有源電力濾波器通過電流互感器檢測負載電流，并通過內部DSP計算，提取出負載電流中的諧波成分，然后通過PWM信號發(fā)送給內部IGBT,控制逆變器產生一個和負載諧波電流大小相等，方向相反的諧波電流注入到電網(wǎng)中，達到濾波的目的。

有源電力濾波器

　　有源電力濾波器（APF）是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償，之所以稱為有源，顧名思義該裝置需要提供電源，其應用可克服LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補償方法的缺點（傳統(tǒng)的只能固定補償），實現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補償，而且可以既補諧波又補無功；三相電路瞬時無功功率理論是APF發(fā)展的主要基礎理論；APF有并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種，前者用的多；并聯(lián)有源濾波器主要是治理電流諧波，串聯(lián)有源濾波器主要是治理電壓諧波等引起的問題。有源濾波器同無源濾波器比較，治理效果好，主要可以同時濾除多次及高次諧波，不會引起諧振，但是價位相對高！目前的有源濾波器均以低壓為主，高壓有源濾波器技術已經成熟，但是實際應用安全系數(shù)很低，國際普遍做法是以變壓器升壓，來保證可靠性，國家相關部門也要求以變壓器升壓的形式和有源濾波器結合，治理高壓諧波！

　　工作原理：有源電力濾波器通過電流互感器檢測負載電流，并通過內部DSP計算，提取出負載電流中的諧波成分，然后通過PWM信號發(fā)送給內部IGBT,控制逆變器產生一個和負載諧波電流大小相等，方向相反的諧波電流注入到電網(wǎng)中，達到濾波的目的。

　　一、二極管箝位三電平技術

　　二極管箝位三電平拓撲由日本學者Nabae.A等人在1980年提出，經過近30年的發(fā)展，廣泛應用于電力電子技術的各個領域。二極管箝位三電平拓撲的優(yōu)勢在于，各個開關管承受的反向電壓為直流母線電壓的一半，可以用較低電壓等級的開關管，組成較高電壓等級的變流器。這個技術現(xiàn)在已經廣泛的應用于中壓大功率交流傳動系統(tǒng)中。采用6500V等級的IGBT或IGCT的三電平中壓變頻器，已經廣泛應用于4.2kV電動機傳動系統(tǒng)。通常三電平技術一般應用于電壓較高、功率較大的系統(tǒng)中，正是由功率器件耐壓有限與變流器系統(tǒng)需求電壓較高的矛盾現(xiàn)實決定的。但是我們應該看到二極管箝位三電平拓撲本身固有的一些優(yōu)勢。

　?。?）用電壓等級較低的開關管構成電壓等級較高的變流器，隨著功率器件技術的不斷發(fā)展，市場上已經有6500V的IGBT出售，但是耐壓越高的IGBT其開關損耗越高，最高開關頻率也變得比較低。3300V以上的IGBT開關頻率最高不會超過5kHz,1200V的IGBT的開關損耗遠大于600V的IGBT。采用低壓IGBT的三電平變流器的開關損耗遠低于同樣電壓等級采用高壓IGBT的兩電平變流器，同時前者可以達到的開關頻率也高于后者。

　?。?）能夠輸出三種電平。二極管箝位三電平變流器能夠輸出正母線電壓、負母線電壓以及零電壓（簡稱P、N、O）,一般情況下輸出電壓在P-O、O-N之間跳變，特殊情況下會出現(xiàn)P-N跳變，而兩電平變流器只能在P-N之間跳變。也就是說三電平的電壓跳變幅度為直流母線電壓的一半，而兩電平的為直流母線電壓。高的電壓跳變幅度對并網(wǎng)逆變器或有源電力濾波器帶來的是較高的紋波電流，為了抑制紋波電流，需要較大的輸出電感和濾波電容，由此帶來了較高的紋波電流損耗。同時由于輸出濾波電感電容也降低了電流響應速度，或對輸出電流的能力產生了一定的限制。對于變頻器帶來的則是對電機的沖擊以及較大的軸電流，嚴重影響著電機的壽命。另外，較高的電壓跳變幅度也會產生嚴重的電磁干擾，對周邊電子設備產生也重危害。而三電平以其固有的優(yōu)勢，在很大程度上解決了上述問題。

