论有源电力滤波器

现代商贸工业　Ｎｏ．０４，２０１２　Ｍｏｄｅｒｎ　Ｂｕｓｉｎｅｓｓ　Ｔｒａｄｅ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　２０１２年第４期　论有源电力滤波器　魏讲鹏张新文　（中煤西安设计工程有限责任公司，陕西西安７１００５４）　摘要：介绍了有源电力滤波器基本工作原理及其容量定义，并时并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器优　缺点进行比较，为合理选择有源电力滤波器提供了依据。　关键词：谐波；ＰＷＭ变流器；有源电力滤波器ＡＰＦ　中图分类号：ＴＢ　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—３１９８（２０１２）０４—０２８１—０３　ｌ概述　随着电力电子的发展，具有非线性特性的变流装置和　大容量动态负载被广泛使用，电网中的谐波污染问题变得　日益严重。目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电　力滤波器（ＡＰＦ）。有源电力滤波器（ＡＰＦ）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，其应用可克服　ＬＣ滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点。　Ｌ………………一’　２有源电力滤波器的基本工作原理　图１有源电力滤波器系统基本原理图　图Ｉ所示为最基本的有源电力滤波器系统构成的原理　路三部分）。其中，指令电流运算电路的核心是检测出被补偿　图。图中，Ｅｓ表示交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗　对象电流中的谐波和无功等电流分量。补偿电流发生电路的　无功。有源电力滤波器系统由两部分组成，即指令电流运算电　作用是根据指令电流运算电路得出补偿电流的指令信号，产生　路和补偿电流发生电路（电流跟踪控制电路、驱动电路和主电　实际的补偿电流。主电路均采用ＰＷＭ变流器。　４．６冲制箱加脱水转鼓渣处理工艺　温阀门采用软水密闭循环冷却。生产排污水（净环水排污　熔渣粒化装置采用冲制箱喷射冷却水粒化水淬熔渣，　水及除盐水制备排污水）串级补充给浊环水系统，循环使　转鼓式脱水形式，系统封闭循环。该装置的优点是具有很　用。通过以上节水措施，可以实现炼铁生产过程中用水　好的粒化效果，系统运行稳定，安全可靠；自动化程度高；可　“零”排放，水重复利用率为９８　，吨铁新水耗量４ｏ．７ｍ０。　连续脱水作业；设备结构简单，布置紧凑，占地面积小，设备　４．１０高炉自动化控制技术　维护检修方便；成品渣含水量小，粒度均匀。　高炉主工艺线采用电气、仪表、计算机一体化自动化控　４．７远距离煤粉喷吹技术　制系统，以保证系统的先进性、可靠性。计算机控制采用两　西钢由于利用现有喷吹站喷煤，喷吹主管线从现有喷　级（基础级和过程级）三电系统对高炉主工艺线上设备进行　吹站到新建高炉的距离为６００多米，现有气源最高压力　监视和控制。　１．０ＭＰａ，为满足高炉高喷煤量的要求，必须降低阻损，因此　４．１１清洁环境生产技术　喷吹主管采用两次变径，主管至高炉附近一变二，对应两台　设计了供料、矿槽、炉前等系统的除尘设施；为减少二　煤粉分配器，同时在煤粉主管上设置煤粉助推器及流量计，　次扬尘及粉尘污染，重力除尘器采用加湿卸灰机，布袋输灰　管道拐弯处设有压力检测，各支管设置设置自动吹扫阀门，　为气力输送，炉顶均压分散阀处设旋风除尘器；所有风机的　以保证煤粉主管畅通。　