有源电力滤波器.pptx
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1、contentcontent6.1 APF的基本原理6.2 APF的系统构成和主电路形式6.3 APF的谐波电流检测方法6.4 并联型APF6.5 串联型APF 小结第1页/共79页contentcontent6.1 APF的基本原理6.2 APF的系统构成和主电路形式6.3 APF的谐波电流检测方法6.4 并联型APF6.5 串联型APF 小结第2页/共79页6.1 APF的基本原理的基本原理1APF的特点:的特点:有源电力滤波器有源电力滤波器(ActivePowerFilter:APF)为一种能够动态消谐波并且可以为一种能够动态消谐波并且可以补偿无功的电力电子设备,其完全可以消除频率与幅值
2、都变化的谐波和无功,同补偿无功的电力电子设备,其完全可以消除频率与幅值都变化的谐波和无功,同时能够弥补时能够弥补PPF的不足,而且能够得到比的不足,而且能够得到比PPF更好的补偿效果。更好的补偿效果。与无源滤波器相比,有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性,其具体与无源滤波器相比,有源电力滤波器具有高度可控性和快速响应性,其具体如下:如下:(1)实现了动态补偿实现了动态补偿,可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进,可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿,对补偿对象的变化有极快的响应;行补偿,对补偿对象的变化有极快的响应;(2)可同时对谐波和无功功率进行补偿可同时对谐波和
3、无功功率进行补偿,且补偿无功功率的大小可做到连续,且补偿无功功率的大小可做到连续调节;调节;(3)补偿无功功率时补偿无功功率时不需贮能元件不需贮能元件;补偿谐波时所需贮能元件容量也不大;补偿谐波时所需贮能元件容量也不大;(4)即使补偿对象电流过大,有源电力滤波器也不会发生过载,并能正常发即使补偿对象电流过大,有源电力滤波器也不会发生过载,并能正常发挥补偿作用;挥补偿作用;(5)受电网阻抗的影响不大受电网阻抗的影响不大,不容易和电网阻抗发生谐振;,不容易和电网阻抗发生谐振;(6)能跟踪电网频率的变化,故能跟踪电网频率的变化,故补偿性能不受电网频率变化的影响补偿性能不受电网频率变化的影响;(7)既
4、可对一个谐波和无功源单独补偿,也可对多个谐波和无功源集中补偿既可对一个谐波和无功源单独补偿,也可对多个谐波和无功源集中补偿;第3页/共79页2APF的基本原理的基本原理 如如图图6.1所所示示,APF系系统统由由两两大大部部分分组组成成,即即指指令令电电流流运运算算电电路路和和补补偿偿电电流流发生电路发生电路(由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成)。指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量。指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量。补补偿偿电电流流发发生生电电路路的的作作用用是是根根