　　隨著技術的不斷發(fā)展，三電平技術被越來越多的人所重視，同時也將其從中壓大功率領域，引入到400V的低壓小功率應用之中，各個國際知名功率器件廠家推出了大量適應于400V系統(tǒng)應用的集成二極管箝位三電平功率模塊，并有逐漸取代傳統(tǒng)兩電平變流器的趨勢。應用于400V領域的成功的三電平產品如下：

　?。?）2008年日本安川電機推出了Varispeed G7系列通用矢量變頻器，其400V產品采用三菱的三電平功率模塊，并在應用中取得了巨大成功。

　?。?）2009年德州和能工業(yè)自動化有限公司在自主開發(fā)的三電平變流器控制技術的基礎上，推出了HEINV系列三電平光伏并網(wǎng)逆變器，前端采用對稱BOOST進行最大功率點跟蹤，逆變器采用二極管箝位三電平拓撲，兩者相互配合，采用Semikron的三電平功率模塊，各項指標均優(yōu)于同類兩電平產品。

　　（3）2009年德州和能工業(yè)自動化有限公司推出了業(yè)界第一個三電平有源電力濾波器HESINE系列產品，并取得了巨大的成功。本文將對此系列產品做一個較為詳細的說明。

　　二、Hesine系列有源電力濾波器

　　將二極管箝位三電平技術應用于有源電力濾波器領域，國內外很多文獻都有涉及，國內外許多專家學者對此都進行了比較深入的研究，也提出了很多新的算法。但是，三電平有源電力濾波器始終沒有從實驗室走向市場。究其原因，有可能是技術不夠成熟，控制算法過于復雜，應用成本高，也可能是企業(yè)界對此不夠重視，尚未認識到該技術的優(yōu)勢。德州和能工業(yè)自動化有限公司通過對三電平技術的深入研究以及對市場趨勢的正確把握，在業(yè)界首先推出了三電平有源電力濾波器產品。

　　三電平有源電力濾波器與傳統(tǒng)兩電平有源電力濾波器相比有以下優(yōu)勢：

　　（1）低紋波電流，高電流響應速度。

　　紋波電流和電流響應速度是矛盾的兩個指標。作為有源電力濾波器，其基本原理是檢測負載諧波，注入反相諧波，以諧波的相互抵消達到濾波的目的。一般的有源電力濾波器是一個電流模式控制的電壓源逆變器。輸出電流是通過逆變器輸出的電壓作用在輸出電感上產生的。逆變器采用脈沖寬度調制，根據(jù)電工的基本原理，紋波電流決定于開關頻率、直流母線電壓、輸出電感的大小，與電流環(huán)的控制無關。開關頻率越高紋波電流越小、直流母線電壓越高，紋波電流越大；輸出電感越大，紋波電流越小。

　　而逆變器期望的輸出電流是由電流環(huán)所控制。有源電力濾波器輸出諧波電流，如果按基波50Hz，補償50次諧波計算，最高諧波頻率將達到2.5kHz。有源電力濾波器對電流響應速度有很高的要求。電流響應速度與直流母線電壓和輸出電感大小有關。直流母線電壓越高，電流響應越快；輸出電感越大，電流響應越慢。我們期望輸出紋波電流越小越好，電流響應速度越快越好，這是一對矛盾。

　　從上述分析可以看出，兩電平有源電力濾波器解決這個矛盾的辦法只能是提高開關頻率?，F(xiàn)在某些廠家的兩電平有源電力濾波器產品的開關頻率已經達到20kHz。但是，開關頻率的提高帶來的是更高的開關損耗以及驅動損耗，有源電力濾波器的單機容量會受到限制，而對于更高電壓等級的有源電力濾波器，高壓的IGBT根本就不允許那么高的開關頻率。然而，三電平有源電力濾波器從原理上就是一個解決上述問題的方案。三電平逆變器可以輸出正、負、零三種電壓，在計算紋波電流時，只需按直流母線電壓的一半計算。由此，在相同開關頻率、相同直流母線電壓、相同紋波電流要求的前提下，三電平的輸出電感為兩電平的一半，同時器件的開關損耗和電感上的紋波損耗也會降低。在計算電流響應速度時，起作用的將是全部直流母線電壓，而輸出電感的減半，將加快電流的響應速度，增強濾波效果，提高單機容量。

