有源电力滤波器和无源电力滤波器的原理、应用及比较.pdf

电工文摘技术交流 有源电力滤波器和无源电力滤波器 的原理、应用及比较 一中国建筑设计研究院曹磊 施耐德电气( 中国) 投资有限公司刘狲 马建国际建筑设计院杜航 摘 要：随着全球工业化进程的加快，电力电子装置在电网中的应用日益广泛，如整流器、变频器、u P S 、电梯、空调、节 能灯( 荧光灯) 、复印机、家用电器等，这些负载会产生大量的谐波电流并注入到电网中，使电网电压产生畸变，这种谐波污 染会对电网和用户产生严重的危害。 有源滤波器和无源滤波器作为目前电网谐波抑制的主要手段被广泛应用，但无源补偿设备的补偿效果较差，同时也难以对变化 的谐波和无功功率进行有效的补偿，因此，以I G B T 为核心部件的有源滤波器比无源滤波器具有更优越的性能。本文从滤波原理及应用 上，针对有源滤波器和无源滤波器的特点做分析，找出有源电力滤波器和无源滤波器的根本特别和区别。 关键字：有源滤波器无源滤波器区别 无源滤波器是谐波抑制的传统方法。采用电力电容器和 电抗器等无源器件适当组合构成的无源滤波器与需治理的非 线性负载并联，为谐波形成一个低阻通路的同时，在基波下， 也为负载提供所需的无功功率，这种方法在滤除谐波的同时 也能补偿无功功率。由于采用的基本原件是电容和电抗，因 此成本低，技术成熟，结构比较简单。 无源滤波器又分为单调谐滤波器、高通滤波器和双调谐 滤波器等几种。其中以单调谐滤波器为主。 1 1 单调谐滤波器 图表1 a 为单调谐滤波器的电路原理图。滤波器对n 次谐 波的阻抗为瓦I 盖+ d 一础一壶j ，单调谐滤波器阻抗随频率变化 的关系曲线如图表1 b 。 2 0 0 9 25 0 单调谐滤波器是根据L 、C 谐振原理构成，因此，谐振频 率工。爵蠹在谐振点处z n = R n ，因为R n 很小，因此对于该n 次谐波，主要流入单调谐滤波器内，而其他次数的谐波，滤 波器滤除的很少。 在实际应用中，无源滤波器的调谐频率不会正好设计在 谐振点上。举个例子，5 次无源滤波器的谐振点不会正好设 计为2 5 0 H z ，因为极小的5 次谐波电压会在该趋近与零的回 路，也就是5 次无源滤波器内形成极大的5 次谐波电流。因 此，通常5 次无源滤波器的谐振点通常设计在小于2 5 0 H z ，通 常在2 4 0 H z 至2 4 8 H z 之间。这个和各不同滤波器厂家的不同 而不同。 1 2 高通滤波器 高通滤波器也成为减幅滤波器，通常分为四种形式的高 通滤波器，分别为一阶、二阶、三阶和C 型四种。如图表2 所示： 图表2 万方数据 一阶高通滤波器需要的电容太大，基波损耗也太大，一 般不采用。 二阶高通滤波器滤波效果最好，但与三阶相比，其基波 损耗较高。 三阶高通滤波器比二阶多了一个电容器C 2 ，容量相比C t 很小，它提高了滤波器对基波频率的阻抗，从而大大减少了 基波损耗，这是三阶高通滤波器的主要优点。 c 型高通滤波器的性能介于二阶和三阶之间，C z 与L 的 调谐在基波频率上，所以可以大大减少基波阻抗。其缺点是 对于基波频率失谐和元件参数漂移比较敏感。 以上四种高通滤波器中最常用的还是二阶高通滤波器， 同时C 型高通滤波器也有比较好的优势。 有源电力滤波器是一种可以动态滤波谐波、补偿无功功 率的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以 及变化的无功进行补偿。其应用可以克服无源滤波器等传统 谐波抑制和无功补偿的缺点。 