有源電力濾波器

二極管箝位三電平拓?fù)溆扇毡緦W(xué)者Nabae. A 等人在1980 年提出，經(jīng)過近30年的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于電力電子技術(shù)的各個領(lǐng)域。二極管箝位三電平拓?fù)涞膬?yōu)勢在于，各個開關(guān)管承受的反向電壓為直流母線電壓的一半，可以用較低電壓等級的開關(guān)管，組成較高電壓等級的變流器。已經(jīng)廣泛應(yīng)用于4.2kV電動機(jī)傳動系統(tǒng)。通常三電平技術(shù)一般應(yīng)用于電壓較高、功率較大的系統(tǒng)中，正是由功率器件耐壓有限與變流器系統(tǒng)需求電壓較高的矛盾現(xiàn)實決定的。但是我們應(yīng)該看到二極管箝位三電平拓?fù)浔旧砉逃械囊恍﹥?yōu)勢。

(1) 用電壓等級較低的開關(guān)管構(gòu)成電壓等級較高的變流器，隨著功率器件技術(shù)的不斷發(fā)展，市場上已經(jīng)有6500V的IGBT出售，但是耐壓越高的IGBT其開關(guān)損耗越高，最高開關(guān)頻率也變得比較低。3300V以上的IGBT開關(guān)頻率最高不會超過5kHz,1200V的IGBT的開關(guān)損耗遠(yuǎn)大于600V的IGBT。采用低壓IGBT的三電平變流器的開關(guān)損耗遠(yuǎn)低于同樣電壓等級采用高壓IGBT的兩電平變流器，同時前者可以達(dá)到的開關(guān)頻率也高于后者。

(2) 能夠輸出三種電平。二極管箝位三電平變流器能夠輸出正母線電壓、負(fù)母線電壓以及零電壓(簡稱P、N、O),一般情況下輸出電壓在P-O、O-N之間跳變，特殊情況下會出現(xiàn)P-N跳變，而兩電平變流器只能在P-N之間跳變。也就是說三電平的電壓跳變幅度為直流母線電壓的一半，而兩電平的為直流母線電壓。高的電壓跳變幅度對并網(wǎng)逆變器或有源電力濾波器帶來的是較高的紋波電流，為了抑制紋波電流，需要較大的輸出電感和濾波電容，由此帶來了較高的紋波電流損耗。同時由于輸出濾波電感電容也降低了電流響應(yīng)速度，或?qū)敵鲭娏鞯哪芰Ξa(chǎn)生了一定的限制。對于變頻器帶來的則是對電機(jī)的沖擊以及較大的軸電流，嚴(yán)重影響著電機(jī)的壽命。另外，較高的電壓跳變幅度也會產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，對周邊電子設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重危害。而三電平以其固有的優(yōu)勢，在很大程度上解決了上述問題。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，三電平技術(shù)被越來越多的人所重視，同時也將其從中壓大功率領(lǐng)域，引入到400V的低壓小功率應(yīng)用之中，各個國際知名功率器件廠家推出了大量適應(yīng)于400V系統(tǒng)應(yīng)用的集成二極管箝位三電平功率模塊，并有逐漸取代傳統(tǒng)兩電平變流器的趨勢。應(yīng)用于400V領(lǐng)域的成功的三電平產(chǎn)品如下:

(1)2008年日本安川電機(jī)推出了Varispeed G7系列通用矢量變頻器，其400V產(chǎn)品采用三菱的三電平功率模塊，并在應(yīng)用中取得了巨大成功。

(2)2009年德州和能工業(yè)自動化有限公司在自主開發(fā)的三電平變流器控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，推出了HEINV系列三電平光伏并網(wǎng)逆變器，前端采用對稱BOOST進(jìn)行最大功率點跟蹤，逆變器采用二極管箝位三電平拓?fù)?，兩者相互配合，采用Semikron的三電平功率模塊，各項指標(biāo)均優(yōu)于同類兩電平產(chǎn)品。

