有源电力滤波器讲解课件

4，谐波的抑制
谐波电流是一切谐波问题的根源，谐波电压也是由于谐波电流导 致的，即谐波电流和配电系统上产生的阻抗导致的电压降。因此， 一般在研究谐波导致的危害时，主要指谐波电流的危害。因此，解 决谐波也是从谐波电流入手。 抑制谐波，我们在电磁兼容上学过，主要有两种方式即有源滤波和无 源滤波。源我们从简单字面上讲就是电源，电压源或者电流源，
根方法2：从等效电路分析：
分析得 并联型APF本质上属于受控电流源； 串联型APF属于受控电压源。
负载整流电路的非线性负载： 直流侧 电感滤波 的整流电路属于电流型谐波源； 直流侧 电容滤波 的整流电路属于电压型谐波源。
并联型APF适合：补偿 直流侧电感滤波的整流电路 — 电流型谐波源。 串联型APF适合：补偿 直流侧电容滤波的整流电路 — 电压型谐波源。
偿以及三相系统中的不平衡电流等。 串联型通过一个匹配变压器，将APF串联与电源与负载之间，以消
除电压谐波、平衡或调整负载的端电压。损耗较大，各种保护电路也较复 杂。只消除高次谐波。
混合型，在串联型基础上使用了一些大容量的LC滤波网络来承担抵 消低次谐波，进行无功补偿。
串—并联型，结合了串联和并联优点，能解决电网中发生的大多 数电能质量问题。但控制复杂，造价较高。
基于PSCAD实现 有源电力滤波器
APF仿真
王思祥
设计整体思路
• 在对有源电力滤波器(APF)的结构和运行特性进行分析的基础 上，利用电磁暂态仿真软件PSCAD 对APF 系统的运行过程 进行了仿真，建立了系统的仿真模型，设计了基于瞬时无功 功率理论的控制系统，给出了在负荷电流突变等情况下APF 的动态响应曲线。
（2）突加负载时的仿真过程分析
• 右图所示为在0.4S 时突加负载前后系统 网侧A相电流波形（ 第一个子图所示）。 由图可见，APF在负 载突变的情况下仍能 快速地进行系统谐波 补偿，且稳定后其电 流波形接近于标准的 正弦波。
六，总结
• 本文采用PSCAD/EMTDC 电磁暂态仿真软件对APF 系统进 行了较详细的建模仿真分析，综合以上APF 运行时电磁暂态 过程的仿真，可以看出APF在电网谐波与无功补偿方面具有 优良的特性，且在APF 系统中控制系统起着关键作用，当 APF 投入时及谐波分量突变时，控制器的快速调节能使系统 迅速对谐波分量进行抑制并达到稳定运行状态。
三，1无源滤波器
传统的谐波抑制补偿方法是使用无源滤波器，又称LC滤波器，主要分为 调谐滤波器和高通滤波器。这两者是利用电感、电容和电阻的组合设计构成 的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，与需补偿的非线性负载并联，可对 主要次谐波（3、5、7）构成低阻抗旁路。 。
2，无源与有源优缺点比较
• 无源优点：电路简单、使用方便。缺点：它只能抑制固 定的几次谐波，并有可能在一定条件下对某次谐波会产 生谐振而使谐波放大。因此它只能补偿固定无功功率， 对变化的无功负载不能精确补偿
APF 主电路建模
• 本系统中APF 的主电路采用的是并联电流型三相桥式全控变 流电路。对于电压源型谐波源只能采用串联型APF 才能对注 入系统中的谐波进行抑制；而对电流源型谐波源则只能采用 并联型APF。因三相全控桥式整流电路属于典型的电流源型 谐波源，故本系统采用的是并联型APF。主电路中开关器件 采用的是IGBT（并联了续流二极管），它们是由电流跟踪控 制电路产生的PWM 信号控制的
优点：APF具有高度可控性和快速响应特性，可以实时跟踪补偿各次谐波 、自动产生所需变化的无功功率，且特性不受系统影响，无谐波放大危险， 相对体积重量较小。目前，已成为电力谐波抑制和无功补偿的重要方式。
（1） 有源电力滤波器结构选取
方法1 从结构方面 并联型主要适用于电流源性非线性负载的谐波电流抵消、无功补
2 谐波对用电设备的危害 敏感性负载受干扰，计算机出错，死机； 保护装置异常动作，开关无跳闸； 伺服电机产生脉动，交流电机产生振动，噪音增大； 照明设备和显示器产生闪烁； 对电子设备造成电磁干扰；
3 对电网的危害 电网的品质变坏，波形失真增大，频率改变； 过度的消耗电网中中的无功功率和电流 有效值； 电网负担加重，可用容量下降。
产生谐波又产生无功电流。电力系统中的谐波源 可分为电流源型谐波源和电压源型谐波源，其中 整流电路最具代表性，此类负荷广泛分布在电网 中，产生的谐波分量也较大为了在仿真时模拟出 谐波电流及无功功率突变的情况，结合 PSCAD/EMTDC 的特性，故采用带阻感负载的 三相全控桥式整流电路作为系统的谐波源。
• 本系统设计了断路器以便对APF 的电磁暂态过程进行分析： 其中断路器BRK1用来控制投入APF，以便分析其投入时的电 磁暂态过程及投入后的稳定状态；断路器BRK2 用来控制突 加负载，以便分析APF 在负载突变情况下的电磁暂态过程及 稳定状态。
• 在电力系统仿真中选择合适的仿真步长是很必要的，步长太 大会导致数值不稳定，而太小则会使仿真时间加长，降低仿 真效率。本系统采用的仿真时间为0.6s，仿真步长为10 μs