2 1 有源电力滤波器的分类及原理 有源滤波器具备内部的指令电流运算及检测电路，通过 外部电流互感器实时采集电流信号，从负载电流中分离出谐 波电流分量和基波无功电流，通过I G B T 逆变出与系统的谐波 电流大小相等、相位相反的补偿电流，实现滤除谐波的功能。 并且也通过内部I G B T 逆变出容性或感性的基波电流，实现动 态无功补偿。 有源电力滤波器的输出补偿电流是根据系统的谐波量动 态变化的，因此不会出现过补偿的问题。另外有源电力滤波 器的内部应具备过载保护功能，当系统的谐波量大于滤波器 容量时，有源电力滤波器可以自动限制在1 0 0 额定容量输 出，不会发生滤波器过载。同时，有源电力滤波器的无功补 偿电流是根据系统无功量需求动态变化的，不会出现过补 偿，柔性的无功补偿也不会产生涌流冲击。 2 1 1 有源电力滤波器的主电路一般由P 州逆变器构成。 根据逆变器直流侧储能元件的不同，可分为电压型有源滤波 器( 储能元件为电容) 和电流型有源滤波器( 储能元件为电 感) 。 电压型有源滤波器在工作时需对直流侧电容电压控制， 使直流侧电压维持不变，因而逆变器交流侧输出为P 州电压 波。而电流型有源滤波器在工作时需对直流侧电感电流进行 控制，使直流侧电流维持不变，因而逆变器交流侧输出为P 删 电流波。电压型有源滤波器的优点是损耗较少，效率高，是 目前国内外绝大多数有源滤波器采用的主电路结构。电流型 电工文摘技术交流 有源滤波器由于电流侧电感上始终有电流流过，该电流在电 感内阻上将产生较大损耗，所以目前较少采用。 图表3 电压型有源滤波器 图表4 电流型有源滤波器 2 1 2 电力系统谐波源分为两类，即电流型谐波源和电 压型谐波源。因为理想的电流源的内阻为无穷大，因此对于 理想的电流型谐波源采用串联补偿的方式不能滤除谐波，不 能阻止谐波电流注入到电力系统中；对于并联型谐波源只能 采取并联谐波进行分流，才能对注入到电力系统中的谐波进 行抑制。而理想的电压源内阻为零，因此对于理想的电压型 谐波源只能采用串联有源滤波器才能补偿谐波电压，防止谐 波电压加入到系统中。 而电力系统中不存在理想的电流型谐波源和电压型谐波 源。因此理论上，无论是采用并联型滤波还是串联型滤波都 可以滤除谐波。如果谐波是从系统侧来的，则谐波更多的是 电压源性质，应采取串联滤波；而如果谐波是用户自己非线 性负载产生的，则基本上是属于电流型性质，应采取并联滤 波。 有源电力滤波器按照接入电网的方式分类，可分为并联 型、串联型、串一并联型和混合型。 图表5 所示为并联型有源滤波器的基本结构。它主要适 用于电流源型非线性负载的谐波电流抵消、无功补偿以及平 衡三相系统中的不平衡电流等。目前并联型有源滤波器在技 术上已较成熟，它也是当前应用最为广泛的一种有源滤波器 2 0 0 9 25 1 万方数据 电工文摘技术交流 拓补结构。 图表5 所示为并联型有源滤波器的基本结构。它主要适 用于电流源型非线性负载的谐波电流抵消、无功补偿以及平 衡三相系统中的不平衡电流等。目前并联型有源滤波器在技 术上已较成熟，它也是当前应用最为广泛的一种有源滤波器 拓补结 图表6 ：串联型有源滤波器 图表7 所示为混合型有源滤波器的基本结构。它是在串 联型有源滤波器的基础上使用一些大容量的无源L _ C 滤波网 络来承担消除低次谐波，进行无功补偿的任务。而串联型有 源滤波器只承担消除高次谐振及阻尼无源L c 网络与线路阻抗 产生的谐波谐振的任务。从而使串联型有源滤波器的电流、 电压额定值大大减少( 功率容量可减少到负载容量的5 以 下) ，降低了有源滤波器的成本和体积。