有源电力滤波器APF精编版.docx
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有源电力滤波器APF精编版
谐波滤除器Harmonicfilter
谐波和无功的产生和危害
Occurrenceandharmofharmonicsandreactivepower
现代工业和家电业的技术发展,使得电力电子设备被广泛使用,电力电子设备中大量使用了半导体开关器件,这些器件只允许电流在整个周期的某一部分导通,从而使用户端电网侧电流不连续,造成电流波形的失真。
另外对于三相四线制系统,如果三相负荷不平衡,会造成三相电流的不对称。
Nowadaysthepowerandelectronicequipmentarewidelyused,theseequipmentsadoptedmanysemi-conductivecomponents,whichallowsomesectionofafullcurrentwaveonly,andresultindiscontinuouscurrent,namelycurrentdistortion.Alsoforthe3-phase4-wiresystem,ifthethree-phaseloadisunbalanced,itwillleadtoasymmetricalcurrent.
根据傅里叶(Fourier)定理,任何周期函数可以分解为一个直流量和一系列正弦量(频率为
原始周期函数频率的整数倍)的和,频率等于是原始周期函数的正弦量称为基波,频率等于基波频率“n”倍的正弦量波形称为“n”次谐波。
可见纯正弦化的电流波形不含谐波电流成分,而前述的失真的电流波形则含有谐波电流成分。
AccordingtoFouriertheorem,anyperiodicalfunctioncanbedecomposedasDCcontentandthesumofseriesofsinusoidalcontents(itsfreqisintegermultipleoforiginalperiodicalfunction),thesinusoidalwavewithfreqsameasoriginalperiodicalfunctionisbasicwave,“n”timesofthefreqofbasicwaveisNpowerharmonic,consequentlypuresinusoidalcurrentwavedoesnotcontainharmonics,distortedcurrenthasharmoniccontents.
下图为典型变频器的输入侧电流波形及傅里
ThefollowingfigureisatypicalcasecurrentwaveofinputsideininverterandFourier
未滤波的线电源%基波值
Basicwavevalueofunfilteredlinepowersource
未滤波的线电源Unfilteredlinepowersource
一般通过波形的“总谐波畸变率简称THD)”来定义波形的失真程度和谐波含量:
Generallytotalharmonicdistortionrate(abbreviation:
THD)isdefinedasdistortiondegreeandharmoniccontents.
其中U1为基波的有效值,Un为“n”次谐波的有效值。
U1istheeffectivevalueofbasicwave,Unistheeffectivevalueof“n”powerharmonicwave
产生谐波的常见设备有:
Thecommonequipmentthatmayproduceharmonicwaves:
变压器Transformer
发电机Generator
开关电源Switchingpowersource
各种家用电器Varioushouseholdappliances
电梯Elevator
整流器Rectifier
荧光灯和气体放电灯Fluorescentlampandgasdischarginglamp
变频器Inverter
电焊机Electricweldingmachine
电弧炉和感应电炉Electricarcfurnaceandinductivefurnace.
谐波对公用电网和其他系统的危害:
使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗,影响各种电气设备的正常工作,引起公用电网局部的并联谐振和串联谐振,导致继电保护自动装置和电气测量仪表出错,对邻近的通信系统产生干扰
Thehazardsofharmonicsonpublicpowergridandothersystem:
makeequipmentinpublicpowergridproduceextraharmonicloss,doinfluenceonthenormalservicingofelectricequipment,leadtopartialshuntandseriesharmonicresonancesinthepublicpowergrid,resultinrelayprotectionsystemandmeasuringinstrumentswronglyoperating,andbringinterferenceforwardtoneighborcommunicationsystem.
在交流电电路中,电流基波可分解为两个部分表示负载所吸收的电流。
一是与电压同相的有功分量,该分量可被转换为有同类型的相关能量,如机械能、光能、热能等等;二是与电压正交(和有功分量相位相差90度电角)的无功分量,该分量用于实现电源和负载间的能量传输,如用于变压器铁芯或电动机气隙中的磁耦合。
因此,在电气设备中,除有功功率外,还必须生成并发送一定量的无功功率用于与电网交换能量这就会给电网端带来一定量的无功电流。
Inalternatingcircuit,currentbasicwaveisabletobedividedintotwopartsforindicatingloadabsorbedcurrent:
oneisactivepowercontentwithsamephaseasvoltage,thiscontentcanbetransferredtoassociatedenergy,suchasmechanicalenergy,lightingenergy,thermalenergyandetc;anotherisreactivepowercontentsorthogonalwithvoltage(90°phaseanglewithactivecontent),thiscontentisusedforenergytransmissionbetweenpowersourceandloadingside,suchastransformercore,orelectromagneticcouplinginmotorgap.Consequentlybesidesactivepowerisuseful,alsoitshallproduceandtransmitsomereactivepowerforenergyconversioninpowergrid,thiswillresultinsomereactivecurrent.
