有源电力滤波器设计和应用中的问题与对策

1、1有源电力滤波器设计和应用中的问题与对策演讲人：卓放演讲人：卓放西安交通大学电气工程学院西安交通大学电气工程学院2012014 4年年3 3月月1919日日2供用电系统谐波轧钢机电弧炉中频炉电焊机电机变频传动轨道交通先进照明计算机充电机家用电器高压直流输电3谐波的危害 干扰其他电气、电子设备，使之发生故障，甚至引起电网局部谐振，设备损毁；造成额外电能损耗，引起设备过热，甚至烧毁。4有源滤波器 无源滤波器 无功补偿等装置 +混合型并联型 串联型 5准确 快速 稳定的检测与控制方法减小有源装置容量以降低造价系统层面问题准确性、快速性不满足要求稳定性不满足要求谐波源波形滤波后波形6有源电力滤波器造价

2、随容量增加而急剧上升准确 快速 稳定的检测与控制方法减小有源装置容量以降低造价系统层面问题价格昂贵的全控型电力半导体器件 7优化配置稳定控制准确 快速 稳定的检测与控制方法减小有源装置容量以降低造价系统层面问题系统层面问题的起因系统层面问题的起因补偿特性由有源滤波器、负载、电网以及可能的无源滤波器共同决定负载特性对系统的影响与对策负载特性对系统的影响与对策常规的、基于有源滤波器本身的认识常规的、基于有源滤波器本身的认识常见问题：常见问题：1）所需有源滤波器容量大于原有测量值）所需有源滤波器容量大于原有测量值2）安装有源滤波器后负荷侧谐波电流反而增大了）安装有源滤波器后负荷侧谐波电流反而增大了1

3、0负载特性对系统的影响与对策负载特性对系统的影响与对策更准确的、考虑负载特性的模型更准确的、考虑负载特性的模型11并联型有源电力滤波器应用的一般系统结构并联型有源电力滤波器应用的一般系统结构并入式混合滤波系统结构框图并入式混合滤波系统结构框图 12不同检测点对系统特性的影响分析不同检测点对系统特性的影响分析 混合系统中有源电力滤波器谐波电流检测共有以下几种混合系统中有源电力滤波器谐波电流检测共有以下几种方法：方法： 检测负载侧检测负载侧A点谐波电流控制方法；点谐波电流控制方法； 检测无源滤波器补偿后检测无源滤波器补偿后B点谐波电流控制方法；点谐波电流控制方法； 检测电网侧检测电网侧C点谐波电流

4、控制方法；点谐波电流控制方法；13并入式混合型并联滤波器单相等效电路图并入式混合型并联滤波器单相等效电路图只有有源只有有源LhFhShFhShIZZZI LhFhShFhASh)1(IZZZGI LhAChIGI 10A G只有只有无源无源LhAChLhSh)1(IGIII 混合滤波系统仅考虑负载谐波源时单相谐波等效电路图混合滤波系统仅考虑负载谐波源时单相谐波等效电路图 并入式混合滤波系统一般的控制方法并入式混合滤波系统一般的控制方法14并入式混合滤波系统一般的控制方法并入式混合滤波系统一般的控制方法u谐波全部补偿控制方法的原理及其存在的问题谐波全部补偿控制方法的原理及其存在的问题 有源有源电

5、力电力滤波器检测负载全部谐波电流，输出补偿负载全部谐波。滤波器检测负载全部谐波电流，输出补偿负载全部谐波。 幅频幅频特性特性电网谐波电流分量电网谐波电流分量：无源滤波器谐波电流分量：无源滤波器谐波电流分量：幅频幅频特性特性LhFhShFhASh1 IZZZGI LhFhShShAFh1 IZZZGI 当当GA=1=1时，有源电力滤波器补偿全部负时，有源电力滤波器补偿全部负载谐波，无源滤波器只补偿了基波无功。载谐波，无源滤波器只补偿了基波无功。 15并入式混合滤波系统一般的控制方法并入式混合滤波系统一般的控制方法比较项目比较项目APF5次谐波次谐波APF7次谐波次谐波5次无源次无源7次无源次无源

6、GA =0.539A22A37A23AGA =177A46A3.2A1.6A谐波分次补偿谐波分次补偿1A2.3A72A45A有源滤波器补偿所有谐波的仿真结果有源滤波器补偿所有谐波的仿真结果（GA=1） 有源滤波器补偿部分谐波的仿真结果有源滤波器补偿部分谐波的仿真结果（GA=0.5） 有源滤波器不补偿有源滤波器不补偿5 5、7 7次谐波的仿真结果次谐波的仿真结果 16抑制谐振作用的分析抑制谐振作用的分析)(1)(1)()(1)(1)()(PAFSALhShsGsGsZsZsGsIsI 只考虑负载只考虑负载电流谐波电流谐波S为电网基波角频率为电网基波角频率 t为无源滤波器调谐角频率为无源滤波器调谐