从经济角度而言，这 种结构形式在目前是一种值得推荐的方案。但随着电力电子 器件性能的不断提高，成本不断下降，混合型有源滤波器可 能被下面一种性能价格比更高的有源滤波器代替。 2 0 0 9 2S 2 图表7 ：混合型有源滤波器 图表8 所示为串一并联型有源滤波器的基本结构。它组 合了串联有源滤波器和并联有源滤波器的优点，能解决电气 系统发生的大多数电能质量问题，所以又称之为万能有源滤 波器或统一电能质量调节器( U P Q C ) ，该类有源滤波器的主要 问题是控制复杂、造价较高。 图表8 ：串一并联型有源滤波器 2 1 3 根据补偿系统的相数来分类，有源滤波器可分为 单相和三相两种，三相又系统又分为三相三线制和三相四线 制。 2 1 4 根据应用场合分，有源电力滤波器还可以分为应 用在直流系统( 主要是高压直流输电系统) 的有源直流滤波器 和应用在交流系统的有源滤波器。 2 2 有源滤波器功能与结构 电力系统的主要谐波主要是负载的非线性引起的，尤其 是目前广泛应用的电力电子设备在根据需要进行功率变换的 时候，将流经他们的基波功率中的一部分转化为谐波功率， 变成注入电网的谐波电流。由于该电流的量值通常只与本身 固有的非线性特性和工况有关，而与外加的端电压及外部阻 抗的变化关系不大，所以一般认为非线性负载具有电流源的 特性。谐波电流流入系统，系统中存在感抗和阻抗，引起谐 波电压，从而污染电网。 因此，目前广泛应用并联型有源电力滤波器来滤除非线 性负载产生的谐波，从而使流入系统的电流中不含有谐波分 量，防止了非线性负载对系统的污染。 并联型有源电力滤波器主要适用于电流源型非线性负载 的谐波电流抵消、无功补偿以及平衡三相系统中的不平衡电 流等。目前并联型有源滤波器在技术上已较成熟，它也是当 前应用最为广泛的一种有源滤波器拓补结构。 断路器合闸后，有源电力滤波器首先通过预充电电阻对 D c 母线的电容器充龟，这个过程会持续8 秒种，是防止充电 后对D c 直流母线电容器的瞬间冲击。当母线电压达到额定值 后，一预充电接触器闭合。 直流电容作为储能元件，为通过I G B T 逆变器和内部电 抗器向外输出补偿电流提供能量。同时，直流电容器通过电 源P C B 向内部的控制P c B 和电子电路提供工作电源。 万方数据 图表9 ：内部结构图 图表1 0 ：主电路图 2 3 市场主流的有源滤波器特点与应用 2 3 1 目前市场上有源滤波器，按照主电源类型划分， 主要分为三相三线制有源滤波器和三相四线制有源滤波器。 3 L 有源电力滤波器适用于工业性大容量负载，比如整流 器、大型U P S 、中频炉、电弧炉、焊机等工业型大容量非线 性负载。同时，针对焊机、电弧炉等冲击型负载，3 L 有源电 力滤波器可以瞬间补偿2 2 5 倍额定容量的补偿电流，达到对 电压波动的补偿和治理闪变。 4 L 有源电力滤波器适用于商业混合型系统，在商业建筑 中，包含多种类型的非线性负载，如荧光灯、电脑、U P S 、复 印机等，这些负载既有单相也有三相，产生大量的3 次等零 序谐波。4 L 有源电力滤波器可以消除中性线上的零序谐波和 相线上的谐波。 2 3 2 按照工作原理类型划分，有源滤波器分为瞬时无 功法型和傅立叶分解法型。 瞬时无功法既基于瞬时无功功率的谐波检测法，核心思 想是根据所定义的瞬时功率的波动部分为谐波电流和系统电 压作用的结果这一特点来提取谐波分量。它将采集到的电流 电工文摘技术交流 信号，分离出基波和各次谐波叠加而成的波形，直接输出和 该叠加而成的波形大小相等、相位相反的波形，通过这样的 方式来消除谐波对系统的影响。