(3)2006年上海交通大學(xué)與上海信元瑞電氣有限公司(當(dāng)時的上海飛平電子有限公司)合作推出了國內(nèi)唯一一個以能量算法為基礎(chǔ)的有源電力濾波器(APF)NEWSINE系列產(chǎn)品，大大的提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，隨著此后該產(chǎn)品在我國137個大型項目中的實際應(yīng)用情況反饋，證明和標(biāo)志了中國FACTS技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。

將二極管箝位三電平技術(shù)應(yīng)用于有源電力濾波器領(lǐng)域，國內(nèi)外很多文獻(xiàn)都有涉及，國內(nèi)外許多專家學(xué)者對此都進(jìn)行了比較深入的研究，也提出了很多新的算法。但是，三電平有源電力濾波器始終沒有從實驗室走向市場。究其原因，有可能是技術(shù)不夠成熟，控制算法過于復(fù)雜，應(yīng)用成本高，也可能是企業(yè)界對此不夠重視，尚未認(rèn)識到該技術(shù)的優(yōu)勢。德州和能工業(yè)自動化有限公司通過對三電平技術(shù)的深入研究以及對市場趨勢的正確把握，在業(yè)界首先推出了三電平有源電力濾波器產(chǎn)品。

三電平有源電力濾波器與傳統(tǒng)兩電平有源電力濾波器相比有以下優(yōu)勢:

SPA3系列有源電力濾波器

性能描述

可同時濾除2次到60次諧波

40μs內(nèi)響應(yīng)負(fù)荷變化，全響應(yīng)時間小于10ms(1/2周波)

單相動態(tài)補(bǔ)償，不受系統(tǒng)不平衡的影響

3.8 英寸QVGA顯示屏，

MODBUS 通訊接口有源電力濾波器

采用速度高達(dá)20KHz的IGBT，完美消除諧波

并聯(lián)安裝方式，安裝簡單、方便，易于擴(kuò)展，最多可10臺并聯(lián)

優(yōu)勢

SPA3是諧波治理的完美解決方案

動態(tài)電流補(bǔ)償消除諧波和提高功率因數(shù)

減少諧波在電纜、開關(guān)、變壓器中的發(fā)熱

減少諧波引起的停電故障和時間

提高電源利用率減少運營成本

應(yīng)用范圍

SPA3適用于工業(yè)負(fù)載場合

SPA4系列有源電力濾波器

性能描述

有效消除因零序諧波產(chǎn)生的中性線電流

可以同時濾除2~25次范圍內(nèi)的全部或選定次數(shù)的諧波

單相動態(tài)補(bǔ)償，不受系統(tǒng)不平衡的影響

并聯(lián)安裝方式，安裝簡單、方便，易于擴(kuò)展，最多可4臺并聯(lián)

設(shè)計選型簡單，不需要進(jìn)行詳細(xì)的電網(wǎng)分析，只需測量諧波電流的大小

體積輕巧，可壁掛安裝

標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，方便的接入用戶現(xiàn)有的通訊系統(tǒng)

優(yōu)勢

SPA4系列是諧波治理的完美解決方案

動態(tài)電流補(bǔ)償消除諧波和提高功率因數(shù)

減少諧波在電纜、開關(guān)、變壓器中的發(fā)熱

減少諧波引起的停電故障和時間

提高電源利用率減少運營成本

應(yīng)用范圍

三相四線適用于商業(yè)建筑負(fù)載場合

1.變頻設(shè)備的應(yīng)用場合 隨著技術(shù)的進(jìn)步，變頻設(shè)備大量應(yīng)用于各類場合，變頻設(shè)備會產(chǎn)生大量的諧波，因此，這類場合是有源濾波器主要的目標(biāo)市場之一。

2.不穩(wěn)定負(fù)荷的應(yīng)用場合 不穩(wěn)定負(fù)荷不是有源濾波器的主要市場，但它是電力系統(tǒng)一個極其重要的方面，因為不穩(wěn)定的負(fù)荷雖然所占比例不大，但是它們對電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它負(fù)荷所造成的影響，因此對于該類應(yīng)用場合也應(yīng)作為有源濾波器的主要市場方向之一。