7、角频率 )()()(LhAChIGI 只考虑负载电流谐波只考虑负载电流谐波的情况的情况 tStSA,10,0)(kkG，混合滤波系统控制系统框图：混合滤波系统控制系统框图： 有源电力滤波器对并有源电力滤波器对并联谐振有抑制作用联谐振有抑制作用 )()()(FSPsZsZsG 17抑制谐振作用的分析抑制谐振作用的分析)()()(1)(ShSFShsUsZsZsI 幅频幅频特性特性有源电力滤波器对串有源电力滤波器对串联谐振无抑制作用联谐振无抑制作用 只考虑电网电压畸变的情况只考虑电网电压畸变的情况Ch( )0Is 18抑制谐振作用的分析抑制谐振作用的分析有源滤波器抑制并联谐振仿真波形有源滤波器抑制

8、并联谐振仿真波形19抑制谐振作用的分析抑制谐振作用的分析有源滤波器抑制串联谐振仿真波形有源滤波器抑制串联谐振仿真波形20电流检测点位于电流检测点位于A点点对对并联谐振并联谐振抑制情况分析（抑制情况分析（补偿前）补偿前）抑制谐振作用的分析抑制谐振作用的分析仅投入非线性负载时的实验波形仅投入非线性负载时的实验波形 非线性负载和无功补偿电容器非线性负载和无功补偿电容器均投入后的实验波形均投入后的实验波形 21抑制谐振作用的分析抑制谐振作用的分析检测检测A点电流控制策略点电流控制策略 电流检测点位于电流检测点位于A点点对对并联谐振并联谐振抑制情况分析（抑制情况分析（补偿后）补偿后）22电流检测点位于电

9、流检测点位于A点点对对串联谐振串联谐振抑制情况分析（补偿前）抑制情况分析（补偿前）抑制谐振作用的分析抑制谐振作用的分析仅投入非线性负载时的实验波形仅投入非线性负载时的实验波形 非线性负载和无功补偿电容器非线性负载和无功补偿电容器均投入后的实验波形均投入后的实验波形 23抑制谐振作用的分析抑制谐振作用的分析电流检测点位于电流检测点位于A点点对对串联谐振串联谐振抑制情况分析（抑制情况分析（补偿后）补偿后）检测检测A点电流控制策略点电流控制策略 24一般控制方法下系统问题总结一般控制方法下系统问题总结并入式混合型并联滤波系统采用检测负载谐波电流的控并入式混合型并联滤波系统采用检测负载谐波电流的控制方

10、法主要有以下特点：制方法主要有以下特点： 对有源滤波器、无源滤波器的容量优化配置要求对有源对有源滤波器、无源滤波器的容量优化配置要求对有源滤波器的补偿系数和所分担谐波成分精心设计。滤波器的补偿系数和所分担谐波成分精心设计。 有源电力滤波器改善无源滤波器的补偿效果，对无源滤有源电力滤波器改善无源滤波器的补偿效果，对无源滤波器和电网并联谐振有一定的抑制作用。波器和电网并联谐振有一定的抑制作用。 有源电力滤波器不能抑制电网中由电网电压畸变产生的有源电力滤波器不能抑制电网中由电网电压畸变产生的谐波电流以及无源滤波器和电网的串联谐振。谐波电流以及无源滤波器和电网的串联谐振。25不同检测点对系统特性的影响

11、分析（不同检测点对系统特性的影响分析（B B点）点）ChA PhIG I A01G 只考虑负载只考虑负载 电流谐波电流谐波 有源电力滤波器检测无源滤波器后电流各次频率的谐波有源电力滤波器检测无源滤波器后电流各次频率的谐波成分，输出谐波补偿电流为成分，输出谐波补偿电流为： 只考虑负载电流谐波的情况只考虑负载电流谐波的情况26幅频幅频特性特性不同检测点对系统特性的影响分析（不同检测点对系统特性的影响分析（B B点）点）)()()(1)()()1()(LhSAFAFShsIsZsGsZsGsZsI )()()(1)()()1()(LhSAFASFhsIsZsGsZsGsZsI 电网的谐波电流分量电网

12、的谐波电流分量：无源滤波器谐波电流分量：无源滤波器谐波电流分量：幅频幅频特性特性27不同检测点对系统特性的影响分析（不同检测点对系统特性的影响分析（B B点）点）补偿系数补偿系数电网电网5次谐波次谐波负载负载5次谐波次谐波无源无源5次谐波次谐波有源有源5次谐波次谐波GA =0.83.8A77A73A5AGA =10A76A5A72A补偿系数取补偿系数取0.80.8时补偿效果仿真波形时补偿效果仿真波形 补偿系数取补偿系数取1 1时补偿效果仿真波形时补偿效果仿真波形 混合滤波系统对负载谐波电流补偿特性的仿真结果混合滤波系统对负载谐波电流补偿特性的仿真结果 28不同检测点对系统特性的影响分析（不同检