瞬时无功法的特点是滤波范 围广，滤波范围可达到2 到6 0 次谐波，相应时间快，完全相 应时间 1 0 m s 。 傅立叶分解法是将采集到的谐波电流通过傅立叶分解法 分解成2 到2 5 次谐波，逐次输出大小相等，方向相反的谐波， 通过这种方式来消除谐波对系统的影响。傅立叶分解法的有 源滤波器特点是原理和工作过程十分清晰，对所补偿的谐波 可以有目的的选择，适用于各种情况，缺点是这种方法需要 对误差信号进行重构，运算较为复杂，故具有一定的延时， 实时性较差，通常完全响应时间为 4 0 m s ，比瞬时无功法的 有源滤波器稍慢；而且该方法是建立在傅立叶分解的基础 上，因此要求被补偿的波形是周期性变化的，否则会带来较 大的误差。 3 1 无源滤波器的采样电流一般取变压器低压侧进线， 以主变功率因数为参照，功率因数低的时候才投入，高的时 候不会投入。因此对于一些产生大量谐波，但功率因数很高 的负载并不适用。如中频炉等。而有源滤波器的输出是以谐 波为参照，不受负载类型和功率因数的影响。 3 2 无源滤波器的设计既要考虑到谐波的滤除，又要考 虑到无功补偿，二者很难兼得。而有源滤波器滤波和补偿可 以选择，选型简单可靠。 3 3 一个无源滤波柜只能滤除某一次谐波，因此若要滤 除大部分谐波，必须安装多个主要次数的无源滤波器，占地 多，滤波效果不理想。而有源滤波器滤波范围广，一台有源 滤波器可以滤除数十次谐波。 3 4 无源滤波器是L C 串联回路，改变了系统的阻抗，存 在谐振的危险。而有源滤波器不改变系统阻抗，不会与系统 发生谐振。 例1 ： 钻井的工况比较复杂，谐波量随着钻头的工作而不同。 谐波大，变化快，谐波频谱复杂，但以5 次谐波为主。四台 无源滤波器在投入时噪音巨大，发热严重，但未受到高度重 视，在投入2 5 分钟以后，四台无源滤波器全部爆炸。 2 0 0 9 25 3 万方数据 电工文摘技术交流 图表1 l ：某钻井石油平台一次图 从图上看，无源滤波器内部的负荷隔离开关完全烧毁， 电抗器绕组由于高次谐波的谐振过电压导致绕组被击穿。在 谐振的情况下，上端开关以及内部热继电器都来不急动作。 造成极其严重的后果。 例2 ：上海某电子生产企业 采用施耐德电气有源电力滤波器A c c u s i n e 4 L 产品进行 谐波治理 2 0 0 9 25 4 图表1 2 ：有源滤波器投入前波形及频谱图 经测试，谐波电流畸变率由原来的7 5 7 降低为3 6 。 原来相线上基波电流大小为1 0 8 A ，中性线上电流大小由1 8 5 A 减少到1 6 A 。在消除了谐波污染，保证设备安全稳定运行的 情况下，也避免了由于零线电流过高，造成的零线打火的火 灾隐患。 有源电力滤波器作为更为先进的滤波手段，越来越得到 广泛的应用和用户的好评。施耐德电气A c c u s i n e 有源电力滤 波器作为谐波治理方面的领导者，一直创新进取，为用户提 供更为可靠的清洁能源。 ：7 | ：A ：| 隙1 2 ：棚燃撇黻撕豳嗽1 3 ：硼撇瞅橘蝴嗍豳 图表1 3 ：有源滤波器投入后波形及频谱图 习l 一 带。，。卞；一。甘； 一 ；矿一 万方数据 有源电力滤波器和无源电力滤波器的原理、应用及比较有源电力滤波器和无源电力滤波器的原理、应用及比较 作者：曹磊， 刘翀， 杜航 作者单位：曹磊(中国建筑设计研究院)， 刘翀(施耐德电气(中国)投资有限公司)， 杜航(马建国际建 筑设计院) 刊名： 电工文摘 英文刊名：ELECTRICIAN ABSTRACTS 年，卷(期)：2009(2) 本文链接：