功率因数校正和谐波抑制、无功补偿装置.ppt
第三章 有源功率因数校正、谐波抑制和无功补偿装置,3.1 概 述,一、谐波和无功功率的产生 在用电负载中有很多阻感负载，阻感负载必须吸收无功功率才能工作；电力电子装置等非线性也要消耗无功功率；用电装置的非线性造成畸变电流；,二、无功功率的影响和谐波的危害,1、无功功率的影响（1）使设备容量增大，从而造成设备投资费用增大；（2）使设备及线路损耗增加；（3）引起供电点电压波动。,2、谐波的危害（1）谐波使公用电网中的元件产生附加谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率；（2）谐波影响电器设备正常工作；（3）谐波会导致公用电网局部并联谐振和串联谐振，从而更放大了谐波，加剧了危害；（4）谐波导致自动装置误动作，使测量仪表不准确，干扰通信系统等。,三、补偿无功、抑制谐波的途经,1、提高用电设备自身的功率因数、减小谐波（1）增加整流电路相数，使网侧电流正弦化；（2）尽量使整流装置在较小的下运行；（3）采用多重化技术波形迭加，消除低次谐波；（4）采用PWM整流器（5）采用D技术(功率因数校正技术),2、加补偿装置 在电力系统中，常见的无功补偿装置有：（1）同步发电机 调整励磁电流，使其在超前功率因数下运行，输出有功功率的同时输出无功功率。（2）同步调相机 一种专门用来产生无功功率的同步电机，是一种不带机械负载的可以过励磁（经常的运行状态）或欠励磁（较少的运行状态）运行的同步电动机。,（3）并联电容器 可提供超前的无功功率，多装设于降压变电所内，也可就地补偿。（4）并联电抗 用在超高压系统线路上吸收无功功率，防止末端电压升高。（5）静止无功补偿装置 具有调相机的功能，使用广泛，但投资大。,在电力系统中，常见的谐波抑制装置有：（1）LC滤波器;,（2）有源电力滤波器,本章主要介绍有源功率因数校正装置、适合于动态无功补偿的静止无功补偿装置和适合于动态无功补偿、谐波抑制的有源电力滤波器。,2.2 有源功率因数校正装置(APFC),一、有源功率因数校正装置概述,相控整流器的输入电流,1、APFC技术的基本思想,有源功率因数校正装置,将输入交流电压全波整流，再进行DC/DC变换。通过适当控制使输入电流自动跟随全波直流电压基准，且保持输出电压稳定，从而将输入电流校正成为与电网电压同相位的正弦波，消除了谐波和无功电流，实现稳压输出和单位输入功率因数。,有源功率因数校正（Active Power Factor Correction）电路，简称APFC，是指在传统的不控整流中融入有源器件，使得AC侧电流在一定程度上正弦化，从而减小装置的非线性、改善功率因数的一种高频整流电路。,2、APFC的基本结构 APFC的电路结构有双极式和单极式两种。双极式电路是由Boost 变换器和DC/DC变换器级联而成，前级的Boost电路实现功率因数校正，后级的DC/DC变换器实现隔离和降压。双极式APFC电路的优点是每级电路可单独设计和控制。单极式APFC电路集功率因数校正、输出隔离和电压稳定于一体，结构简单、效率高，但分析和控制较复杂。,有源功率因数校正装置,3、APFC的分类APFC的分类方法很多，常用的分类方法为：（1）按电源相数可分为：单相APFC和三相APFC三相AFFC又可分为三相单开关型和三相六开关型,（2）按输出特性可分为：电压型 和电流型,（3）按控制方式可分为：直接电流控制和间接电流控制（幅值相位控制或电压控制）直接电流控制又可分为峰值电流控制、滞环电流控制和平均电流控制（三角载波控制）。,二、单相有源功率因数校正装置,1、控制目标 在稳定输出电压的情况下，力求使经过整流后的电流与整流后的电压波形相同。