三相電源濾波器設(shè)計(jì) 淺談三相電源濾波器設(shè)計(jì)過程

本文主要介紹的是關(guān)于三相電源濾波器的設(shè)計(jì)，以及三相電源濾波器的設(shè)計(jì)過程。

電源濾波器

電源濾波器是由電容、電感和電阻組成的濾波電路，又名“電源EMI濾波器”，或是“EMI電源濾波器”，一種無源雙向網(wǎng)絡(luò)，它的一端是電源，另一端是負(fù)載。電源濾波器的原理就是一種——阻抗適配網(wǎng)絡(luò)：電源濾波器輸入、輸出側(cè)與電源和負(fù)載側(cè)的阻抗適配越大，對(duì)電磁干擾的衰減就越有效。濾波器可以對(duì)電源線中特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除，得到一個(gè)特定頻率的電源信號(hào)，或消除一個(gè)特定頻率后的電源信號(hào)。

電源濾波器就是對(duì)電源線中特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除的電器設(shè)備。電源濾波器的功能就是通過在電源線中接入電源濾波器，得到一個(gè)特定頻率的電源信號(hào)，或消除一個(gè)特定頻率后的電源信號(hào)。

利用電源濾波器的這個(gè)特性，可以將通過電源濾波器后的一個(gè)方波群或復(fù)合噪波，變成一個(gè)特定頻率的正弦波。

大功率電源的濾波器如Satons、UBS、變頻器等將會(huì)產(chǎn)生大量諧波電流，這類濾波器需采用有源電力濾波器APF。APF可對(duì)2~50次諧波電流進(jìn)行濾除。

三相電源濾波器設(shè)計(jì)

本文主要以三相有源電力濾波器為例，探討三相電源濾波器設(shè)計(jì)過程中相關(guān)問題。
三相有源電力濾波器可實(shí)時(shí)濾除諧波，及時(shí)消除非線性負(fù)載中的諧波電流，亦或者是消除電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生的諧波電流，從而有效降低系統(tǒng)電壓畸變率；并可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，能夠及時(shí)發(fā)出容性無功亦或感性無功，可有效改善系統(tǒng)的功率因數(shù)；可達(dá)到降耗節(jié)能的目的，有效降低線路損耗與變壓器損耗，能夠有效緩解設(shè)備發(fā)熱的問題，同時(shí)延長(zhǎng)設(shè)備應(yīng)用時(shí)間，并確保電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。三相有源電力濾波器對(duì)現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)展有著極大現(xiàn)實(shí)意義，但三相有源電力濾波器設(shè)計(jì)水平偏低，因此探討三相有源電力濾波器設(shè)計(jì)，對(duì)電力系統(tǒng)有效運(yùn)行有著極大現(xiàn)實(shí)意義。

一、三相有源電力濾波器簡(jiǎn)論

?1、有源電力濾波器?

電力電子設(shè)備及非線性負(fù)載現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用，這時(shí)的諧波電流及無功電流被大量注進(jìn)電網(wǎng)，從而威脅著電網(wǎng)及電氣設(shè)備的運(yùn)行及其正常使用。有源電力濾波器為動(dòng)態(tài)抑制諧波及補(bǔ)償無功的設(shè)備裝置，此類電力電子設(shè)備可對(duì)頻率及大小變化諧波、無功等有效補(bǔ)償，其為十分理想的補(bǔ)償諧波設(shè)備，為十分理想的補(bǔ)償諧波設(shè)備。有源電力濾波器具備極高可可控度，其反映速度十分快速，可及時(shí)跟蹤補(bǔ)償各諧波與需要的無功功率，而此特性并不會(huì)受到系統(tǒng)的影響，無諧波可合理放大，其體積與重量小。單臺(tái)有源電力濾波器造價(jià)與技術(shù)、容量均被制約，大容量有源電力濾波器研究已獲得諸多成就，三相有源電力濾波器被廣泛用于電力系統(tǒng)中，但此方式結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，控制程序亦十分繁瑣，設(shè)計(jì)工作難度大。

2、三相有源電力濾波器?