5、据据指指令令电电流流运运算算电电路路得得出出的的补补偿偿电电流流的的指指令令信信号,产生实际的补偿电流。主电路目前均采用号,产生实际的补偿电流。主电路目前均采用PWM变流器。变流器。图图6 6.1 .1 并联型并联型APFAPF系统构成系统构成第4页/共79页 若要求若要求APF在补偿谐波的同时,补偿负载的无功功率,则只要在补偿电流的指在补偿谐波的同时,补偿负载的无功功率,则只要在补偿电流的指令信号中拉架与负载电流的基波无功分量反极性的成分即可。令信号中拉架与负载电流的基波无功分量反极性的成分即可。根据同样的原理,根据同样的原理,APF还可对不对称三相电路的负序电流等进行补偿。还可对不对称三相
6、电路的负序电流等进行补偿。如图所示,如图所示,APF检测出补偿对象负载电流检测出补偿对象负载电流 的谐波分量的谐波分量 ,将其反极性后,将其反极性后作为补偿电流的指令信号作为补偿电流的指令信号 ,由补偿电流发生电路产生的补偿电流,由补偿电流发生电路产生的补偿电流 ,即与负,即与负载电流中的谐波分量载电流中的谐波分量 大小相等、方向相反,因而两者互相抵消,使得电源电大小相等、方向相反,因而两者互相抵消,使得电源电流流 中只含基波,不含谐波。中只含基波,不含谐波。第5页/共79页contentcontent6.1 APF的基本原理6.2 APF的系统构成和主电路形式6.3 APF的谐波电流检测方法
7、6.4 并联型APF6.5 串联型APF 小结第6页/共79页6.2 有源电力滤波器的系统构成和主电路形式有源电力滤波器的系统构成和主电路形式图图6 6.2 .2 有源电力滤波器的系统构成分类有源电力滤波器的系统构成分类第7页/共79页6.2.1.单独使用的有源电力滤波器的系统构成单独使用的有源电力滤波器的系统构成1.单独使用的并联型有源电力滤波器单独使用的并联型有源电力滤波器图图6 6.3.3 单独使用的并联型单独使用的并联型 有源电力滤波器有源电力滤波器 如图所示,变流器与其相连的电感、直流侧贮能如图所示,变流器与其相连的电感、直流侧贮能元件共同组成有源电力滤波器的主电路。元件共同组成有源
8、电力滤波器的主电路。与有源电力滤波器并联的小容量一阶高通滤波器与有源电力滤波器并联的小容量一阶高通滤波器(或者二阶),用于滤除(或者二阶),用于滤除APF所生的补偿电流中开关所生的补偿电流中开关频率附近的谐频率附近的谐 波。波。其补偿电流基本上由其补偿电流基本上由APF提供,这是有源电力滤提供,这是有源电力滤波器中最基本的形式,也是目前应用最多的一种。波器中最基本的形式,也是目前应用最多的一种。这种补偿方式可用于:这种补偿方式可用于:(1)只补偿谐波;只补偿谐波;(2)只补偿无功功率,补偿的多少可以根据需要连续调节;只补偿无功功率,补偿的多少可以根据需要连续调节;(3)补偿三相不对称电流;补偿
9、三相不对称电流;(4)补偿供电点电压波动;补偿供电点电压波动;(5)以上任意项的组合;以上任意项的组合;但是,由于交流电源的基波电压直接(或经变压器)施加到变流器上,且补偿电流基本上由变流器提但是,由于交流电源的基波电压直接(或经变压器)施加到变流器上,且补偿电流基本上由变流器提供,故要求变流器具有较大的容量。这是它的主要缺点。供,故要求变流器具有较大的容量。这是它的主要缺点。第8页/共79页2.单独使用的串联型有源电力滤波器单独使用的串联型有源电力滤波器6 6.4.4 单独使用的串联型单独使用的串联型 有源电力滤波器有源电力滤波器 如图所示,如图所示,APF作为电压源串联在电源和谐波源作为电
10、压源串联在电源和谐波源之间。之间。在多数情况下,并联型有源电力滤波器主要用于在多数情况下,并联型有源电力滤波器主要用于补偿可以看作电流源的谐补偿可以看作电流源的谐 波源,典型的如直流侧为波源,典型的如直流侧为阻感负载的整流电路。此时,有源电力滤波器向电阻感负载的整流电路。此时,有源电力滤波器向电网注入补偿电流,抵消谐波源产生的谐波,使电源网注入补偿电流,抵消谐波源产生的谐波,使电源电流成为正弦波。电流成为正弦波。串联型有源电力滤波器主要用于补偿可看作电串联型有源电力滤波器主要用于补偿可看作电压源的谐波源。典型的如电容滤波型整流电路。串压源的谐波源。典型的如电容滤波型整流电路。串联型有源电力滤波