一般通过“功率因数”来定义波形的无功含量,角度为电流落后电压的角度。
Generallypowerfactorisusedtoindicatethereactivecontent,angleisthedegreeofcurrentlaggingwithvoltage.
无功的危害Hazardsofreactivepower:
导致电流增大和供电设备视在功率增大leadtoincreasingcurrentandapparentpowerofpowersupplyequipment
使设备及线路损耗增加makeequipmentandlinelossriseup
导致变压器及线路压降增大,使电网电压剧烈波动
Transformerandlinevoltagedropenlarged,andmakesystemvoltagefluctuateviolently.
可见,谐波和无功会带来诸多的不利影响,必须采取有效措施加以抑制。
Consequentlyharmonicandreactivepowerwillresultinharmfulinfluences,itshalltakenecessarymeasurestolimit.
谐波,无功的相关标准
Thestandardrequirementsoftheharmonicwaveandreactivepower
根据《电能质量公用电网谐波》(GB/T14549-1993),公用电网(380V系统)谐波电压限值如下表:
AsperGB/T14549-1993standard“Electricquality,harmonicwaveinpowergrid”,theharmonicvoltagelimitsof380Vpublicgridasfollows
谐波电压限值如下表:
harmonicvoltagelimitsasfollows
电网标称电压Systemnominalvoltage
电压总谐波畸变率Totaldistortionrateofvoltage
电压总谐波畸变率Totaldistortionrateofvoltage
奇次Oddpowers
注入公共连接点的谐波电流允许值间下表:
Permissiblevalueofharmonicwaveenterintopublicjoint.
标称电压Nominalvoltage
基准短路容量Basicshortcircuitcapacity
谐波次数及谐波电流有效值Powersofharmonicandeffectivevalueofharmoniccurrent.
当电网公共连接点的最小短路容量不同于上表的基准短路容量时,按下式修正表中的谐波电流允许值:
Whenminimumshortcircuitcapacityofpublicjointofpowergridisdifferentfrombasicvaluespecifiedinsheet,pleasecalculatethecorrectedvalueviathefollowingformula:
式中Sk1为公共连接点的最小短路容量,MVA;
Sk1isminimumshortcircuitcapacityofpublicjoint,MVA;
为基准短路容量Basicshortcircuitcapacity
为上表的第h次谐波电流允许Permissiblevalueofhthpowerofharmoniccurrentspecifiedinabovesheet.
是短路容量为Sk2时的第h次谐波电流允许值
PermissiblevalueofhthpowerofharmoniccurrentwhenshortcircuitcapacityisSk2,
三相电路使用中,国家规定工业用户的功率因数一般要高于动力0.9,个别可低到0.85。
AsspecifiedbyState,generallyfor3-phaseindustrialconsumersthepowerfactorshallmorethan0.9,exceptionallylowest0.85allowed.
谐波和无功的抑制Restrictionofharmonicsandreactivepower
在电力系统中,补偿无功功率的方法很多,包括采用同步发电机,同步电动机、同步调相机、并联电容器和SVC、SVG等。
在许多工程的供电系统中,由于阻感型负载居多,总等效负载呈感性,通常采用并联电容器补偿无功功率,提高功率因数。
Inpowersystem,themethodsofcompensatingreactivepoweraremany,includingrunningsynchronousgenerator,synchronousmotor,synchronousphaseconversionmachine,shuntcapacitors,SVC,SVGandetc.Inmanysystemduemostisresistiveload,totalloadcharacterisinductive,therewilloftenutilizeshuntcapacitorsforcompensatingreactivepowertoimprovepowerfactor.
消除供电系统谐波的方法主要有两种:
一种是采用无源LC滤波器或有源电力滤波器滤波;第二种是改造谐波源,如提高变流器的相数,采用高功率因数整流器等。
Ithastwomethodsofeliminatingharmonicsinpowersystem:
oneistouseLCpassivepowerfilter,oractivepowerfilter;anotheristoreformharmonicsources,suchastoimproveconverter,adopttherectifierwithhighpowerfactor.