进风口和放散阀处，设置了消音器，降低噪音污染；在铁口　４．８干法煤气除尘及余压发电（ＴＲＴ）技术　区域设置顶吸及侧吸装置，有效解决开、堵铁口时的烟尘外　煤气净化选用１３个布袋除尘器箱体和１个大灰仓，布　逸问题，上料及炉前除尘技术的应用，实现了高炉清洁化生　袋灰气力输送至大灰仓，气力输灰具有运行稳定、输灰连　产，改善了劳动条件，有利于环保。　续、全自动操作等优点，大大减轻了人工卸灰强度，除尘灰　５　结语　．　全部在密闭环境中倒运，因此彻底解决了干法除尘灰二次　烧结矿分级人炉、高炉精矿及焦丁回收技术，炉料分布　扬尘问题　与控制技术，高炉高效长寿综合技术，高效铜冷却壁技术，　为了回收高炉煤气的物理能，设置炉顶余压透平设施　软水密闭循环冷却技术，热风炉余热回收及长寿高风温技　（ＴＲＴ），将煤气压力能、热能转换为电能，这是回收能源的有　术，炉顶余压发电技术，布袋灰气力输灰技术，先进的串罐　效方法，是冶金行业重要的节能和环保设施，它可以提供高　无料钟装料设备及炉前现代化设备等综合技术在高炉上应　炉鼓风站所需电能的１／３，同时减少由于减压阀组所引起的　用，提高了高炉的整体装备水平，高炉设计是合理的，技术　噪音，减少了对大气的污染，并提高了能源的综合利用率。　水平已达到国内先进水平。　４．９节水技术　高炉泵站设有软环冷却水系统，净环冷却水系统，浊环　参考文献　冷却水系统，软水制备给水系统，除盐水制备给水系统，生　［１］毛庆武，张福明．迁钢１号高炉采用的新技术［Ｊ］．炼铁，２００６，　产新水给水系统。高炉采用软水密闭循环冷却，热风炉高　（５）：５～９．　一２８１—　Ｎｏ．０４，２０１２　现代商贸工业　Ｍｏｄｅｒｎ　Ｂｕｓｉｎｅｓｓ　Ｔｒａｄｅ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　２０１２年第４期　作为主电路的ＰＷＭ变流器，在产生补偿电流时，主要作　为逆变器工作。在电网向有源电力滤波器直流侧充电时，它　作为整流器工作。也就是说，它既可以工作在逆变器状态，　又可以工作在整流器状态，而这两种状态无法严格区分。　有源滤波器的基本工作原理：检测补偿对象的电压和　电流，经指令电流运算单元计算得出补偿电流的指令电流　信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补　偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最　终得到期望的电源电流。　有源电力滤波器的基本任务就是检测出电网电流中的　无功分量和谐波分量，并通过ＰＷＭ方式向电网注入反向的　无功成分一ｉｑ（ｔ）和反向的谐波成分ｉｎ（ｔ），从而达到清除电　网中的无功及谐波污染的目的。　３有源电力滤波器的容量定义　有源电力滤波器的容量由电网相数ｎ、加在ＡＰＦ上的　电压ＵＡ和补偿电流ＩＣ三个量决定，基本定义为：　ＳＡＰＦ—Ｎ・ＵＡ・Ｉｃ　加在ＡＰＦ上的电压ＵＡ由电网电压以及ＡＰＦ系统接　入电网的方式决定，补偿电流ＩＣ的大小与ＡＰＦ系统接人电　网的方式和补偿的目的都有关系。例如当有源电力滤波器　单独使用时，仅补偿谐波电流时有Ｉｃ＝ＩＬＨ，对于工业的三　相桥式全控整流器负载，其ＩＬＨ：２５　ＩＬ，所以此时ＡＰＦ的　容量为被补偿对象的２５％。若ＡＰＦ在补偿谐波的同时还　要补偿无功功率，则有以下关系：　Ｉｃ　兀　有源电力滤波器的容量ＳＡＰＦ与被补偿对象容量ＳＩ　的比值为：　一　：　ＳＩ　ＩＬ　还ＩＩ　．　