,2、控制（工作）原理负载电压给定值Uo*和实际值Uo的差值U经PI调节器A输出，并和整流器输出脉动电压ud同时作为乘法器的两个输入，构成电压外环使U0稳定；乘法器的输出作为电流内环的给定电流iL*，因此iL*的幅值与U和ud的幅值成正比，波形则与ud相同；反馈电流iL与给定电流iL*送入PWM形成电路产生PWM信号，作为开关管T的驱动信号。开关T导通时电感电流iL增加，开关管T截止时电感电流iL减小。实现iL跟踪iL*，波形与ud相同，从而使输入电流ii波形与输入电压ui波形相同。,3、工作模式,根据电感L的电流是否连续，主电路有三种工作模式：不连续导通模式DCM(Discontinuous Conduction mode)、连续导通模式CCM（Continuous Conduction Mode)和连续与不连续边缘导通模式（CCM&DCM，临界连续）。,有源功率因数校正装置,工作模式的选择取决于校正器的功率等级，在几百瓦以内，三种工作模式都可以使用，五百瓦以上通常使用CCM和CCM&DCM，一千瓦以上使用CCM。,在CCM模式下输入电流畸变小且易于滤波、开关管的电流应力也小，这意味着可以处理更大的功率并保持较高的效率。因此，通常采用CCM模式。,4、CCM控制方法,（1）直接电流控制,峰值电流控制方式 控制原理：以电感电流的参考值iL*为峰值包络线，在电感电流实际值iL小于参考值iL*时，开关T一直导通，iL增大，当电感电流实际值iL增长到峰值时开关T截止，iL开始下降，在下一个开关周期开始时刻再次使开关T导通，如此进行周期性变化。,特点：控制电路简单、电流动态响应快；电流畸变和开关管的电流应力较大；电流峰值与平均值之间的误差较大。,采用峰值电流控制方式的专用集成电路：如MC34261、MC33261、SG3561、UC3852、TDA4817、ML4812、ML4819、TK84812、TK84819,有源功率因数校正装置,电流滞环控制方式 控制原理：在参考值iL*的上下两侧设一滞环带，当iL大于iL*的上限阀值时，开关T关断，iL下降；当iL小于iL*的下限阀值时，开关T导通，iL上升；如此周期性工作，使电感电流的实际值iL在iL*曲线上下摆动。,特点：控制简单、电流动态响应快；开关频率不固定，滞环宽度对系统性能影响较大。,有源功率因数校正装置,平均值电流控制（三角载波控制）方式 控制原理：将电感电流参考值iL*与电感电流实际值iL的偏差经电流误差放大器（通常为PI调节器）放大后与三角载波相比较，其比较结果决定开关管的工作状态。,特点：控制电路相对较复杂；电流畸变小开关管和电感的损耗较小。,采用平均电流控制的典型集成器件：UC3854A/B、ML4821、TK83854,有源功率因数校正装置,（）间接电流控制（电压控制）,为简化分析问题，首先作如下假设：开关频率远大于电网频率，在开关周期内电网的电压和电流保持不变，主电路工作在准稳定状态；忽略电感电流在一个开关周期内的纹波，电路工作在CCM模式；不考虑电路损耗。,Rs为电流传感器的等效电阻,APFC的控制目标：,Re整流器负载侧的总等效电阻；iL在一个开关周期内的平均值。,有源功率因数校正装置,根据boost电路的工作原理，在连续导电模式下有：,Rs为电流传感器的等效电阻,将式（2-46）代入（2-45）得：,有源功率因数校正装置,APFC的控制方程推导：,Rs为电流传感器的等效电阻,忽略电感电流的纹波，电感电流在一个开关周期的平均值可以用瞬时值来表示，即：,将上式代入式（2-48）并整理得APFC的控制方程：,右图为APFC的控制电路图。图中，AU(s)为电压误差放大器，积分器复位时钟CLK的频率等于开关频率，积分器的积分时间常数等于开关周期。