三相有源電力濾波器具備諸多良好的性能特點(diǎn)，其可濾除的諧波次數(shù)范圍非常廣泛，通常可濾除2-50次諧波，為可濾波除特征諧波，亦可濾除非特征濾波；諧波濾除效率高，于額定功率下的諧波電流除率為95%；響應(yīng)速度極快，諧波補(bǔ)償電流響應(yīng)時(shí)間超過10MS；能夠單相動(dòng)態(tài)為電力系統(tǒng)注進(jìn)補(bǔ)償電流，從而有效改善系統(tǒng)三相不平衡的問題；可自動(dòng)消除諧振，確保各設(shè)施設(shè)備與系統(tǒng)安全運(yùn)行；可設(shè)定輸出與最大100%限流輸出，確保設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行；具備濾波與無功補(bǔ)償功能，比如感性與容性，從而實(shí)現(xiàn)濾波或是補(bǔ)償功能；其操作界面簡(jiǎn)單便捷；界面可實(shí)時(shí)顯示電壓與電流、諧波等參數(shù)，并且菜單設(shè)置靈活合理，可選擇消諧模式、無功補(bǔ)償模式與諧波無功可實(shí)現(xiàn)同時(shí)補(bǔ)償模式，且具備目標(biāo)功率因數(shù)與輸出電流，能夠及時(shí)記錄實(shí)時(shí)故障，設(shè)計(jì)選型簡(jiǎn)單合理，安裝及其操作、維護(hù)工作亦非常簡(jiǎn)單；可可10臺(tái)擴(kuò)展并聯(lián)運(yùn)行；保護(hù)措施簡(jiǎn)單完善，具備系統(tǒng)電壓過壓保護(hù)及欠壓保護(hù)、輸出過流保護(hù)、過熱保護(hù)、控制電壓欠壓保護(hù)。其工作原理主要是實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)中的負(fù)載電流，從而將諧波電流分量合理分離，以諧波電流大小發(fā)出控制指令，達(dá)到實(shí)時(shí)產(chǎn)生大小相等與方向相反補(bǔ)償電流，并將補(bǔ)償電流注進(jìn)電網(wǎng)中，這時(shí)則可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)抵消濾除諧波電流的目的，并實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償。

二、三相有源電力濾波器主電路參數(shù)選擇?

三相有源電力濾波器主電路參數(shù)及其系統(tǒng)模型會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)控制效果，選擇適當(dāng)?shù)闹麟娐穮?shù)對(duì)濾波器穩(wěn)定運(yùn)行十分關(guān)鍵，亦是有效控制性能的重要條件，本文對(duì)此進(jìn)行了下述幾方面分析：?1、交流側(cè)電感選擇?

有源電力濾波器指令電流中的諧波及暫態(tài)電流十分關(guān)鍵，要求實(shí)際輸出電流可有著良好的跟蹤能力，有源電力濾波器補(bǔ)償對(duì)象確定時(shí)，有源電力濾波器主電路參數(shù)選擇及其性能、效率息息相關(guān)。電感有通低頻及阻高頻電流會(huì)導(dǎo)致有源濾波器補(bǔ)償電流中均是諧波電流，電感值設(shè)計(jì)與電流跟蹤性能及其補(bǔ)償效果息息相關(guān)。主電路參數(shù)是互相制約的，不可單獨(dú)的選擇電感值。穩(wěn)定的電流跟蹤能力為有源電力濾波器運(yùn)行中諧波補(bǔ)償?shù)闹匾獌?nèi)容，與最終的諧波補(bǔ)償效果息息相關(guān)，電網(wǎng)電壓及濾波器直流側(cè)電容電壓確定時(shí)，補(bǔ)償電流跟蹤效果與主電路功率器件開關(guān)頻率及補(bǔ)償電流瞬時(shí)變化率息息相關(guān)。

（1）器件開關(guān)頻率?