　　（2）提高系統(tǒng)耐壓，應用于較高電壓系統(tǒng)。

　　通常國內低壓電網(wǎng)為400V，但是對于某些行業(yè)，其低壓電網(wǎng)會比較高，例如石油鉆機傳動采用的是600V，礦山用電可能是690V或1140V，而某些行業(yè)的電壓等級可能更加多樣，但一般都是500V以上。如何解決這些行業(yè)諧波治理需求，是一個問題。通常為了提高電流響應速度、保證補償效果，處理諧波的有源電力濾波器比處理基波的變頻器或并網(wǎng)逆變器需要更高的直流母線電壓。通常兩電平逆變器的直流母線電壓是交流電網(wǎng)電壓有效值的2倍。對于380V應用，直流母線電壓一般在700V～750V，而對于600V，直流母線電壓需要達到1200V。很多企業(yè)的做法是加一個變壓器，將其他等級的電壓變?yōu)?00V。通過諧波的變壓器是經過特殊設計的，價格比較高，體積也比較大，變壓的損耗也會比較大。而采用三電平技術，可以用耐壓較低的管子組成耐壓較高的變流器系統(tǒng)，可以直接連接到電壓較高的電網(wǎng)上，同時保證較好濾波效果和單機容量。

　　正是基于上述優(yōu)點，德州和能工業(yè)自動化有限公司在本公司三電平變流器控制技術的基礎上，緊密跟蹤行業(yè)發(fā)展趨勢，推出三電平有源電力濾波器產品。同時，我公司愿與業(yè)內同行企業(yè)合作，共同推進三電平有源電力濾波器的應用，為中國電能質量事業(yè)做出貢獻。

工作原理

　　有源電力濾波器通過電流互感器檢測負載電流，并通過內部DSP計算，提取出負載電流中的諧波成分，然后通過PWM信號發(fā)送給內部IGBT,控制逆變器產生一個和負載諧波電流大小相等，方向相反的諧波電流注入到電網(wǎng)中，達到濾波的目的。

理論基礎

　　有源濾波器同無源濾波器比較，治理效果好，主要可以同時濾除多次及高次諧波，不會引起諧振，但是價位相對高！目前的有源濾波器均以低壓為主，高壓有源濾波器技術已經成熟，但是實際應用安全系數(shù)很低，國際普遍做法是以變壓器升壓，來保證可靠性，國家相關部門也要求以變壓器升壓的形式和有源濾波器結合，治理高壓諧波！

主要應用場合

　　1.變頻設備的應用場合隨著技術的進步，變頻設備大量應用于各類場合，變頻設備會產生大量的諧波，因此，這類場合是有源濾波器主要的目標市場之一。

　　2.不穩(wěn)定負荷的應用場合不穩(wěn)定負荷不是有源濾波器的主要市場，但它是電力系統(tǒng)一個極其重要的方面，因為不穩(wěn)定的負荷雖然所占比例不大，但是它們對電力系統(tǒng)產生的影響卻遠遠大于其它負荷所造成的影響，因此對于該類應用場合也應作為有源濾波器的主要市場方向之一。

　　3.鋼鐵廠鋼鐵廠的電弧爐、軋鋼機等是主要的諧波發(fā)生設備，且主要是沖擊性負荷，對鋼鐵廠附近的其它負荷有很大影響。同時，諧波問題對鋼鐵廠無功補償?shù)挠绊懞艽螅詰詿o功補償和諧波治理同時處理作為目標。

　　4.有色冶金有色冶金的負荷除電弧爐性質的負荷外，還由于采用直流濕法冶金而產生大量的直流成分。

　　5.港口機械港機是大型的提升設備，一般都采用很大的變頻器，因此是港口機械主要的諧波發(fā)生源，因此對于該類應用場合也應作為有源濾波器的市場方向之一。

　　6.電氣化鐵路電氣化鐵路一般使用直流電機拖動，因此是一個市政方面的主要諧波源。根據(jù)現(xiàn)有上海、北京等地電氣化鐵路的運行情況，大多數(shù)系統(tǒng)都安裝了濾波器。預計本產品可以達到電氣鐵路濾波器國產化的作用。

　　7.高精度自動化生產線高精度自動化生產線本身不產生諧波，但是對于電能質量有很高的要求，因此需要在高精度自動化生產線的供電側安裝有源濾波器，以降低諧波對生產線的影響。

　　8.辦公大樓、大型商業(yè)區(qū)等節(jié)能燈和空調集中場所辦公大樓、大型商業(yè)區(qū)等節(jié)能燈和空調集中場所的諧波情況也非常嚴重，治理方法宜采用集中治理方法，以節(jié)省成本。

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