,有源功率因数校正装置,因此APFC的控制目标可转换成在每一个开关周期中，使主开关管的占空比满足式（2-50）的条件。,间接电流控制（电压控制）控制的控制原理：当复位时钟为低电平，积分器执行正常的积分，当复位时钟出现高电平时，积分器复位为零，随后复位时钟又变为低电平，积分器重新执行积分，周而复始；另一方面，当积分器的输出u+(t)u1时，比较器输出Q为低电平，比较器的输出经驱动电路后驱动主开关管工作。,有源功率因数校正装置,当u+(t)u1时比较器翻转，所以输出脉冲的占空比为：,有源功率因数校正装置,式（2-53）所表示的占空比d必然满足式（2-50）的关系，可见用图2-44 的控制电路，就能达到使其输入端电流与电压同相位、功率因数校正为1的目的。,有源功率因数校正装置,、有源功率因数校正器的其它一些典型电路,有源功率因数校正装置,以上对单相功率因数校正器的工作原理做了简单的分析，但中大功率的电力电子设备在电网中占的比例很大，因此，依托高速数字处理器、数字控制研究和发展三相APFC成为APFC技术的重心和主流。,三、三相有源功率因数校正装置,四、有关APFC 的主要研究课题,1、新控制方法的研究 如将混沌控制、解藕控制、模糊控制、矢量控制、最优控制等控制技术与APFC技术相结合。,2、软开关技术的研究,3、新拓扑技术的研究,有源功率因数校正装置,3.3 静止无功补偿装置(SVC),一、并联电容器补偿无功功率的原理,二、静止无功补偿装置 静止无功补偿装置，适用于无功负荷频繁变化的场合,它要求补偿装置具有快速性和无过渡过程。按其元件与结构的不同，主要有以下几种型式：,1.自饱和电抗器型(Saturated ReactorSR）,静止无功补偿装置,（1）电路结构C固定电容器LS自饱和电抗器,（2）工作原理 利用自饱和电抗器自身固有的能力来稳定电压，饱和电抗器工作在全饱和状态，此时饱和电抗器上的电流与电压保持线性关系。当,（3）电压电流特性（补偿特性）,自饱和电抗器工作原理 自饱和电抗器无功补偿装置依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压，它利用铁心的饱和特性，使滞后的无功功率随端压的升降而增减。当母线电压升高时，按特性曲线滞后电流增加，该电流在网络电抗XS上产生压降，从而维持系统电压不变；反之，当母线电压波动下降时，则超前电流增加，该电流在网络电抗XS上产生压升，从而维持系统电压不变。工程上，一般将饱和电抗器的铁心设计在超过磁化曲线转折处运行，此时铁心完全饱和，饱和电抗器就象空心电抗器一样，电压与电流保持线性关系。,静止无功补偿装置,2.可控饱和电抗器型(Controlled Saturated ReactorCSR）,静止无功补偿装置,（2）工作原理：它通过改变控制绕组中的电流大小来控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，以改变交流工作电流iL的大小。当,（3）补偿特性：,（1）电路结构：,3.晶闸管控制电抗器型（Thyrist Controlled Reactor TCR，TCR+FC）,（1）电路结构：,（2）工作原理：通过改变晶闸管的触发相位角来控制了流过电抗器的电流，从而控制了装置吸收的无功功率。当,（3）补偿特性：,补充TCR的补偿特性：电感电流波形：,4.晶闸管投切电容器（Thyrist Switched Capaciter TSC）,（1）电路结构：,（2）工作原理：,（3）补偿特性：,5.晶闸管开关电容器组加晶闸管控制电抗器（TSC+TCR）,（1）电路结构：,（2）工作原理：按所需的无功补偿量投入适当组数的的TSC并略有过补偿，再通过TCR吸收的感性无功来抵消这部分过补偿的无功功率，实现全补偿。