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有源电力滤波器在工业供电系统中的应用李慧平 有源电力滤波器在工业供电系统中的应用 李慧平 ( 航天材料及工 艺研究所 北京 ．1 0 0 0 7 6 ) 摘要：目前我国工业供电系统中越来越多地使用电力电子设备，这些设备会导致供电系统谐波 含量增多，电能质量下降，并对其他用电设备造成不良影响。鉴于此，本文阐述了电网谐波抑制的重 要性、紧迫性及谐波抑制方法，分析了有源滤波器的工作原理，并通过具体实例介绍其应用情况。 关键词：有源电力滤波器；谐波危害；谐波治理 DOl 编码 ：d o i ：1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 — 9 2 2 7 ． 2 0 1 4 ． 0 6 ． 0 1 2 4 Ab s l ： At p r e s e n t C h i n a s i n d u s t ria l p o we r s u p p l y s y s t e ms a r e i n c r e a s i n g l y u s i n g p o we r e l e c t r o n i c d e — v i c e s ， wh i c h wi l l l e a d t o a n i n c r e a s e i n p o we r s y s t e m h a r mo n i c c o n t e n t ， p o we r q u a l i t y d e c l i n e a n d a d v e r s e l y a f - f e c t o t he r e l e c t ric a l e q ui pme n t ． I n vi e w o f t h i s ，t he p a p e r d e s c r i be s t he i mpo r t a n c e of ha r mo ni c s u p pr e s s i o n， u r — g e nc y a nd ha r mo ni c s u p pr e s s i o n m e t ho d s t o a n a l yz e t he wo r ki ng p r i nc i pl e o f a c t i v e fil t e r s ， a nd s p e c i fic e xa m — p i e s i n t r o d u c e d b y i t s a p p l i c a t i o n ． K ： Ha rm o n i c h a z a r d s ； Ac t i v e p o we r fil t e r ； Ha rm o n i c t r e a t me n t 中图分类号：T M6 4 4 文献标识码 ：B 文章编号 ：1 0 0 1 - 9 2 2 7 ( 2 0 1 4 )0 6 - 0 1 2 4 - 0 4 0 引 言 随着 电力 电子技术 的发展及广泛应用 ，工业企 业的用 电性质发生 了很大变化 ，同时也带来一些问 题。工厂的用电设备不再仅是电热器、电机及 白炽 灯等传统负荷 ，而更多的是 电源设备、电力 电子变 频设备、计算机 电源、调压设备及节能灯等大量感 性、非线性负荷 ，以及大容量频 繁启动的负荷 。这 些设备 的使用会产生大量谐波 电流 ，使工业 电气系 统的谐波 电流量增加， 电能质量下降，从而严重影 响 电力系统的安全运行，并造成电能浪费，同时也 降低 电网的功率因数 。因而 ，近年来公用 电网的电 能质量问题备受关注 ，人们不断致力于 电网电能质 量 的研究 ，对 公用 电网进行无功补偿和谐波抑制 ， 以改善 电能质量，净化 电网环境 。有源 电力滤波器 f A c t i v e P o w e r F i l t e r ，A P F ) 是 一种 新 型 电力 电子装 置 ，在 电力系统 中安装和使用有源 电力滤波器，可 有效抑制电网谐波，并可起到动态补偿无功的作用。 1 谐波污染 谐波是指频率为基波频率整数倍的正弦波电流 分量。包含整流 电路的设备是谐波 的主要来源 。工 业上的谐波源主要有：电力 电子装置 ，包括各种 晶 1 2 4 收稿 日期：2 0 1 4 — 0 4 — 2 2 闸管可控开关设备 、交直流换流装置 以及 P WM变频 器等 ；中高频感应炉、各种使用可控硅调压 电源装 置 的电加热炉 ， 以及使 用高功率 直流 电源 的 电弧 炉、交流 电焊机等 。 谐波对供配 电系统 的变压器 、断路器 、补偿设 备、用电计量和继 电保护装置 ，以及用 电设备都会 造成很 大危害和影响 ，成为污染 电网的公害。谐波 的主要 危害为：增加 了公用 电网的附加损耗 ，使 电 容器、电缆等设备过热、寿命缩短、绝缘老化 以至 损坏 ，降低 了发电、输 电及用 电设备 的效率；引起 电网中局部 的串联谐振和并联谐振；谐波还会导致 电能计量出现混乱，大量的高次谐波电流涌入供 电 系统可能导致中线过热甚至引起火灾。 