3.鋼鐵廠 鋼鐵廠的電弧爐、軋鋼機(jī)等是主要的諧波發(fā)生設(shè)備，且主要是沖擊性負(fù)荷，對鋼鐵廠附近的其它負(fù)荷有很大影響。同時，諧波問題對鋼鐵廠無功補(bǔ)償?shù)挠绊懞艽?，所以?yīng)以無功補(bǔ)償和諧波治理同時處理作為目標(biāo)。

4.有色冶金 有色冶金的負(fù)荷除電弧爐性質(zhì)的負(fù)荷外，還由于采用直流濕法冶金而產(chǎn)生大量的直流成分。

5.港口機(jī)械 港機(jī)是大型的提升設(shè)備，一般都采用很大的變頻器，因此是港口機(jī)械主要的諧波發(fā)生源，因此對于該類應(yīng)用場合也應(yīng)作為有源濾波器的市場方向之一。

6.電氣化鐵路 電氣化鐵路一般使用直流電機(jī)拖動，因此是一個市政方面的主要諧波源。根據(jù)現(xiàn)有上海、北京等地電氣化鐵路的運行情況，大多數(shù)系統(tǒng)都安裝了濾波器。預(yù)計本產(chǎn)品可以達(dá)到電氣鐵路濾波器國產(chǎn)化的作用。 7.高精度自動化生產(chǎn)線 高精度自動化生產(chǎn)線本身不產(chǎn)生諧波，但是對于電能質(zhì)量有很高的要求，因此需要在高精度自動化生產(chǎn)線的供電側(cè)安裝有源濾波器，以降低諧波對生產(chǎn)線的影響。

8.辦公大樓、大型商業(yè)區(qū)等節(jié)能燈和空調(diào)集中場所 辦公大樓、大型商業(yè)區(qū)等節(jié)能燈和空調(diào)集中場所的諧波情況也非常嚴(yán)重，治理方法宜采用集中治理方法，以節(jié)省成本。

國外知名的有源電力濾波器的生產(chǎn)廠家有:ABB、施耐德、西門子、NOBLE等，國內(nèi)知名生產(chǎn)廠家有:蘇州和順、盛弘電氣、南京亞派科技、思源電氣、上海雙電、英納仕電氣、西安賽博、Satons等。

(1)低紋波電流，高電流響應(yīng)速度

紋波電流和電流響應(yīng)速度是矛盾的兩個指標(biāo)。作為有源電力濾波器，其基本原理是檢測負(fù)載諧波，注入反相諧波，以諧波的相互抵消達(dá)到濾波的目的。一般的有源電力濾波器是一個電流模式控制的電壓源逆變器。輸出電流是通過逆變器輸出的電壓作用在輸出電感上產(chǎn)生的。逆變器采用脈沖寬度調(diào)制，根據(jù)電工的基本原理，紋波電流決定于開關(guān)頻率、直流母線電壓、輸出電感的大小，與電流環(huán)的控制無關(guān)。開關(guān)頻率越高紋波電流越小、直流母線電壓越高，紋波電流越大;輸出電感越大，紋波電流越小。而逆變器期望的輸出電流是由電流環(huán)所控制。有源電力濾波器輸出諧波電流，如果按基波50Hz，補(bǔ)償50次諧波計算，最高諧波頻率將達(dá)到2.5kHz。有源電力濾波器對電流響應(yīng)速度有很高的要求。電流響應(yīng)速度與直流母線電壓和輸出電感大小有關(guān)。直流母線電壓越高，電流響應(yīng)越快;輸出電感越大，電流響應(yīng)越慢。我們期望輸出紋波電流越小越好，電流響應(yīng)速度越快越好，這是一對矛盾。從上述分析可以看出，兩電平有源電力濾波器解決這個矛盾的辦法只能是提高開關(guān)。在某些廠家的兩電平有源電力濾波器產(chǎn)品的開關(guān)頻率已經(jīng)達(dá)到20kHz。但是，開關(guān)頻率的提高帶來的是更高的開關(guān)損耗以及驅(qū)動損耗，有源電力濾波器的單機(jī)容量會受到限制，而對于更高電壓等級的有源電力濾波器，高壓的IGBT根本就不允許那么高的開關(guān)頻率。然而，三電平有源電力濾波器從原理上就是一個解決上述問題的方案。三電平逆變器可以輸出正、負(fù)、零三種電壓，在計算紋波電流時，只需按直流母線電壓的一半計算。由此，在相同開關(guān)頻率、相同直流母線電壓、相同紋波電流要求的前提下，三電平的輸出電感為兩電平的一半，同時器件的開關(guān)損耗和電感上的紋波損耗也會降低。在計算電流響應(yīng)速度時，起作用的將是全部直流母線電壓，而輸出電感的減半，將加快電流的響應(yīng)速度，增強(qiáng)濾波效果，提高單機(jī)容量。

