：(1)采用混合型有源电力滤波系统，减小装置的容量以达到降低成本和提高效率的目的；(2)随着电力电子器件的发展、微机控制技术的完善、数字信号处理器(DSP)运算速度的提高以及补偿控制策略的不断改进，将会逐步实现滤波器控制系统的简化与数字化，进一步提高装置的可靠性；(3)随着谐波检测算法向智能化、多功能实用化发展，APF将会实现多功能化，不仅可以补偿系统谐波，还可以补偿无功电流，抑制闪变，稳定系统电压等；(4)对谐波理论的进一步研究，完善现有的谐波检测理论体系并建立新体系，提出新的检测方法和控制策略，进一步发展在线测量谐波电流的技术和产品。参考文献：【1】 姜齐荣，赵东元，陈建业。有源电力滤波器。北京：科学技术出版社，2005【2】 Hirofumi Akagi，“New trends in active power filter for improving power quality” IEEE,1994【3】 石新春, 霍利民. 电力电子技术与谐波抑制 J . 华北电力大学学报, 2002, 29( 1) : 69. 【4】 王兆安, 杨 君, 刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿 M . 北京: 机械工业出版社, 1998【5】 李战鹰，任霞，杨泽明。有源滤波装置及其应用研究综述【J】.电网技术，2004，28（22）：40-43【6】 周林，庄华。单相电源电力滤波器的控制