器件開關(guān)頻率對(duì)濾波器運(yùn)行非常重要，有源電力濾波器的目的就是產(chǎn)生諧波，這時(shí)則強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)具備更高的電流帶寬。若開關(guān)頻率太低則表示主電路電流帶寬低，輸出高頻率電流分量難度較大，這時(shí)系統(tǒng)則缺乏相應(yīng)的諧波補(bǔ)償能力，從而導(dǎo)致補(bǔ)償效果偏低。?

（2）電流波形?

就電流波形而言，偏低的開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)償電流中存在的紋波成分不斷增大，隨之而來的系統(tǒng)損耗亦加大，電流跟蹤效果則隨之惡化；若開關(guān)頻率高時(shí)，會(huì)使得開關(guān)功率耗損增大，從而提高了系統(tǒng)損耗，系統(tǒng)效率亦持續(xù)降低。?

（3）補(bǔ)償電流?

補(bǔ)償電流瞬時(shí)變化率會(huì)面對(duì)兩個(gè)互相矛盾的問題，有源電力濾波器中的主電路應(yīng)具備更高的補(bǔ)償電流變化率，確保補(bǔ)償具備更大的電流變化率，非線性負(fù)載中亦可產(chǎn)生補(bǔ)償電流，從而達(dá)到諧波補(bǔ)償?shù)哪康?。補(bǔ)償電流波形與被補(bǔ)償?shù)呢?fù)載電流波形息息相關(guān)，而被補(bǔ)償?shù)呢?fù)載電流變化率大時(shí)，對(duì)濾波器的要求就會(huì)更高；再是補(bǔ)償電流變化率不可太高，以便適應(yīng)對(duì)補(bǔ)償電流紋波大小的要求。若補(bǔ)償電流中的變化率太大，則會(huì)導(dǎo)致濾波器輸出電流超調(diào)，從而于補(bǔ)償電流中出現(xiàn)極大的紋波毛刺使得補(bǔ)償效果失靈。主電路參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，電網(wǎng)電壓及濾波器直流電容電壓確定條件下，濾波器變化率均是由交流側(cè)接口電感產(chǎn)生的，主電路參數(shù)間存在的互相關(guān)聯(lián)與制約關(guān)系十分重要，電感參數(shù)要可保證系統(tǒng)具備高電流帶寬、動(dòng)態(tài)性能、低開關(guān)損耗，以確保濾波器運(yùn)行安全穩(wěn)定。

（4）串聯(lián)電感?

串聯(lián)電感設(shè)計(jì)時(shí)，若電流過零，則電流變化率大，這時(shí)的電感務(wù)必小，才能更好的適應(yīng)快速跟蹤電流的要求；再是正弦電流峰值的輸出電流紋波極為嚴(yán)重，而這時(shí)的電感要大，要適應(yīng)開關(guān)抑制諧波電流的要求。?2、直流母線額定電壓選擇?

要全面分析空間矢量控制下的三相有源電力濾波器工作過程，確定其間主電路參數(shù)選擇互相聯(lián)系，不可僅注重其間某個(gè)。三相有源電力濾波器直流側(cè)電容電壓會(huì)因外部因素而限制，這時(shí)則應(yīng)全面分析特定待補(bǔ)償非線性負(fù)載的實(shí)際情況，合理選擇直流側(cè)電容電壓。有源電力濾波器直流側(cè)電容電壓選擇與特定被補(bǔ)償非線性負(fù)載息息相關(guān)，并與交流側(cè)接口電感及電網(wǎng)電壓矢量問題密不可分。有源電力濾波器直流側(cè)電容電壓臨界值選擇及其補(bǔ)償電流特定為諧波分布特性，交流側(cè)接口電感參數(shù)與其亦是息息相關(guān)，其并不是簡(jiǎn)單的固定數(shù)值。

3、直流母線電容選擇?