由此可见，当有源电力滤波器同时补偿谐波和无功时，　要求的容量比只补偿谐波时要大，并且与三相桥的最大触　发延迟角ａＭＡＸ有关。　对于特定的电网或补偿对象，其容量是确定的，而ＡＰＦ　容量越大，其成本也越高，如何既使补偿后的电网达到最佳　状态又使需要的硬件成本最低是技术人员需要好好研究的　问题，这就是对于特定的补偿对象要尽可能降低ＡＰＦ的容　量的主要原因，解决的思路就是在补偿对象确定的前提下，　如何降低ＡＰＦ承受的电压ＵＡ和需要ＡＰＦ提供的补偿电　流Ｉｃ，具体实现的途径就是采用不同的拓扑结构和以不同　方式与无源补偿装置混合使用。　４有源电力滤波器的拓扑结构　根据接人电网方式的不同，有源电力滤波器可以分成　并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器两种，各　自又依据其具体的结构、功能以及特性可以分为不同的类　型，具体方式分类如图２。　４．１并联型有源电力滤波器　（１）单独使用的并联型ＡＰＦ。　图中，负载为产生谐波的谐波源，变流器和与其相连的　电感、直流侧电容共同组成有源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，用于滤除有源　电力滤波器所产生的补偿电流中开关频率附近的谐波。　优点：可用于补偿谐波、无功功率、三相不对称电流及　供电电压的波动。　２８２一　图２有源电力滤波器结构分类　图３单独使用的并联型ＡＰＦ　缺点：由于交流电源的基波电压直接施加到变流器上，　且补偿电流基本由变流器提供，所以要求变流器具有较大　容量。　适用场合：主要用于带感性负载的整流器负载。　（２）与ＬＣ滤波器混合使用方式。　与ＬＣ混合使用的方式可以分两种：一种是有源电力滤　波器与ＬＣ滤波器并联，另一种是由原电力滤波器与ＬＣ滤　波器串联。　ＡＰＦ　。　图４并联型ＡＰＦ与ＬＣ滤波器并联方式　图４中有源电力滤波器与ＬＣ滤波器均与负载谐波源　并联接人电网中，两者共同来承担补偿谐波的任务，ＬＣ滤　波器主要补偿较高次的谐波，是一个高通滤波器。它一方　面用于消除补偿电流中因主电路中器件通断引起的谐波，　另一方面可滤除补偿对象中较高次数的谐波，从而使得有　源电力滤波器主电路中器件开关频率要求有所降低。这种　方式中，由于ＬＣ滤波器只承担了少部分补偿谐波的任务，　故对降低有源电力滤波器的容量起不到很明显的作用。但　因为它对有源电力滤波器中器件的开关频率要求不高，故　实现大容量相对容易。　图５中无源滤波器包括多组单调滤波器和高通滤波　器，对于三相桥整流电路这样的谐波源，无源滤波器组成包　括５、７、１３次谐波器。对电网中产生的绝大多数谐波均由　无源滤波器滤除，而有源电力滤波器只是起到补偿无源滤　波器未能补偿的谐波。　优点：两种补偿方式：一种是有源电力滤波器ＡＰＦ补　偿大部分谐波，而无源滤波器ＰＦ主要补偿较高次谐波，这　ＮＯ．０４．２Ｏｌ２　现代商贸工业　Ｍｏｄｅｒｎ　Ｂｕｓｉｎｅｓｓ　Ｔｒａｄｅ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　２０１２年第４期　波器　图５并联型ＡＰＦ与并联ＰＦ混合方式　图８单独使用的串联型ＡＰＦ　　样对ＡＰＦ主电路中器件的开关频率要求不高，实现大容量　滤波器用于滤除有源滤波器中开关通断所产生的毛刺。串联型有源电力滤波器与并联型有源电力滤波器不同，　相对容易；另一种方式无源滤波器ＰＦ分担大部分谐波，而　控　有源电力滤波器ＡＰＦ是为了改善整个系统的性能，这样所　主要用于补偿可看作电压源的谐波源。针对这种谐波源，制系统从电源电流中瞬时检测出其中的谐波电流，并控制　需容量与单独使用方式相比可大幅度降低。　