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09 ・ 磁性元件与电源 2!?? 随着电力电子 (PE: Power Electronic) 技术的迅速发 展,PE 装置的工业市场和应用领域正在不断地扩大,越来 越多的电气设备对取用的电能形式和质量,以及对功率流动 的控制与处理提出了新的要求.作为供电电源和用电设备之 间的非线性接口,在实现功率控制和处理的同时,所有 PE 装置均不可避免地产生非正弦波形,向电网注入谐波电流, 且随着功率变换装置容量的日益增大,使用数量的迅速上升 和控制形式的多样化等,对电气环境将形成一大公害. 在不采取限制或消除谐波电流、电压的措施下,如果按 照PE 装置容量和电力系统短路容量的相对大小,来选择主电 路连接形式和控制形式,就势必使谐波分量达到不能允许的 程度,其后果是很严重的.表现在 : 对电子线路和通信系统 产生强烈的电磁干扰 (EMI),谐波电流引起电网 LC 谐振,使 电网高压电容过流、过热而爆炸 ;

使线路上的变流装置交流 输入端功率因数降低,发电、配变电设备的功耗加大、效率 降低 ;

大量的无功功率引起电网电压波动,使交流电机转矩 脉动、温升增高 ;

使电气设备的保护系统误动作而造成重大 事故.尤其近年来新型 PE 器件的工作频率不断提高,器件开 关的高频 di/dt、du/dt 效应使 EMI 问题日趋严重,和其它环 境污染一样,谐波导致的 电气环境污染 影响广泛而深远, 治理谐波问题已引起普遍关注和重视,抑制谐波势在必行. 3!???????????????? 谐波抑制是提高电能质量,保证供用电设备安全可靠 运行的重要手段之一,目前,谐波的抑制方法有补偿和改 造谐波源两大类.补偿法是对谐波采取滤波或补偿的方法. 通常采用无源滤波装置或有源滤波装置,对谐波或无功功 率进行补偿.无源滤波器 (PF: Passive Filter) 也称为 LC 滤波器,这是最早采用的无源滤波装置 ;

有源滤波装置 则是利用 PE 变流技术构成的有源滤波器或无功发生器等. 改造谐波源的方法有整流装置的多重化技术,采用先进控 制技术的新型整流器等. 作为无源滤波器的 LC 滤波器,由滤波电容器、滤波电 抗器和电阻器适当组合而成.因其具有结构简单、设备投资 少、运行可靠性高、运行费用较低等优点成为应用最多的谐 波补偿装置.LC 滤波器又分为单调谐滤波器、双调谐滤波 器及高通滤波器等几种.实际应用中经常是由几组单调谐滤 波器和一组高通滤波器组成的滤波装置.高通滤波器也称为 减幅滤波器 (damped filter),它能在较宽广的频率范围内 滤出较高次的谐波,比较适合于一些大功率的应用场合(如 电弧炉等) .但无源滤波其滤波效果依赖于系统阻抗特性, 并容易受温度漂移、网络上谐波污染程度、滤波电容老化及 非线性负荷变化的影响.此外还存在以下缺点 : 只能抑制按设计要求规定的谐波成分,有时由于高次 MNBQG ????????????? Developments and Application of LM Active Power Filter 邓隐北,张子亮,唐庆伟 河南亮明电控设备有限公司 河南郑州

450044 ?! ? ǖ 有源电力滤波器 (APF),通过对谐波的实时监测、在线计算出系统中的谐波分量,并产生相应的控制信号,再由IGBT 等功率器件构成的逆变电路得到所需补偿的谐波分量,并联接入产生谐波的主回路中,实现动态跟踪抑 制谐波和无功补偿的目的.本文重点介绍了 亮明电控 最新研制的 LMAPF 的关键技术及其创新特点,力求在 电力系统中推广应用,以有利于节能减排和确保供电质量. ??? ǖ 有源电力滤波器,谐波抑制,无功补偿,电力系统,降损节能 中图分类号:TN713 文献标识码:B 文章编号:1606-7517(2014)09-5-136 2014.09

137 ・磁性元件与电源 谐波的成分复杂,必须同时加入多个滤波电路,使整个无 源滤波装置的体积增大、损耗增加.同时考虑到成本问题, 不可能仅靠增加无源滤波器数量来提高滤波效果 ;

谐波电流过大时可能导致无源滤波器的过载, 损害设备;

无源滤波器的滤波效果将随系统的运行情况而变化, 特别对电网阻抗和频率变化非常敏感,在这种情况下难以 保证滤波效果 ;

无源滤波器需要使用大量的电感、电容元器件,响应 速度慢,占地面积大,维护工作繁重,成本增大. 与无源滤波器相对应的是有源电力滤波器 (APF: Active Power Filter).谐波源一般为非线性负载,如整流器等,产 生谐波电流 I,供电系统一般为保护对象 ;

APF 的作用是产 生与谐波源的谐波电流具有相同幅值而相位相反的补偿电 流-I,以达到消除谐波的目的.与无源滤波器相比,APF 是 一种主动型的补偿装置,具有较好的动态性能.特别是基于 电压源型的 APF,结构简单、质量轻、损耗小、价格便宜以 及容易实现多重化,从而降低开关器件的开关频率.因此, 在工业领域,这种 APF,通常被考虑为优先研发的应用项 目.下面重点介绍河南亮明电控设备有限公司 , 新近开发的 LMAPF 有源滤波器的性能和特点,以及其应用情况. 4!MNBQG ????????????????? 有源电力滤波器 (APF) 是一种新型谐波抑制和无功补 偿装置.APF 不同于传统的 LC 无源滤波器(只吸收固定频 率的谐波) ,它能对电流和频率都变化的无功功率进行补 偿,并可实现动态补偿.其基本原理是,通过实时检测谐 波状况,在线计算出所含谐波分量,产生相应的控制信号, 去控制可关断功率器件(如IGBT)所组成的逆变电路.因而,将电容器中存储的电能逆变为所需补偿的电流谐波分 量,并联接入产生谐波的主回路中,以达到迅速动态跟踪 抑制谐波的效果. 亮明电控 生产的有源电力滤波器 (LMAPF) 为谐波治 理提供了合理的解决方案;

同时, 还能实现无功补偿的功能, 为用户改善功率因数和确保用户用电的质量. 当断路器合闸后,LMAPF 首先通过预充电电阻对 DC 母 线的电容器充电,这个过程是防止上电后对 DC 母线电容器 的瞬间冲击.当母线电压 VDC 达到额定值后,预充电接触 器断开. 直流电容作为储能元件,通过 IGBT 逆变器和内部电抗 器向外部输出补偿电流提供能量. LMAPF 通过外部互感器采集电流信号送至控制 PCB 的 谐波分离模块,该模块将基波成分分离,将谐波成分送至 调节和监测模块,并将采集到的系统谐波成分和 LMAPF 已 发出的补偿电流比较,得到的差值作为实时补偿信号输出 到驱动电路.触发 IGBT 逆变器将补偿谐波电流注入到电网 中,实现滤除谐波的功能. 5!MNBQG ?????????????? 5/2!?????????? 精确、实时地检测出电网中瞬时变化的畸变电流,是 提高有源电力滤波器补偿精度的一个关键问题,以下是目 前采用的几种检测方法 : 4.1.1 基于 Fryze 功率定义的检测方法 其原理是将负荷电流分解为与电压波形一致的分量, 将其余分量作为广义无功电流(包括谐波电流) .它的缺点 是:因为 Fryze 功率定义是建立在平均功率基础上的,所 以要求瞬时有功电流需要进行一个周期的积分,再加其它 运算电路, 要有几个周期延........