11、器输出补偿电压,抵消由负载产联型有源电力滤波器输出补偿电压,抵消由负载产生的谐波电压,使供电点电压成为正弦波。生的谐波电压,使供电点电压成为正弦波。串联型有源电力滤波器应用在直流系统中时,串联型有源电力滤波器应用在直流系统中时,耦合变压器的系统接入侧很容易出现直流磁饱和问耦合变压器的系统接入侧很容易出现直流磁饱和问题,所以只在交流系统中采用。与题,所以只在交流系统中采用。与第9页/共79页6.2.2 有源电力滤波器的主电路形式有源电力滤波器的主电路形式 1.单个单个PWM变流器的主电路形式变流器的主电路形式 采采用用单单个个PWM变变流流器器的的有有源源电电力力滤滤波波器器的的主主电电路路,根
12、根据据其其直直流流侧侧贮贮能能元元件件的的不不同同,可分为电压型和电流流型两种。可分为电压型和电流流型两种。图图6 6.5.5 三相电压型三相电压型PWMPWM变流器变流器图图6 6.6.6 三相电压型三相电压型PWMPWM变流器变流器图图6 6.7.7 用于三相四线制的用于三相四线制的 电压型电压型PWMPWM变流器变流器第10页/共79页 电压型与电流型两种主电路的基本特点:电压型与电流型两种主电路的基本特点:(1)电压型电压型PWM变流器的直流侧接有大电容,在正常工作时,其电压基本变流器的直流侧接有大电容,在正常工作时,其电压基本保持不变,可看作电压源;电流型保持不变,可看作电压源;电流
13、型PWM变流器的直流侧接有大电感,在正常工变流器的直流侧接有大电感,在正常工作时,其电流基本保持不变,可看作电流源;作时,其电流基本保持不变,可看作电流源;(2)对于电压型对于电压型PWM变流器,为保持直流侧电压不变,需要对直流侧电压变流器,为保持直流侧电压不变,需要对直流侧电压进行控制;对于电流型进行控制;对于电流型PWM变流器,为保持直流侧电流不变,需要对直流侧电变流器,为保持直流侧电流不变,需要对直流侧电流进行控制;流进行控制;(3)电压型电压型PWM变流器的交流侧输出电压为变流器的交流侧输出电压为PWM波,电流型波,电流型PWM变流器的变流器的交流侧输出电流为交流侧输出电流为PWM波。
14、波。与电压型变流器相比,电流型变流器不会由于主电路开关器件的直通而发与电压型变流器相比,电流型变流器不会由于主电路开关器件的直通而发生短路故障。但是其直流侧大电感上始终有电流流过,会在大电感的内阻上产生短路故障。但是其直流侧大电感上始终有电流流过,会在大电感的内阻上产生较大的损耗,因此目前较少使用。生较大的损耗,因此目前较少使用。直流侧混合型贮能方式,即直流侧采用一个电感和一个电容作为贮能元件,直流侧混合型贮能方式,即直流侧采用一个电感和一个电容作为贮能元件,并且一个单相桥对其进行控制,贮能作用主要由电容承担,但却实现了电流型并且一个单相桥对其进行控制,贮能作用主要由电容承担,但却实现了电流型
15、PWM变流器功能。克服了采用电感作为贮能元件的缺点。变流器功能。克服了采用电感作为贮能元件的缺点。第11页/共79页2.多重化的主电路形式多重化的主电路形式有源电力滤波器中采用的主要的多重化主电路形式有三种:有源电力滤波器中采用的主要的多重化主电路形式有三种:(1)串联电抗器多重化方式串联电抗器多重化方式 直接将各个有源电力滤波器通过其交流侧的电感并联起来,这是最容易实现直接将各个有源电力滤波器通过其交流侧的电感并联起来,这是最容易实现的一种接线方式的一种接线方式(2)采用平衡电抗器的多重化方式采用平衡电抗器的多重化方式 在各个有源电力滤波器之间加入平衡电抗器,抑制有源电力滤波之间的环流。当开