（TSC、TCR的工作原理与前面所述的相同）,（3）补偿特性：,实例,3.静止无功发生器（SVG）,一、SVG的发展史 静止无功发生器（SVG）又称为全半导体型无功补偿器。1972年，日本学者首先提出了用半导体变流器实现无功补偿的基本思想；1976年，美国学者L.Gyigyi提出了SVG的拓朴结构；1980年，日本研制出了20MVA(SCR)无功补偿装置；1987年，美国研制出了1MVA(GTO)无功补偿装置；1991年，日本研制出了80MVA(GTO)无功补偿装置；1994年，美国研制出了100MVA(GTO)无功补偿装置；清华大学研制出了300KVA(GTO)无功补偿装置。,二、SVG的基本结构 所谓静止无功发生器（SVG）是指采用PWM变流器来进行动态无功补偿的装置。其拓朴结构如下：,用于减小交流侧谐波电流,用于吸收换相过电压,用于提供直流电压,用于提供直流电流,三、基本原理（以电压型为例）SVG基本原理 通过调节PWM变流电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，使该电路吸收或发出满足要求的无功电流，从而实现无功补偿。,新型静止无功发生器（SVG）,电压型SVG可等效为幅值与相位均可以控制的、与电网同频率的交流电压源，它通过交流电抗器连接到电网上。,1、理想系统（不考虑SVG的损耗）工作情况分析,此情况下SVG不从电网吸收有功功率，SVG交流侧电压UI与电网电压US同相，改变UI的大小就可以控制SVG从电网吸收的电流的性质（超前或滞后）。,（1）等效电路,（2）相量分析,(b)图：当SVG输出电压的幅值大于系统电压幅值时，为实现逆变电压与交流系统间的耦合，电抗压降起着抵消逆变电压的作用，系统电流超前电网电压900运行，因此，SVG吸收超前的无功功率，起着电容器的作用；c)图：而当SVG输出电压的幅值小于系统电压幅值时，电抗压降起着补偿逆变电压的作用，系统电流滞后电网电压900 运行，SVG吸收滞后的无功功率，起电抗器的作用。当SVG输出电压的幅值与系统电压幅值相等时，SVG与交流系统之间没有无功功率的交换。,2、实际系统工作情况分析 在实际的SVG系统存在功率损耗，为便于分析将总的损耗用一个集中电阻R来表示，将实际SVG等效成R与理想SVG的串联。,（1）等效电路,（2）相量分析,结论：通过改变角来控制SVG吸收的无功电流；为正时，SVG吸收感性电流；为负时，SVG吸收容性电流。,（3）无功电流控制方程（以吸收感性无功电流为例）,3、SVG的补偿特性（电压电流特性）,结论：SVG所能吸收的最大无功电流ILmax、ICmax由功率器件的电流容量决定，不受电网电压变化的影响。UI曲线的斜率由参数x、R决定。,四、SVG的控制方法,新型静止无功发生器ASVG）,1、电流直接控制 包括：滞环比较控制、三角载波控制关键问题：补偿电流参考信号的获取,、电流间接控制 根据SVG的工作原理及无功电流的控制方程，通过对UI幅值、相位的控制来间接控制的交流侧电流。,五、SVG与SVC的性能比较,新型静止无功发生器ASVG）,1、直流侧电容容量相对较小，成本较低 对于三相平衡系统，无功功率瞬时值之和等于零。因此直流侧电容只是为SVG提供一个直流电压，并不与交流侧交换无功能量，只要开关频率足够高，直流侧电容容量就可以足够小。,2、补偿范围大 从补偿器的电压电流特性看，SVG的补偿特性不受电网电压的影响，即使在系统电压很低的情况下，仍能吸收额定无功电流。,3、谐波分量小 采用先进的控制方式，SVG的输出电压谐波含量可以很小。由于谐波含量小，因此SVG输出端一般不需要采用滤波器，这样可减小整个装置的成本和体积。