13、测点对系统特性的影响分析（B B点）点）补偿系数补偿系数电网电网4.5次谐波次谐波负载负载4.5次谐波次谐波无源无源4.5次谐波次谐波有源有源4.5次谐波次谐波GA =0132A15A132A0AGA =0.84.7A16A4.9A16AGA =11A17A1A14A混合滤波器抑制并联谐振仿真波形混合滤波器抑制并联谐振仿真波形 补偿系数取补偿系数取0.80.8时有源滤波器时有源滤波器抑制并联谐振仿真波形抑制并联谐振仿真波形 补偿系数取补偿系数取1 1时有源滤波器时有源滤波器抑制并联谐振仿真波形抑制并联谐振仿真波形 29不同检测点对系统特性的影响分析（B点）只考虑电网电压畸变的情况只考虑电网电压

14、畸变的情况)()(1 )(1)(ShSAFAShsUZsGZsGsI 无源滤波器谐波电流分量：无源滤波器谐波电流分量：)()(11)(ShSAFFhsUZsGZsI 电网谐波电流分量电网谐波电流分量：30不同检测点对系统特性的影响分析（不同检测点对系统特性的影响分析（B B点）点）混合滤波器抑制串联谐振仿真波形混合滤波器抑制串联谐振仿真波形 补偿补偿系数系数电网电网4.8次次负载负载4.8次次无源无源4.8次次有源有源4.8次次GA =0.85.7A8.4A228A230A补偿补偿系数系数电网电网4.5次次负载负载4.5次次无源无源4.5次次有源有源4.5次次GA =0243A24A245A0

15、AGA =0.88A5A3.8A35A补偿系数取补偿系数取0.80.8有源滤波器有源滤波器抑制串联谐振仿真抑制串联谐振仿真有源滤波器和无源滤波器谐振仿真有源滤波器和无源滤波器谐振仿真31电流检测点位于电流检测点位于B点点对对并联谐振并联谐振抑制情况分析（抑制情况分析（补偿前）补偿前）不同检测点对系统特性的影响分析（不同检测点对系统特性的影响分析（B B点）点）仅投入非线性负载时的实验波形仅投入非线性负载时的实验波形 非线性负载和无功补偿电容器非线性负载和无功补偿电容器均投入后的实验波形均投入后的实验波形 32不同检测点对系统特性的影响分析（不同检测点对系统特性的影响分析（B B点）点）传统的只

16、检测传统的只检测B点电流控制策略点电流控制策略 电流检测点位于电流检测点位于B点点对对并联谐振并联谐振抑制情况分析（抑制情况分析（补偿后）补偿后）33不同检测点对系统特性影响总结（不同检测点对系统特性影响总结（B B点）点） 并入式混合型并联滤波器采用检测无源滤波器后谐波电并入式混合型并联滤波器采用检测无源滤波器后谐波电流的控制方法主要有以下特点：流的控制方法主要有以下特点： 混合滤波器可以补偿电网中由负载产生的谐波电流，但混合滤波器可以补偿电网中由负载产生的谐波电流，但补偿系数取值接近补偿系数取值接近1 1时，无源滤波器补偿的调谐频率谐时，无源滤波器补偿的调谐频率谐波电流较少，有源滤波器的容

17、量没有有效减小。波电流较少，有源滤波器的容量没有有效减小。 有源电力滤波器对无源滤波器和电网之间的并联谐振有有源电力滤波器对无源滤波器和电网之间的并联谐振有抑制作用。抑制作用。 有源电力滤波器可以抑制由电网电压畸变产生的无源滤有源电力滤波器可以抑制由电网电压畸变产生的无源滤波器与电网之间的串联谐振。波器与电网之间的串联谐振。 当电网电压产生畸变时，采用该控制方法，有源电力滤当电网电压产生畸变时，采用该控制方法，有源电力滤波器和无源滤波器之间存在着谐振的可能。波器和无源滤波器之间存在着谐振的可能。34基于电网电压基于电网电压Ush和和A点电流检测的点电流检测的PAPF复合控制方法复合控制方法基于