16、在各个有源电力滤波器之间加入平衡电抗器,抑制有源电力滤波之间的环流。当开关频率低时,会有较大的环流,因而适用于开关频率低的情况。关频率低时,会有较大的环流,因而适用于开关频率低的情况。第12页/共79页(3)使用变压器的串联多重化方式使用变压器的串联多重化方式 通过变压器二次侧绕组将通过变压器二次侧绕组将APF的输出串联起来。变压器必须采用二次侧为的输出串联起来。变压器必须采用二次侧为多绕组的特殊形式。多绕组的特殊形式。由于由于APF输出的输出的PMW波直接经过变压器叠加,使得变压器会有较大的铁波直接经过变压器叠加,使得变压器会有较大的铁损耗。损耗。图图6 6.10.10 采用变压器的多重化方
17、式采用变压器的多重化方式第13页/共79页contentcontent6.1 APF的基本原理6.2 APF的系统构成和主电路形式6.3 APF的谐波电流检测方法6.4 并联型APF6.5 串联型APF 小结第14页/共79页6.3 有源电力滤波器的谐波电流检测方法有源电力滤波器的谐波电流检测方法1.基于傅利叶分析的检测方法基于傅利叶分析的检测方法 由于基本的傅利叶分析需要进行积分,在需要快速运算的由于基本的傅利叶分析需要进行积分,在需要快速运算的APF谐波检测谐波检测中难以实现。目前,在中难以实现。目前,在APF中应用较多的是采用离散傅利叶变换中应用较多的是采用离散傅利叶变换(DFT)的方法
18、。的方法。设设 是一个长度为是一个长度为N的有限长序列,则定义的有限长序列,则定义 的的N点离散傅利叶变点离散傅利叶变换为:换为:其中:其中:的傅利叶逆变换为:的傅利叶逆变换为:第15页/共79页DFT与与FFT的比较:的比较:由式由式(6-2)可知,可知,DFT是对每一个是对每一个k值进行运算,计算每一个指定的谐值进行运算,计算每一个指定的谐波分量。波分量。FFT利用因子利用因子 的对称性和周期性,将的对称性和周期性,将DFT的对称项和同类项合的对称项和同类项合并,达到简化运算的目的。并,达到简化运算的目的。因此因此FFT运算必须将展开的各项全部算完,才能达到简化运算的目的。运算必须将展开的
19、各项全部算完,才能达到简化运算的目的。另一方面,为了达到对称项和同类项合并的目的,必须用大量的指令来组另一方面,为了达到对称项和同类项合并的目的,必须用大量的指令来组织,花费较多时间。织,花费较多时间。在在APF中中,往往往往要要求求对对特特定定的的谐谐波波进进行行补补偿偿。典典型型的的是是补补偿偿全全部部谐谐波波,或补偿少数低频率的谐波。或补偿少数低频率的谐波。当当需需要要补补偿偿全全部部谐谐波波时时,实实际际计计算算时时只只需需要要计计算算出出基基波波,然然后后从从被被检检测电流中减去该基波分量即得到全部的谐波分量。测电流中减去该基波分量即得到全部的谐波分量。当当需需要要补补偿偿少少数数几
20、几次次低低频频率率谐谐波波时时,只只需需分分别别计计算算出出所所需需要要的的几几次次谐谐波即可。因此,在波即可。因此,在APF中,中,DFT比比FFT更具有优势。更具有优势。第16页/共79页 式式(6-2)可表示为:可表示为:式式(6-4)中中k为为频频率率系系数数,如如k=0对对应应直直流流分分量量变变换换项项,k=3对对应应三三次次谐谐波波变变换换项项。由由此此,可可以以根根据据对对特特定定次次谐谐波波进进行行补补偿偿的的要要求求,只只作作相相应应次次数的傅利叶变换。数的傅利叶变换。此此外外,根根据据正正余余弦弦项项初初始始相相位位的的不不同同,还还可可得得到到基基波波无无功功和和基基波