,4、调节速度快 SVG有更快的动态响应速度，在抑制系统的功率震荡和提高系统稳定性方面，SVG的效果很好。,六、有关 SVG的主要研究课题,新型静止无功发生器ASVG）,1、无功电流的检测理论、检测方法 要求准确、快速。,2、无功电流参考值的获取（算法）要求准确、快速。,3、PWM控制方式 在不牺牲系统性能指标的情况下，减小开关频率。,4、控制理论 提高动态响应速度、控制精度。,5、主电路研究,七、SVG的主要应用领域,新型静止无功发生器ASVG）,除了用于一般电气系统的无功补偿之外，灵活交流输电系统（FACTS）将是SVG的主要应用领域。,一、问题的提出：电力电子装置的使用给电力系统带来了谐波污染问题。,3.5 电力有源滤波器（APF）,例：,从电力系统来看，整流电路是消耗基波有功电流的负载，同时又是基波无功电流和谐波电流的发生源。,问题的提出,解决电力电子装置和其他谐波源谐波污染问题的基本思路：对装置本身进行改造，使其不产生谐波、不消耗无功功率、或控制其功率因数；装设补偿装置，补偿其产生的谐波。,本节主要讨论第二种思路,目前的趋势是，利用电力电子装置的优良控制特性来滤波和补偿无功，这种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置就是电力有源滤波器，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。,电力有源滤波器原理,二、电力有源滤波器的基本原理(以并联型为例）,基本原理：通过检测补偿对象的电流il，经补偿电流检算电路计算出补偿电流的指令信号ic*，该信号作为补偿电流参考值经补偿电流发生电路得到补偿电流实际值ic，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功电流抵消(ic=ih)，最终得到期望的电源电流(is=if)。,三、电力 有源滤波的两个核心问题 电力有源滤波器虽有各种方案，但控制上可归结为两个问题：检测器能否从畸变电流中取得与补偿电流相应的指令值；变流装置能否跟随指令值产生补偿电流。,电力有源滤波的核心问题,（一）补偿电流指令的获得（谐波和无功电流检测）1、模拟检测方法（1）采用陷波器将基波分量滤除而得到谐波分量,利用高通滤波器对负载电流中的基波分量产生陷波作用，使输出信号仅含除基波分量以外的谐波分量，以此作为有源滤波的电流指令信号。,（2）采用带通滤波得到基波分量，再与被检测电流相减，得 到谐波分量。,模拟检测方法的优点：快速、实时性强。缺点：难设计、误差大、对电网频率波 动和电路元件参数敏感。现已极少采用,2、数字计算检测方法 根据采集的一个电源周期的电流值进行计算而得到谐波和无功电流。例：,数字检测方法的缺点：存在检测延迟，实时性稍差。,（二）APF的控制直接电流控制功能：根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流之间的关系，得出控制补偿电流发生电路各开关器件通断的PWM 信号，实现补偿电流跟踪其指令信号变化。,基本原理 将指令值和补偿电流实测值进行比较，两者的偏差作为滞环比较器的输入信号，通过滞环比较器产生控制主电路开关器件的PWM信号。,控制方法1、滞环方式,电压型电力有源滤波器a相补偿的研究,例：,2、三角载波控制,基本原理 由指令值和补偿电流实测值的偏差得到指令信号，用三角波作为载波对其进行脉宽调制，产生控制主电路开关器件的PWM信号。,跟踪型PWM控制方式,四、有源电力滤波器的分类 从滤波器与补偿对象的连接方式来看，可分为并联型和串联型，目前并联型占实用装置的绝大多数。