2 谐波治理 治理谐波的主要措施通 常为两方面，一方面为 谐波预防 ，即通过改进供 电设备的设计对谐波的形 成进行抑制，对可控硅整流装置通过增加整流器的 脉动数来 限制整流器的谐波 ，从供 电源头减少谐波 的产生 ；另一方面为谐波治理，可通过改变系统的 馈线参数或者安装谐波治理装置进行谐波补偿 。 2 ． 1整流设 备 整流装置产生的特征谐波 电流次数与脉动数有 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 《 自动化与仪器仪表} 2 0 1 4 年6 期( 总第1 7 6 期) 关，脉动数直接 关系到产生谐波 的次数 ，而且两者 成正比关系 ，谐波次数越大，谐波 电流就越小，所 以提 高整流 设备 的脉动 数可 以有效 抑制谐 波 。但 是，整流装置的脉动数越多 ，对整流装置 的配置要 求就越高，一般几百k VA以上 的大功率整流装置常 采用 1 2脉或 2 4脉等多脉整流 ，对 于几百 k V A以下 的中小功率 ，常采用先 进 的脉 宽调制( P WM ) 技 术 ， 可 以控制 电网侧 电流为畸变很小 的正弦化 电流且功 率因数接近 1 。 2 ． 2 供 电设 备 通过巧妙地连接 电力变压器 的绕组，可 以有效 减少某些次数的谐波 。如 ，三 角形连接的变压器可 有 效消 除 3 次及其倍数 次谐波 。发 电机提供符合标 准的正弦波形 电能是对它 的基本要求 ，在制造上有 一 系列措施来消除或减少谐波电动势 ，如采用星形 连接可避免出现 3 次及 其倍数次谐波 电动 势，采用 短距绕组可消除 5 次和 7 次谐波。 2 ． 3无 源电 力滤 波器 电感元件 与 电容元 件按 照一 定 的拓扑 结构连 接，再进行一定的参数配置 ，可形成无源 电力滤波 器( P a s s i v e P o w e r F i l t e r P P F ) ，能够有效滤 除某 次或 某些次的谐波 。这种滤波器结构简单、易于实现和 维护。但在 P P F 实际运行时也存在 以下一些 问题 ： ( 1 )只能滤 除按设计要求规定的谐波成分 ，当 高次谐波成分复杂时，必须 同时加入 多个滤波 电路 才能获得较好 的滤波效果，这样会造成装置体积变 大，损耗也就越高 。 ( 2 )不能应对 电网频率和阻抗变化 的情况 ，系 统 的运行情 况 发生变 化时 ，滤波 效果也 会发生 变 化 ，谐波 电流过大时还会发生过载 ，损坏设备 。 ( 3 )可 能会 与 电力系 统发生 串联或 并联谐振 ， 造成电力系统故障。 2 ． 4 有源电力滤波器 近些年 ，功率器件 的控制精度不断提升 ，人们 对 电网质量的要求也越来越 高，采用无源滤波器不 能满 足对 改善 电能质 量 的要 求 ，因而在 电力 系统 中，越来越多地使用有源 电力滤波器抑制谐波 ，并 进行无功补偿 。 2 ． 4 ． 1 有源电力滤波器基本原理 本文 以并 联型有 源 电力滤 波器 为例 来进 行研 究。图1 所示为并联型有源电力滤波器的系统原理 图。图中i 、 表示公用 电网的 电流和 电压 ， 。 为有 源电力滤波器输 出的补偿 电流， 为负载电流。HP F ( H i g h P a s s F i h e r ) 为 滤 除 开 关 纹 波 电流 的高 通 滤 波器 。 图1 并联型有源电力滤波器的系统原理 有源 电力滤波器系统 由指令电流运算部分和补 偿 电流发生部分组成 。其 中，指令 电流运算部分的 主要任 务是检测 出补偿对象 中的无功和谐波 电流 ， 将无 功和谐波 电流提 取 出来 ，而 电流 跟踪控制 电 路、驱动电路和 P WM变流器共 同组成补偿 电流发生 部分。P WM变流器作为系统的主 电路，可以作为逆 变器，输 出补偿 电流 ，又可作为整流器 ，由电网向 直流侧储能元件充电。 有源 电力滤波器 的基本工作原理是通过 电流互 感器 ( C u r r e n t T r a n s f o r n l e r 。C T ) 、电压互 感器 ( P o t e n — t i a l T r a n s f o r m e r ，P T ) 等检 测技术 ，获取非线性负载 的电流信号和系统电压信号，并将获取 的信号进行 处理 ，获 得需要补偿 的无功或谐波 电流指令信 号， 再根据指令信号来控制主电路中的P WM变流器的通 断，输出与电网中谐波形状相同、相位相反 的无功 或谐波补偿 电流 ，从而 降低或消除电网中的谐波 电 流成分 ，提升 电网质量。 2 ． 4 ． 2 有源电力滤波器的优点 与 无源 滤波器 相 比，有源 电力 滤波器 有 以下 优点： ( 1 )使用灵活 ，能 同时滤 除开关器件开关频率 以内的各 次谐 波 ，还 能使用指 定次数谐 波滤 除技 术 ，灵活地进行谐波补偿： ( 2 )实现 了动态补偿 ，响应速度快，可对频率 和 幅值都变化 的谐波进行补偿，滤波效果不会受到 电网频率和阻抗的影响； ( 3 )不存在 过载 现 象 ，当 电网谐波 电流过 大 时，能在其额定容量内工作 。 可见，有源 电力滤波器具有 比以往谐波抑制方 法更优越 的补偿性能 ，尽管其价格相对较 高，但随 着技术 的进步及成本 的下降，有源 电力滤波器将具 有 良好的发展前景。 3 有源滤波器应用实例 3 ． 1 配 电概 况及 谐 波测试 1 25 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m