(2)提高系統(tǒng)耐壓，應(yīng)用于較高電壓系統(tǒng)

通常國內(nèi)低壓電網(wǎng)為400V，但是對于某些行業(yè)，其低壓電網(wǎng)會比較高，例如石油鉆機(jī)傳動采用的是600V，礦山用電可能是690V或1140V，而某些行業(yè)的電壓等級可能更加多樣，但一般都是500V以上。如何解決這些行業(yè)諧波治理需求，是一個問題。通常為了提高電流響應(yīng)速度、保證補(bǔ)償效果，處理諧波的有源電力濾波器比處理基波的變頻器或并網(wǎng)逆變器需要更高的直流母線電壓。通常兩電平逆變器的直流母線電壓是交流電網(wǎng)電壓有效值的2倍。對于380V應(yīng)用，直流母線電壓一般在700V~750V，而對于600V，直流母線電壓需要達(dá)到1200V。很多企業(yè)的做法是加一個變壓器，將其他等級的電壓變?yōu)?00V。通過諧波的變壓器是經(jīng)過特殊設(shè)計的，價格比較高，體積也比較大，變壓的損耗也會比較大。而采用三電平技術(shù)，可以用耐壓較低的管子組成耐壓較高的變流器系統(tǒng)，可以直接連接到電壓較高的電網(wǎng)上，同時保證較好濾波效果和單機(jī)容量。

APF主要采用FFT算法，DFT算法以及三相電路瞬時無功功率理論算法;APF有并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種，前者用的多;并聯(lián)有源濾波器主要是治理電流諧波，串聯(lián)有源濾波器主要是治理電壓諧波等引起的問題。

國際標(biāo)準(zhǔn)

EN 50091-3, EN 61000-6-2, EN55011, EN 50178:1997, IEC 62040-3, IEC 50178:1997, AS 62040-3(VFI SS 111), CISPR11

國家標(biāo)準(zhǔn)

GB/T14549-93《電能質(zhì)量:公用電網(wǎng)諧波》

GB/T15543-1995 《電能質(zhì)量:三相電壓允許不平衡度》

GB/T15945-1995 《電能質(zhì)量:電力系統(tǒng)頻率允許偏差》

GB/T12326-2000 《電能質(zhì)量:電壓波動和閃變》

GB/T12325-2003 《電能質(zhì)量:供電電壓允許偏差》

GB/T18481-2001 《電能質(zhì)量:暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓》

GB/T15576-1995 《低壓無功功率靜態(tài)補(bǔ)償裝置總技術(shù)條件》

GB7625.11998 《低壓電氣電子產(chǎn)品發(fā)出的諧波電流限值》

GB4208-93 《外殼防護(hù)等級的分類》

1.電流互感器的額定工作電壓應(yīng)與線路額定電壓相符合;

2.電流互感器的額定電流≥線路負(fù)載電流，一般按線路的1.5~2倍電流選定電流互感器;

3.電流互感器所接二次負(fù)載不應(yīng)超過相應(yīng)準(zhǔn)確等級下的額定容量，否則準(zhǔn)確等級會下降;

4.用于精確計量一般選用0.2級互感器;

5.為了方便現(xiàn)場施工，推薦選用開合式電流互感器。

1.動態(tài)有源濾波，全面改善電能質(zhì)量;

2.DSP全數(shù)字控制，20KHz開關(guān)頻率，對負(fù)載的動態(tài)變化迅速響應(yīng);

3.諧波補(bǔ)償次數(shù)可選擇，最高能濾除50次諧波;