18、网压基于网压U Ushsh和和B B点电流检测的复合控制方法点电流检测的复合控制方法CShPAPFLhShCSVSCS( )11( )1( )( )( )( )( ) 1Z ( )( )( )ZsIsGsIsUsZsZ sksZsZ s35基于网压基于网压U Ushsh和和B B点电流检测的复合控制方法点电流检测的复合控制方法检测电网电压检测电网电压Ush和和B点电流的复合控制方法系统特性分析点电流的复合控制方法系统特性分析 36系统开环传递函数伯德图系统开环传递函数伯德图 由图中不同曲线对应的相位裕量可以看出，采用检测由图中不同曲线对应的相位裕量可以看出，采用检测B点电流点电流控制方法时，随

19、着电压通道补偿系数的增加，系统的稳定性越来越控制方法时，随着电压通道补偿系数的增加，系统的稳定性越来越好；随着电容值的变化，系统没有出现不稳定的情况。好；随着电容值的变化，系统没有出现不稳定的情况。 基于网压基于网压U Ushsh和和B B点电流检测的复合控制方法点电流检测的复合控制方法检测电网电压和检测电网电压和B点电流的复合控制方法系统特性分析点电流的复合控制方法系统特性分析 37系统闭环传递函数伯德图系统闭环传递函数伯德图 基于网压基于网压U Ushsh和和B B点电流检测的复合控制方法点电流检测的复合控制方法检测电网电压和B点电流的复合控制方法系统特性分析 当电流检测点位于当电流检测点

20、位于B点时，给点时，给PAPF并联电阻后，可以使原来并联电阻后，可以使原来不稳定的系统变得稳定，同时有良好的补偿效果。不稳定的系统变得稳定，同时有良好的补偿效果。 SACVLASCSV1(1)1(1)ZIG ZKGIG ZZK38基于网压基于网压U Ushsh和和B B点电流检测的复合控制方法点电流检测的复合控制方法电流检测点位于电流检测点位于B并联谐振并联谐振只检测只检测B点电流控制方法点电流控制方法 检测电网电压和检测电网电压和B点电流控制方法点电流控制方法 采用只检测采用只检测B点电流控制方法点电流控制方法时，系统不稳定；采用检测电网电时，系统不稳定；采用检测电网电压和压和B点电流的复合

21、控制方法可以点电流的复合控制方法可以很好的抑制系统并联谐振。很好的抑制系统并联谐振。39基于网压基于网压U Ushsh和和B B点电流检测的复合控制方法点电流检测的复合控制方法电流检测点位于电流检测点位于B串联谐振串联谐振 采用只检测采用只检测B点电流控制方法点电流控制方法时，系统不稳定；采用检测电网电时，系统不稳定；采用检测电网电压和压和B点电流的复合控制方法可以点电流的复合控制方法可以抑制串联谐振。抑制串联谐振。ShShSVAC( )11( )( )1( )( )IsUsZ skGsZs40电流检测点位于电流检测点位于B点点对对并联谐振并联谐振抑制情况分析（抑制情况分析（补偿前）补偿前）基

22、于网压基于网压U Ushsh和和B B点电流检测的复合控制方法点电流检测的复合控制方法仅投入非线性负载时的实验波形仅投入非线性负载时的实验波形 非线性负载和无功补偿电容器非线性负载和无功补偿电容器均投入后的实验波形均投入后的实验波形 41基于网压基于网压U Ushsh和和B B点电流检测的复合控制方法点电流检测的复合控制方法检测电网电压和检测电网电压和B点负载电流点负载电流控制策略控制策略 只检测只检测B点电流控制策略点电流控制策略 电流检测点位于电流检测点位于B点点对对并联谐振并联谐振抑制情况分析（抑制情况分析（补偿后）补偿后）42电流检测点位于电流检测点位于B点点对对串联谐振串联谐振抑制情

23、况分析抑制情况分析基于网压基于网压U Ushsh和和B B点电流检测的复合控制方法点电流检测的复合控制方法非线性负载和无功补偿电容器均非线性负载和无功补偿电容器均投入，补偿前实验波形投入，补偿前实验波形检测电网电压和检测电网电压和B点负载电流控点负载电流控制策略，补偿后实验波形制策略，补偿后实验波形 43综合考虑有源、无源及电网特性的系统层面问题综合考虑有源、无源及电网特性的系统层面问题 检测检测A点电流控制方法：系统属于开环控制，不存在稳定性问题，点电流控制方法：系统属于开环控制，不存在稳定性问题，可以有效补偿电网中由负载产生的谐波电流。实际系统中，由于电可以有效补偿电网中由负载产生的谐波电流。实际系统中，由于电容器安装组数较多，且位置分散灵活，容器安装组数较多，且位置分散灵活，A点的电流很难通过检测得点的电流很难通过检测得到，该方法应用受限。到，该方法应用受限。 检测检测B点电流控制方法：系统属于闭环控制，当点电流控制方法：系统属于闭环控制，当PAPF补偿所有次补偿所有次谐波时，容易造成系统不稳定，