电能质量分析 有源滤波综述

有源电力滤波器的发展状况西安交通大学电气工程学院12/27/2023第1页西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心有源电力滤波器的发展状况1谐波和无功功率的基本理论2有源电力滤波器的基本原理3APF的功能和特点4APF发展简史5APF的分类6APF的控制7APF的应用情况8APF的发展趋势12/27/20232西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心1谐波和无功功率的基本理论谐波的基本概念基波——频率与工频相同的分量称为谐波——频率为基波频率大于1整数倍的分量谐波次数——谐波频率和基波频率的整数比谐波高次谐波低次谐波12/27/20233西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心1)谐波产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的使用效率，大量的3次谐波流过中线时会使线路过热甚至发生火灾。2)谐波影响各种电气设备的正常工作。产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短以至损坏。3)谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述(1)和(2)的危害大大增加，甚至引起严重事故。4)

谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不正确。1谐波和无功功率的基本理论12/27/20234西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心关于谐波的标准国际IEC61000-3-2IEEE519国家标准（1993年）《电能质量公用电网谐波》，（GB/T14549-93）谐波电压限值谐波电流限值12/27/20235西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心关于无功功率定义正弦交流电路非正弦交流电路无功功率的情况较复杂没有广泛接受的科学权威的定义基波因数位移因数（目前被广泛接受）不考虑电压畸变时12/27/20236西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心三相电路瞬时无功功率理论由H.Akagi提出本项目组做了深入研究并提出新见解基本定义：瞬时有功电流和瞬时无功电流瞬时有功功率和瞬时无功功率12/27/20237西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心瞬时无功功率理论用于谐波检测基于p、q的检测方法基于ip、iq的检测方法检测结果不受电压畸变的影响12/27/20238西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心2有源电力滤波器的基本原理有源电力滤波器——ActivePowerFilter，缩写APF12/27/20239西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心3APF的功能和特点动态补偿可同时补偿谐波和无功所需贮能元件容量不大适当控制可保证不会发生过载不易受电网阻抗的影响不受电网频率变化的影响既可单独补偿，也可集中补偿12/27/202310西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4APF发展简史1969年B.M.Bird和J.F.Marsh论文APF思想萌芽1971年H.Sasaki和T.Machida论文完整描述了APF的基本原理1976年L.Gyugyi等提出了采用PWM变流器构成的APF确立APF的概念确立了APF主电路基本拓扑结构和控制方法12/27/202311西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心4APF发展简史（续）80年代，几大因素促成APF的迅速发展和应用：电力电子器件的迅速发展PWM控制技术的发展瞬时无功功率理论的提出90年代出现更多的系统构成方式应用的迅速扩展12/27/202312西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心5APF的分类按系统构成方式分类12/27/202313西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心5APF的分类（续）APF按照主电路性质分类电压型电流型使用的器件IGBTGTO12/27/202314西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心6APF的控制6.1用于APF的谐波检测方法6.2并联型APF的控制方式6.3用于APF的PWM跟踪控制方法6.4电压型APF的直流侧电压控制12/27/202315西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心6.1用于APF的谐波检测方法基于瞬时无功功率理论的检测方法时域方法基于傅立叶变换的检测方法频域方法FFT、DFT及改进方法12/27/202316西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心6.2并联型APF的控制方式检测负载电流控制方式检测电源电流控制方式复合控制方式12/27/202317西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心6.3用于APF的PWM跟踪控制方法补偿电流（或电压）的产生采用PWM跟踪控制滞环比较的跟踪控制方法三角波比较的跟踪控制方法定时控制的瞬时比较跟踪控制12/27/202318西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心6.4电压型APF的直流侧电压控制保证APF正常工作所必须并联型：通过有功电流分量进行控制12/27/202319西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心7APF的应用情况APF在日本、欧美已经实际应用日本：从1983年到1995年，共有455套