前工程上应用最多的还是无源LC滤波器,无源滤波器(PassivePowerFilter,简称PPF),通常是采用电力电容器,电抗器和电阻按功能要求组合而成,最常见的是调谐LC滤波器和LC高通滤波器。
无源滤波器由于其结构简单、成本低、在吸收谐波的基础上还可以补偿无功,改善功率因数。
同时无源滤波器又具有维护方便,以及有较成熟的技术、设计和制造经验。
但PPF也有非常大的缺点,PPF的滤波原理是提供一个并联低阻抗通路,因此其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定,这们PPF的滤波特性就受系统参数与运行工况影响比较大,设计起来较困难,谐振频率依赖于元件参数,因此只能对主要谐波进行滤波,LC参数的漂移将导致滤波特性改变,使滤波性能不稳定;此外电网的参数与LC可能产生并联谐振使该次谐波分量放大,使电网供电质量下降;另外如果用户端负载发生变化造成谐波电流变大,会使PPF过流,造成PPF的损坏。
NowadaysinprojectsitadoptedLCpassivepowerfilter(abbr.:
PPF)mostly,oftenusepowercapacitors,reactorandresistancetocoordinateproperlyasrequired,normallytuningLCfilterandLChigh-passfilter.Duethestructureofpassivepowerfilterissimple,lowcost,itcannotonlyabsorbharmonics,alsocompensatereactivepowertoimprovepowerfactor,meanwhilePPFeasytobemaintained,ithastheexperienceddesignandmanufacturingtechnology.Butitalsohasabigdefect,theworkingtheoryofPPFistoprovideshuntlow-resistance-passcircuit,thefiltrationcharacteristicsisdeterminedbyratiobetweensystemandfilterimpedance,namelyitwillbeinfluencedbysystemparametersandrunningstatus,difficulttodesign,resonancefreqdependingontheparametersofcomponents,consequentlyitcanfiltermainharmonicwaves,LCparameterdriftwillleadtochangingfiltrationcharacteristics,unsteadiness;furthermoresystemparametersandLCmayproduceshuntresonanceandenlargethisharmoniccontent,thenelectricqualitydropdown,ifconsumerloadchangeandproducelargerharmoniccurrent,PPFwillhappentoover-currentandmaybedamaged.
有源电力滤波器(ActivePowerFilter,简称APF),即利用可控的功率半导体器件向电网注入与谐波源电流幅值相等、相位相反的电流,使电源的总谐波电流为零,达到实时补偿谐波电流的目的。
它有响应快速、补偿精度高、体积小、智能程度高、可同时补无功等特点。
实际单独使用的APF以并联型为主,也叫并联有源谐波滤除器(ShuntActiveHarmonicFilter,,简称SAHF)。
ActivePowerFilter,(abbr.APF),namelyutilizedthecontrollablepowersemi-conductivecomponenttoinputthecurrentwithsamepeakvalueasharmoniccurrentbutinversephase,intosystem,thentotalharmoniccurrentiszero,reallycompensateharmoniccurrentinrealtime.Theadvantages:
fastresponse,highcompensationaccuracy,smallsize,highintelligence,abletocompensatereactivepower,andetc.inpracticetheremainlyisindependentshuntAPF,alsoitcalledshuntactiveharmonicfilter(abbr.SAHF).
鉴于目前有源设备的成本还相对较高、可控容量和电力系统的巨大电能相比还较小,在大功率工业应用场合中,采用混合型有源电能控制技术是现阶段应用的主要特征。
混合型有源电能控制技术即采用有源和无源的滤波器相结合的方案,无源滤波器负责滤除比较大的几次谐波成分和负责实偿大部分的无功,APF负责滤除剩余谐波和进一步提高功率因素。
Duecurrentlythecostofactivepowerfilterisveryhigh,controllablecapacityisverysmallcomparedwithsystem,inthoseapplicationswithlargecapacity,itoftenadoptedthecombinativeactivepowercontroltechnology,namelythemixtureofactiveandpassivepowerfilter.Passivepowerfiltereliminatelargeharmoniccontentsandcompensatemostreactivepower,APFabsorbthesurplusharmonicsandfurtherimprovepowerfactor.
上述三种方案在大功率应用中的比较:
Comparisonofabovethree-planinlargecapacity
单独使用Independentapplication
混合方案Combinativeplan
体积Volume
成本Cost
响应速度Responsespeed
扩容能力Extensioncapacity
无功补偿效果Reactivepowercompensationeffect
谐波滤波效果Harmonicfiltrationeffect
发生谐振的可能Possibilityofproducingresonance
受负载影响程度Degreeofloadinfluence
受电网阻抗影响程度Degreeofsystemimpedanceinfluence
受自身参数变化影响程度Degreeofinfluencebyitsownedparametervariation
最大Maxi
小Small
慢Slow
较差Bad
有with
较大Bigger
大Big
最小Mini
较高High
最快Fastest
好Good
无No
产品型号说明Modelandmeanings
域“CuSine”代表本公司的CuSineActive谐波滤除器
“CuSine”standsforourcompanyCuSineActiveharmonicfilter
域“3L”代表三相三线制的CuSine,用于三相四线制时此域为“4L”
“3L”standsfor3-phas
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