,有源电力滤波器,并联型,单独使用与LC滤波器混合使用注入电路方式,串联型,单独使用与LC滤波器混合使用,电力有源滤波器分类,滤波器和被补偿对象并联接入电网，多数情况用于补偿可看作电流源的谐波源。,（一）并联型滤波器,1、单独使用方式,用于滤除APF开关频率附近的谐波,特点：补偿电流全部由APF提供，因此要求APF有较大的容量。,2、与LC混合使用方式,主要的谐波和无功分量由LC滤波器滤除，APF用于改善整体性能。,优点：所需APF的容量较小。,缺点：LC滤波器与电网阻抗可能会发生谐振，必须对APF进行有效控制以抑制可能发生的谐振。,3、注入电路方式,分析该电路的工作原理提示：这是为降低APF容量而提出的一种新型电路。,（1）C2、L在电源电压的基波频率附近发生串联谐振，基波电压绝大部分由C1承担，APF只承受很小一部分基波电压。,（2）C1起无功补偿作用。,（3）APF不能补偿基波无功，只抑制谐波。,滤波器和被补偿对象串联接入电网，主要用于补偿可看作电压源的谐波源，使供电点电压成为正弦。,（二）串联型滤波器,1、单独使用方式,APF可看作可变阻抗，它对基波的阻抗为零，对谐波呈现高阻抗，即APF起谐波隔离作用。,2、与LC混合使用方式,主要的谐波和无功分量由LC滤波器滤除，APF用于改善整体性能。,五、电流型电力有源滤波器的多脉宽调制 1、基本结构,2、调制方式,六、有关 APF的主要研究课题,1、补偿电流的检测理论、检测方法 要求准确、快速。,2、补偿电流参考值的获取（算法）要求准确、快速。,3、PWM控制方式 在不牺牲系统性能指标的情况下，减小开关频率。,4、控制理论 提高动态响应速度、控制精度。,5、主电路研究,七、APF的主要应用领域,除了用于一般电气系统的无功、谐波补偿之外，灵活交流输电系统（FACTS）将是APF的主要应用领域。,1、,课堂思考,本章小结,1、无功、谐波的危害2、功率因数校正（APFC）的基本思想，功率因数校正装置的工作原理、控制方式。3、静止无功补偿装置(SVC)的种类、结构、工作原理、电压电流特性4、静止无功发生器（SVG）的工作原理、电压电流特性、控制方式。5、SVG与SVC的比较6、电力有源滤波器（APF）的工作原理、核心问题、控制方式。,本章小结,7、APFC、SVG、APF的常用控制方式电流直接控制，包括电流滞环控制方式和三角载波控制方式。8、三相电压型PWM整流电路、三相电压型SVG、三相电压型APF这三者的主电路结构是相同的，但用途不同，三者交流侧电流的目标函数是不一样的；SVG、APF是PWM整流器的具体应用；PWM整流器的其它应用还有风力发电并网系统（并网逆变器）和太阳能发电并网系统（并网逆变器）。,3-1整流装置的谐波对电网产生了哪些不利影响?为了抑制“电力公害”和提高整流装置的功率因数,可以采取哪些措施?（新书2-12、原书1-4）3-2.图2-4为Boost型功率因数校正器，试说明它为什么能实现输入交流电流基本正弦，并与交流电源电压同相？（新书2-1）,本章习题,3-3.同上，试说明它为什么能实现输出电压基本恒定？,3-4晶闸管控制电抗器的基本原理是什么？当触发角900 和=900两种情况下等效电抗是否相等？要实现电抗可调，触发角的调节范围如何？（新书2-1）3-5.试分析PWM整流电路和相控整流电路工作原理的根本区别。PWM整流电路具有哪些优良性能？PWM整流电路有哪些控制方式？为什么说，APF和ASVG是PWM整流器的具体应用？它们之间在控制目标、控制方式上有何异同？（新书2-1）3-6.简述无功发生器（SVG）的工作原理。与TSC等静态无功补偿器相比，SVG有什么优越性？3-7.试证明在三相平衡电路中，各相无功功率的瞬时值之和等于零。3-8.简述电力有源滤波器（APF）的工作原理。,本章习题,3-4与SVC相比，SVG有什么优点？,本章习题,