目录
• 一，简单介绍什么是APF有源电力滤波器 • 二，谐波产生及危害 • 三， APF与传统的滤波电路比较 • 四，APF系统仿真模型的建立 • 五，APF仿真运行及分析 • 六，仿真结论总结
一、 有源电力滤波器
有源电力滤波器（APF：Active power filter）是一种用于动态抑制谐 波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对不同大小和频率的谐波进行快 速跟踪补偿，之所以称为有源，是相对于无源LC滤波器，只能被动吸收固定 频率与大小的谐波而言，APF可以通过采样负载电流并进行各次谐波和无功的 分离，控制并主动输出电流的大小、频率和相位，并且快速响应，抵销负载 中相应电流，实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功和不平衡。
2，谐波的产生原因
电网谐波主要来自于三个方面：
（1）发电源发电质量不高造成
（2）输配电系统过程中产生 主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线
性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段 上， 这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路 的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏 离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%。
二，谐波
1，什么是谐波
谐波 (harmonic wave)，从严格的意义来讲，谐波是指电流中所 含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量 进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。从广义 上讲，由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率 不同的成分都可以称之为谐波。通常以傅里叶分解对畸变波形的各种 分量进行检查。
• 仿真结果的正确性也验证了本文所建APF 系统模型的正确性力电子技术的飞速发展，各种电力电子设备得到广泛应用
，这些电力电子设备大都呈现非线性，当这些非线性负载接入电网中，会产 生大量的谐波电流并注入电网中。主要有：晶闸管整流设备，变频装置，电 弧炉，气体放电类电光源 ，家用电器。
其中，以用电设备方面的影响最为显著，由此产生的谐波含量很大。大 部分研究都集中在对用电设备方面谐波抑制上。
• APF 的基本原理是“对消”原理，即根据检测到的补偿电流 计算出指令电流来控制APF，使其产生出一个相反的补偿分 量来进行抵消，使系统的网侧电流中只含有基波有功电流， 从而起到实时抑制谐波及无功补偿的目的
四，APF系统仿真模型的建立
系统谐波源建模 • 电力电子装置是电网中的主要非线性负荷，它既
3,谐波的危害
电网中谐波的危害极大，它会使电网供电电压波 形发生畸变而使供电质量下降。以下从三个方面列写 了谐波的危害。从不同的存在谐波电流情况下，总的 电流就等于各谐波电流的方均根。 1 谐波对供电设备的危害
电力变压器和发电机损耗增大，产生过热损坏； 电缆过热，绝缘老化； 谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振， 使谐波含量放大，使电力电容器介质损耗增大，过热 烧毁； 中线电流增大，引起中性点漂移，造成负荷发热 ，使损耗增加，而且产生压降，引起零电位漂移，降 低了供电的电能质量。
五，APF仿真运行及分析
• 右图 所示为在0.2s 时投入 APF 前后的系统网侧A 相电 流波形（第一个子图所示） 。由图可见在0.2s投入APF 后，系统网侧的谐波电流很 快就被抑制，且稳定后其电 流波形接近于标准的正弦波 。由此可见，本文所设计的 APF 系统具有较快的动态响 应速度，能对系统中的谐波 电流进行较好的抑制，
流运算电路采用的是基于瞬时无功功率和矢量变换理论的ip 、iq 检测法，主要是因为这种控制策略具有较高的实时性，
并且检测结果不受电压波形畸变的影响，检测结果比较准确 。
系统的整体仿真模型结构图
APF仿真参数设置
• 系统电源为三相对称电压源，初相角为0，频率为50Hz；耦 合变压器漏感阻抗为0.075pu，绕组为Y/Y 连接，容量为 20kVA；非线性负荷为三相全控桥式整流电路。
APF 控制电路建模
• APF 的控制电路主要含指令电流运算电路和电流跟踪控制电 路。因并联型APF 所产生的补偿电流应实时跟踪指令电流的 变化，故补偿电流发生器必须有很好的实时性，因此采用跟 踪型PWM 控制方式。本系统中电流跟踪控制电路采用的是 滞环比较方式，通过滞环比较器来产生PWM 信号。指令电