有源電力濾波器為直流側(cè)電容充、放電過程，其間濾波器性能與穩(wěn)態(tài)工作下的直流側(cè)電容電壓應(yīng)保持不變。電容量大小會(huì)嚴(yán)重影響到電壓波動(dòng)，若電容大則電壓波動(dòng)小，有源濾波器具備良好的濾波效果；但若電容大則成本會(huì)隨之增加。直流側(cè)電容的目的是給變流器提供相應(yīng)的電壓參考，直流電壓于變流器實(shí)際工作中務(wù)必保持穩(wěn)定，變流器中的開關(guān)器件會(huì)因工作而出現(xiàn)損耗，這時(shí)穩(wěn)定直流電壓則十分關(guān)鍵，應(yīng)于系統(tǒng)中吸收有功電流，以達(dá)到維持直流電壓穩(wěn)定的目的。直流側(cè)電容多用來穩(wěn)定電壓源型變流器，其屬于穩(wěn)定的直流電壓源，負(fù)序和諧波電流于直流電容側(cè)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的能量脈動(dòng)，且因開關(guān)的作用及有源電力濾波器交流側(cè)電感儲(chǔ)能而出現(xiàn)能量脈動(dòng)的問題諸多，這些均需直流側(cè)電容合理緩沖。

4、交流側(cè)輸出濾波器設(shè)計(jì)?

有源電力濾波器的目的是為了處理電網(wǎng)中的非線性負(fù)載導(dǎo)致的諧波電流引起的電能質(zhì)量問題所設(shè)計(jì)的電力電子設(shè)備，可檢測(cè)其負(fù)荷側(cè)電流獲得畸變電流分量，再以逆變器生成脈寬調(diào)制波，通過輸出低通濾波器濾除開關(guān)波紋，之后再將其融于電網(wǎng)中，生成相應(yīng)的補(bǔ)償電流再注進(jìn)電網(wǎng)中，充分抵消負(fù)載諧波電流，確保電源側(cè)電流與正弦波接近，有效改善電網(wǎng)電能質(zhì)量。輸出電流中存在50次及以下的諧波電流，開50次以上的諧波分量要全部濾除。通常采用LCL濾波器，此濾波器電感電容大小合理，濾波器于高頻位置時(shí)，能夠得到良好的衰減，且系統(tǒng)阻抗對(duì)輸出電流影響小。

三、三相有源電力濾波器實(shí)現(xiàn)影響分析?

三相有源電力濾波器實(shí)現(xiàn)主要是諧波分析、電流內(nèi)環(huán)跟蹤控制、直流母線電壓穩(wěn)定、驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成等。若母線電壓低于設(shè)定值，則有源電力濾波器可于電網(wǎng)中穩(wěn)定吸收能量；若母線電壓高于設(shè)定值時(shí)，則有源電力濾波器會(huì)于電網(wǎng)中釋放有功能量，合理維持直流母線電壓穩(wěn)定。有源電力濾波器驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成，大都是以SPMW調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)的，開關(guān)頻率應(yīng)選擇125kHz，本文對(duì)三相有源電力濾波器實(shí)現(xiàn)影響進(jìn)行了下述分析：

1、負(fù)載突變對(duì)直流母線電壓造成的影響?

全諧波檢測(cè)算法是以負(fù)載電流降低通濾波器輸出電流實(shí)現(xiàn)的，低通濾波器輸出固有時(shí)延是，會(huì)導(dǎo)致負(fù)載突變時(shí)的直流電流中生成基波殘留。而負(fù)載突然降低時(shí)，則有源電力濾波器可由電網(wǎng)中吸收相應(yīng)的有功能量，促使有源電力濾波器母線電壓快速提高；反之則母線電壓會(huì)突然降低。新型諧波檢測(cè)算法并不需要通過負(fù)載電流減濾波器輸出量，可通過簡(jiǎn)單的方式提取諧波指令，負(fù)載突變時(shí)的指令電流中不存在基波，亦不會(huì)造成有源電力濾波器直流母線電壓出現(xiàn)大范圍變化。負(fù)載突變時(shí)的全諧波算法可有效維持直流母線電壓穩(wěn)定，而直流母線電壓波動(dòng)大，新諧波算法直流母線電壓無波動(dòng)，可以說新諧波算法有助于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

2、相位誤差對(duì)無功電流檢測(cè)造成的影響?