4.有源電力濾波器可選擇同時補(bǔ)償無功;

5.具備三相不平衡補(bǔ)償能力;

6.具有自動限流功能，不會發(fā)生過載;

7.效率高，滿載損耗小于2.57;

8.并聯(lián)安裝方式，安裝簡單，體積小;

9.降低線路損耗，消除諧波引起的變壓器和電機(jī)發(fā)熱，實現(xiàn)系統(tǒng)大幅度節(jié)能;

10.有源電力濾波器的濾波效果不受系統(tǒng)阻抗變化影響，并能自動抑制系統(tǒng)諧振;

11.按照配電結(jié)構(gòu)，可選擇局部補(bǔ)償、部分補(bǔ)償或總補(bǔ)償，CT可位于電源側(cè)或負(fù)載側(cè);

12.易于擴(kuò)展和冗余設(shè)計，可最多10臺并聯(lián)運行。

有源濾波器同無源濾波器比較，治理效果好，主要可以同時濾除多次及高次諧波，不會引起諧振，但是價位相對高!實際應(yīng)用安全系數(shù)很低，國際普遍做法是以變壓器升壓，來保證可靠性，國家相關(guān)部門也要求以變壓器升壓的形式和有源濾波器結(jié)合，治理高壓諧波!

薩頓斯有源電力濾波器通過電流互感器檢測負(fù)載電流，并通過內(nèi)部DSP計算，提取出負(fù)載電流中的

諧波成分，然后通過PWM信號發(fā)送給內(nèi)部IGBT,控制逆變器產(chǎn)生一個和負(fù)載諧波電流大小相等，方向相反的諧波電流注入到電網(wǎng)中，達(dá)到濾波的目的。

指令電流檢測電路的功能主要是從負(fù)載電流中分離出諧波電流分量和基波無功電流，然后將其反極性作用后發(fā)生補(bǔ)償電流的指令信號。電流跟蹤控制電路的功能是根據(jù)主電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流，計算出主電路各開關(guān)器件的觸發(fā)脈沖，此脈沖經(jīng)驅(qū)動電路后作用于主電路。這樣電源電流中只含有基波的有功分量，從而達(dá)到消除諧波與進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)哪康?。根?jù)同樣的原理，電力有源濾波器還能對不對稱三相電路的負(fù)序電流分量進(jìn)行補(bǔ)償。

有源電力濾波器的主電路一般由PWM逆變器構(gòu)成。根據(jù)逆變器直流側(cè)儲能元件的不同，可分為電壓型有源濾波器(儲能元件為電容)和電流型有源濾波器(儲能元件為電感)。電壓型有源濾波器在工作時需對直流側(cè)電容電壓控制，使直流側(cè)電壓維持不變，因而逆變器交流側(cè)輸出為PWM電壓波。而電流型有源濾波器在工作時需對直流側(cè)電感電流進(jìn)行控制，使直流側(cè)電流維持不變，因而逆變器交流側(cè)輸出為PWM電流波。電壓型有源濾波器的優(yōu)點是損耗較少，效率高，該電流在電感內(nèi)阻上將產(chǎn)生較大損耗。

圖 電壓型有源濾波器

圖 電流型有源濾波器

圖 控制原理

WX-B·APF礦用隔爆型有源電力濾波器可應(yīng)用于煤礦等礦山領(lǐng)域。

PSW有源電力濾波器是諧波治理完美的解決方案。采用目前最先進(jìn)的諧波檢測方式，實時檢測電網(wǎng)中由非線性負(fù)載產(chǎn)生的電流波形，分離出諧波部分，并將其反相，再通過IGBT 變換器將反相電流注入到電網(wǎng)中，實現(xiàn)濾除諧波的功能。此外，設(shè)備還可以提供超前或滯后的無功電流，用于改善電網(wǎng)的功率因數(shù)和實現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償(SVG)。PSW有源電力濾波器采用模塊化設(shè)計，有25A/35A，50A/60A，75A五種模塊，實現(xiàn)N+1冗余，顯著提高系統(tǒng)的可靠性。

WX-B·APF礦用隔爆型有源電力濾波器可應(yīng)用于煤礦等礦山領(lǐng)域。