1991年至1995年355套以下以日本为例进行介绍(参考1997年日本电气学会的报告)12/27/202320西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心7.1生产台数和容量统计1991至1995年的355台12/27/202321西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心7.2应用的行业情况共调查了1991年~1995年间的343台12/27/202322西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心7.3使用的类型大多为并联型主电路多为电压型12/27/202323西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心7.4谐波的检测方式按照检测点和检测量的不同，主要有3种检测负载电流检测电源电流检测电源电压大多数采用负载电流检测方式12/27/202324西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心7.5其他功能除补偿谐波电流外，还可具有如下功能可补偿基波无功平衡三相电压抑制电压闪变等355台设备中有76台（21%）附有补偿基波无功的功能12/27/202325西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心7.6.1有源和无源滤波器混合使用的必要性单独使用无源滤波器的特点：成本低、易实现。补偿效果欠佳。易与系统发生谐振。单独使用APF的特点：可以动态补偿谐波，补偿效果好。投资大、成本高。因此将二者结合起来，相互取长补短，充分发挥各自的优势，无疑是一种好的选择。7.6与LC无源滤波器混合使用情况12/27/202326西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(a)串联型有源滤波器和无源滤波器的结合7.6与LC无源滤波器混合使用情况7.6.2有源与无源滤波器混合使用的结合方式

12/27/202327西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心

(b)并联型有源滤波器和无源滤波器的结合7.6与LC无源滤波器混合使用情况7.6.2有源与无源滤波器混合使用的结合方式

12/27/202328西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(c)有源滤波器串入无源滤波支路的结合方式(1)7.6与LC无源滤波器混合使用情况7.6.2有源与无源滤波器混合使用的结合方式

12/27/202329西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心7.6与LC无源滤波器混合使用情况7.6.2有源与无源滤波器混合使用的结合方式

(d)有源滤波器串入无源滤波支路的结合方式(2)12/27/202330西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心7.6.3结合方式（C）中APF的控制方法

对右图列节点电流方程得从中可以看出，要想减小电网侧的谐波可以有两种方法。仅用PF时的谐波等效电路7.6与LC无源滤波器混合使用情况(1)仅用PF时的谐波等效电路12/27/202331西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(2)APF+PF谐波等效电路对kl

、ks

分别独立控制，就可以达到优化控制的目的。谐波等效电路由左图列节点电流方得7.6.3结合方式（C）中APF的控制方法

7.6与LC无源滤波器混合使用情况12/27/202332西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心7.6与LC无源滤波器混合使用情况7.6.4结合方式（C）的特点和APF的作用

特点：

APF不承受基波电压，只承受谐波电压；

APF要承受需补偿的全部基波无功电流和谐波电流；

APF的容量约占被补偿非线性负载容量的3%~5%;

即使APF发生故障，可由旁路开关旁路，无源滤波器可继续正常工作。

12/27/202333西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心7.6与LC无源滤波器混合使用情况7.6.4结合方式（C）的特点和APF的作用

APF的作用：改善了无源滤波器的滤波性能；彻底消除了系统谐振的可能性，增强了无功补偿与滤波系统的安全可靠性；可抑制背景谐波的影响（背景谐波严重时，纯无源滤波器无法正常有效的工作）。12/27/202334西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心7.6.5结合方式（d）中APF的控制方法

对右图列节点电流方程得从中可以看出，要想减小电网侧的谐波可以有两种方法。仅用PF时的谐波等效电路7.6与LC无源滤波器混合使用情况(1)仅用PF时的谐波等效电路12/27/202335西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心(2)APF+PF谐波等效电路结合上述两种控制思想的优点对

kl

、ks分别独立控制，就可以达到优化控制的目的。谐波等效电路由左图列节点电流方得7.6.5结合方式（d）中APF的控制方法

7.6与LC无源滤波器混合使用情况12/27/202336西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心7.6与LC无源滤波器混合使用情况7.6.6结合方式（d）的特点和APF的作用特点：

APF不承受谐波电压，只承受少许基波电压（<1%的母线电压）；

APF只承受需滤除的谐波电流，不承受基波无功电流；

APF的容量约占被补偿非线性负载容量的1%以下（具体数值取决于负载情况和补偿目标）;

即使APF发生故障，APF内部熔断器熔断，自动从系统中切除，无源滤波器可继续正常工作。

12/27/202337西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心7.6与LC无源滤波器混合使用情况7.6.6结合方式（d）的特点和APF的作用APF的作用：改善了无源滤波器的滤波性能；彻底消除了系统谐振的可能性，增强了无功补偿与滤波系统的安全可靠性；可抑制背景谐波的影响。12/27/202338西安交通大学电力电子与新能源技术研究中心7.7使用的器件中小容量APF中，基本为IGBT只