瞬時(shí)無功功率理論下的dp法實(shí)時(shí)性良好，且計(jì)算量不多，電網(wǎng)中的電壓出現(xiàn)畸變時(shí)，亦可準(zhǔn)確無誤的檢測(cè)電流中存在的諧波和無功電流，其可快速檢測(cè)出電流。系統(tǒng)中的電網(wǎng)電壓正弦量及坐標(biāo)變化正弦量間會(huì)存在相位差，會(huì)造成檢測(cè)結(jié)果測(cè)量誤差，通常相位差的產(chǎn)生為兩個(gè)原因，其一是因電網(wǎng)電壓不對(duì)稱而導(dǎo)致其間存在負(fù)序電壓，過零檢測(cè)鎖相方式坐標(biāo)變換正、余弦信號(hào)相位是系統(tǒng)電壓所決定的，亦是和正序電壓及負(fù)序電壓分量和相同，但是期望的正弦信號(hào)要與正序分量為同相；其二是因鎖相不準(zhǔn)確而導(dǎo)致相位出現(xiàn)偏移。坐標(biāo)變換中正弦量相位差導(dǎo)致基波有功電流檢測(cè)中存在誤差，而這時(shí)則不可正確檢測(cè)諧波與無功電流。負(fù)荷電流畸變不對(duì)稱時(shí)的電壓亦是不平衡的，亦或者是其關(guān)鍵環(huán)節(jié)的誤差使得其間存在較大的相位差，諧波與無功電流亦存在相應(yīng)的誤差，這時(shí)亦會(huì)嚴(yán)重影響控制直流電壓的有功分量，同時(shí)影響了相位差。而此問題均是以dp坐標(biāo)閉環(huán)鎖相方式、過零檢測(cè)修正鎖相方式、電源電壓矢量同步參考坐標(biāo)法等方式來處理。

3、低通濾波器對(duì)檢測(cè)誤差造成的影響?

直流量提取是通過低通濾波器實(shí)現(xiàn)的，濾波器性能會(huì)直接影響檢測(cè)誤差，通常是期望能夠?yàn)V除全部的交流分量而得到純的直流量，這時(shí)低通濾波器實(shí)現(xiàn)純直流濾波則難度較大。?

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，電力行業(yè)更加注重高次諧波抑制的重要性，并強(qiáng)調(diào)諧波污染的降低，諸多新型有源濾波系統(tǒng)亦應(yīng)時(shí)而生，且設(shè)施設(shè)備均是不同的，電力系統(tǒng)運(yùn)行亦要求可準(zhǔn)確快速地補(bǔ)償電網(wǎng)諧波電流，亦或者是諧波電壓，有源濾波器若需實(shí)現(xiàn)如此效果，則系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)務(wù)必科學(xué)合理，但這多依賴于三相有源電力濾波器的設(shè)計(jì)。有源電力濾波器應(yīng)具備良好的電壓控制功能及高性能電流控制功能，電壓控制性能務(wù)必具備良好的穩(wěn)態(tài)精度，并以合理的動(dòng)態(tài)性能安全啟動(dòng)控制。本文對(duì)三相有源電力濾波器進(jìn)行了簡(jiǎn)論，探討了三相有源電力濾波器主電路參數(shù)選擇，并分析了三相有源電力濾波器實(shí)現(xiàn)影響，為三相有源電力濾波器設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。