从而　缺点：电网与ＡＰＦ及ＡＰＦ与ＰＦ之间存在谐波通道，　ＰＷＭ逆变器实时产生出与之成一定比例的谐波电压，特别是ＡＰＦ与ＰＦ之问的谐波通道，可能使ＡＰＦ注入的谐　达到使串联型有源电力滤波器对基波阻抗为零而对谐波呈　波又流入ＰＦ及系统中。　现一定阻抗的目的。串联型与并联型可以看作是对偶关系。　适用场合：原来有无源滤波器的系统。　适用场合：适用于电压源性质的谐波源。　（３）注入电路方式的并联有源电力滤波器。　（２）与ＬＣ滤波器混合使用方式。　图９　串联混合型电力滤波器　图９这种方式是在并联的负载和ＬＣ滤波器与电源之　间串入有源电力滤波器。特点是电网中谐波基本由ＬＣ滤　图６　ＬＣ串联谐振型注入电路方式　波器补偿，而有源电力滤波器的作用是改善ＬＣ滤波器的滤　波特性。可将有源电力滤波器看作一个可变阻抗，它对基　波的阻抗为零，对谐波却呈现了高阻抗，阻止谐波电流流入　电网，而迫使谐波电流流入ＬＣ滤波器。换言之，有源电力　滤波器起到了谐波隔离的作用。这样还可以抑制电网阻抗　对ＬＣ滤波器的影响，以及抑制电网与ＬＣ滤波器之间可能　发生的谐振，从而极大的改善ＬＣ滤波器的性能。　系统中有源电力滤波器ＡＰＦ为一个电流控制电压源，　由ＰＷＭ控制产生与线路中谐波电流成正比的谐波电压。　图７　ＬＣ并联谐振型注入电路方式　对谐波电流，串联ＡＰＦ可等效为一个电阻，其阻值即为放　图６，图７两种方式是为了降低有源电力滤波器容量　大倍数Ｋ，当Ｋ远远大于电网阻抗和无源滤波器等效阻抗　而提出的，我们知道有源电力滤波器的容量取决于其承受　时，串联ＡＰＦ强制将负载的谐波电流流人无源滤波器中，　的电压和流过的电流。注入电路方式正是用电感和电容构　同时也阻止了电源的谐波电压串入负载侧，无源滤波器是　成注入回路，利用电感电容电路的谐振特性，使得有源电力　负载谐波电流的唯一通道。对谐振频率处的谐波，无源滤　滤波器只需承受很小部分的基波电压，从而极大减小有源　波器呈极低阻抗。　电力滤波器的容量。　优点：容量很小，投资较少，运行效率高。对大容量谐　图６中，Ｃ２一Ｌ在电源电压的基波频率处发生串联谐　波源的补偿是较理想的方案。　振，基波电压绝大部分降落在电容Ｃ１上。这样，有源电力　缺点：对于电网中的闪变分量，不能实现隔绝；ＡＰＦ串　滤波器只需承受其余的很小部分的基波电压。电容Ｃ１还　联在电路中，绝缘比较困难，维修不方便。　可以起到无功补偿的作用。　适用场合：带有大容量谐波负载的电力系统。　图７中，在有源电力滤波器和电网之间串入在基波频　５　结束语　率处谐振的Ｌ１－－Ｃ回路，基波电压绝大部分加在该谐振电　在抑制电网谐波中有源电力滤波器（ＡＰＦ）发挥着越来　路上，有源电力滤波器与Ｌ２一样只承受其余很小部分的基　越重要的作用，正确分析电网中谐波源性质（电压源和电流　波电压。该方式还有一个好处是只有很小的基波电流流过　源），合理选择有源电力滤波器才能有效的抑制谐波。　Ｌ１一Ｃ和Ｌ２。　参考文献　在注入电路方式中，为了保证补偿电流流人电网与负　载的连接处，需合理配置注人电路的几个电感电容的参数。　［１］王兆安，杨君，刘进军，王跃．谐波抑制和无功功率补偿［Ｍ］．北　此外，有源电力滤波器不能补偿基波无功功率。　京：机械工业出版社，２００５．　４．２　串联型有源电力滤波器　［２３杨君，谐波和无功检测方法及并联型电力有源电力滤波器的研究　［Ｊ］．西安交通大学，１９９６．　（１）单独使用的串联型有源电力滤波器。　［３］杨君，王兆安．并联型电力有源滤波嚣控制方式的研究［Ｊ］．西安　图８中有源电力滤波器ＡＰＦ作为受控电压源工作。高通　交通大学学报，１９９６，（４）：３７—４１．　・・－——２８３・－・——