21、波有有功功分分量量。如如,当当采采样样与与输输入入正正弦弦信信号号同同步步时时,则则基基波波余余弦弦的的傅傅利利叶叶反反变变换换项项就就对对应应于于无无功功补补偿偿电电流流。若若要要补补偿偿谐谐波波和和无无功功,可可用用负负载载电电流流信信号号减减去去基基波有功分量得到补偿电流指令。波有功分量得到补偿电流指令。第17页/共79页2.2.采用人工神经网络的检测方法(采用人工神经网络的检测方法(ANNANN)图图6 6.10 .10 神经元自适应谐波检测电路神经元自适应谐波检测电路 图中,作为原始输入的图中,作为原始输入的 是非线性负载电流,可以分解成与电源电压同是非线性负载电流,可以分解成与电源
22、电压同频同相的有功电流频同相的有功电流 和与和与 相位正交的无功电流和谐波电流组成的谐波电流相位正交的无功电流和谐波电流组成的谐波电流 两部分。两部分。是与是与 同频同相的参考输入。同频同相的参考输入。为神经元的输出;通过神经元权为神经元的输出;通过神经元权值值 的自适应调整,最终逼近的自适应调整,最终逼近 ,从而使检测电路输出,从而使检测电路输出 逼近逼近 得到得到APF要补偿的谐波电流。要补偿的谐波电流。同时用作调节同时用作调节 的误差信号的误差信号e。当神经元的激活函数。当神经元的激活函数 选为线性函数时,其输出为:选为线性函数时,其输出为:第18页/共79页检测电路的输出为:检测电路的
23、输出为:式中,式中,神经元的阈值;神经元的阈值;神经元的输入,它由参考输入和其当前时刻以前的值组成;神经元的输入,它由参考输入和其当前时刻以前的值组成;迭代次数。迭代次数。和和 的调节采用的调节采用Delta算法来进行。调节公式为:算法来进行。调节公式为:式中,式中,学习率学习率第19页/共79页将上两式两端同除以输入信号的采样周期T,可得:若T取得足够小,可将离散变量看成连续变量,则可分别变换为:积分得:第20页/共79页图图6 6.11.11 神经元自适应谐波电流检测模拟电路原理图神经元自适应谐波电流检测模拟电路原理图于是于是G的取值如下:的取值如下:结合式结合式(6-5)、式、式(6-6
24、)以及式以及式(6-13)、式、式(6-14),当神经元的输入只,当神经元的输入只有一个,即参考输入有一个,即参考输入 ,而没有,而没有 的一系列时延时,可以得到一种基的一系列时延时,可以得到一种基本神经元的自适应谐波电流检测方法的模拟电路,如图所示。本神经元的自适应谐波电流检测方法的模拟电路,如图所示。该方法中,学习率该方法中,学习率 的取值为:的取值为:第21页/共79页 理论上,理论上,T0,G。实际上,图。实际上,图6.11中,中,G是通过一个比例放大器是通过一个比例放大器来实现的,不可能取得太大。由式来实现的,不可能取得太大。由式(6-11)和式和式(6-12)可知,可知,G太大会因
25、调太大会因调整步距过大而造成系统不稳定;整步距过大而造成系统不稳定;G太小又会因权值和阈值得不到有效调整太小又会因权值和阈值得不到有效调整而影响系统收敛速度。所以,在保证系统稳定的前提下,而影响系统收敛速度。所以,在保证系统稳定的前提下,G应尽可能取大应尽可能取大一些。一些。第22页/共79页contentcontent6.1 APF的基本原理6.2 APF的系统构成和主电路形式6.3 APF的谐波电流检测方法6.4 并联型APF6.5 串联型APF 小结第23页/共79页6.4 并联有源电力滤波器并联有源电力滤波器图6.12 单独使用的并联型APF系统第24页/共79页6.4.1 指令电流运
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