三相电源滤波器设计浅谈三相电源滤波器设计过程

本文主要介绍的是关于三相电源滤波器的设计，以及三相电源滤波器的设计过程。

电源滤波器

电源滤波器是由电容、电感和电阻组成的滤波电路，又名“电源EMI滤波器”，或是“EMI电源滤波器”，一种无源双向网络，它的一端是电源，另一端是负载。电源滤波器的原理就是一种——阻抗适配网络：电源滤波器输入、输出侧与电源和负载侧的阻抗适配越大，对电磁干扰的衰减就越有效。滤波器可以对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除，得到一个特定频率的电源信号，或消除一个特定频率后的电源信号。

电源滤波器就是对电源线中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电器设备。电源滤波器的功能就是通过在电源线中接入电源滤波器，得到一个特定频率的电源信号，或消除一个特定频率后的电源信号。

利用电源滤波器的这个特性，可以将通过电源滤波器后的一个方波群或复合噪波，变成一个特定频率的正弦波。

大功率电源的滤波器如Satons、UBS、变频器等将会产生大量谐波电流，这类滤波器需采用有源电力滤波器APF。APF可对2~50次谐波电流进行滤除。

三相电源滤波器设计

本文主要以三相有源电力滤波器为例，探讨三相电源滤波器设计过程中相关问题。
三相有源电力滤波器可实时滤除谐波，及时消除非线性负载中的谐波电流，亦或者是消除电网侧产生的谐波电流，从而有效降低系统电压畸变率；并可实现动态无功补偿，能够及时发出容性无功亦或感性无功，可有效改善系统的功率因数；可达到降耗节能的目的，有效降低线路损耗与变压器损耗，能够有效缓解设备发热的问题，同时延长设备应用时间，并确保电力系统运行稳定可靠。三相有源电力滤波器对现代电力系统发展有着极大现实意义，但三相有源电力滤波器设计水平偏低，因此探讨三相有源电力滤波器设计，对电力系统有效运行有着极大现实意义。

一、三相有源电力滤波器简论

1、有源电力滤波器

电力电子设备及非线性负载现已被广泛应用，这时的谐波电流及无功电流被大量注进电网，从而威胁着电网及电气设备的运行及其正常使用。有源电力滤波器为动态抑制谐波及补偿无功的设备装置，此类电力电子设备可对频率及大小变化谐波、无功等有效补偿，其为十分理想的补偿谐波设备，为十分理想的补偿谐波设备。有源电力滤波器具备极高可可控度，其反映速度十分快速，可及时跟踪补偿各谐波与需要的无功功率，而此特性并不会受到系统的影响，无谐波可合理放大，其体积与重量小。单台有源电力滤波器造价与技术、容量均被制约，大容量有源电力滤波器研究已获得诸多成就，三相有源电力滤波器被广泛用于电力系统中，但此方式结构非常复杂，控制程序亦十分繁琐，设计工作难度大。

2、三相有源电力滤波器

三相有源电力滤波器具备诸多良好的性能特点，其可滤除的谐波次数范围非常广泛，通常可滤除2-50次谐波，为可滤波除特征谐波，亦可滤除非特征滤波；谐波滤除效率高，于额定功率下的谐波电流除率为95%；响应速度极快，谐波补偿电流响应时间超过10MS；能够单相动态为电力系统注进补偿电流，从而有效改善系统三相不平衡的问题；可自动消除谐振，确保各设施设备与系统安全运行；可设定输出与最大100%限流输出，确保设备长时间稳定运行；具备滤波与无功补偿功能，比如感性与容性，从而实现滤波或是补偿功能；其操作界面简单便捷；界面可实时显示电压与电流、谐波等参数，并且菜单设置灵活合理，可选择消谐模式、无功补偿模式与谐波无功可实现同时补偿模式，且具备目标功率因数与输出电流，能够及时记录实时故障，设计选型简单合理，安装及其操作、维护工作亦非常简单；可可10台扩展并联运行；保护措施简单完善，具备系统电压过压保护及欠压保护、输出过流保护、过热保护、控制电压欠压保护。其工作原理主要是实时检测电网中的负载电流，从而将谐波电流分量合理分离，以谐波电流大小发出控制指令，达到实时产生大小相等与方向相反补偿电流，并将补偿电流注进电网中，这时则可实现瞬时抵消滤除谐波电流的目的，并实现无功补偿。

二、三相有源电力滤波器主电路参数选择

三相有源电力滤波器主电路参数及其系统模型会严重影响系统控制效果，选择适当的主电路参数对滤波器稳定运行十分关键，亦是有效控制性能的重要条件，本文对此进行了下述几方面分析： 1、交流侧电感选择

有源电力滤波器指令电流中的谐波及暂态电流十分关键，要求实际输出电流可有着良好的跟踪能力，有源电力滤波器补偿对象确定时，有源电力滤波器主电路参数选择及其性能、效率息息相关。电感有通低频及阻高频电流会导致有源滤波器补偿电流中均是谐波电流，电感值设计与电流跟踪性能及其补偿效果息息相关。主电路参数是互相制约的，不可单独的选择电感值。稳定的电流跟踪能力为有源电力滤波器运行中谐波补偿的重要内容，与最终的谐波补偿效果息息相关，电网电压及滤波器直流侧电容电压确定时，补偿电流跟踪效果与主电路功率器件开关频率及补偿电流瞬时变化率息息相关。

（1）器件开关频率

器件开关频率对滤波器运行非常重要，有源电力滤波器的目的就是产生谐波，这时则强调系统具备更高的电流带宽。若开关频率太低则表示主电路电流带宽低，输出高频率电流分量难度较大，这时系统则缺乏相应的谐波补偿能力，从而导致补偿效果偏低。

（2）电流波形

就电流波形而言，偏低的开关频率会导致补偿电流中存在的纹波成分不断增大，随之而来的系统损耗亦加大，电流跟踪效果则随之恶化；若开关频率高时，会使得开关功率耗损增大，从而提高了系统损耗，系统效率亦持续降低。

（3）补偿电流

补偿电流瞬时变化率会面对两个互相矛盾的问题，有源电力滤波器中的主电路应具备更高的补偿电流变化率，确保补偿具备更大的电流变化率，非线性负载中亦可产生补偿电流，从而达到谐波补偿的目的。补偿电流波形与被补偿的负载电流波形息息相关，而被补偿的负载电流变化率大时，对滤波器的要求就会更高；再是补偿电流变化率不可太高，以便适应对补偿电流纹波大小的要求。若补偿电流中的变化率太大，则会导致滤波器输出电流超调，从而于补偿电流中出现极大的纹波毛刺使得补偿效果失灵。主电路参数设计时，电网电压及滤波器直流电容电压确定条件下，滤波器变化率均是由交流侧接口电感产生的，主电路参数间存在的互相关联与制约关系十分重要，电感参数要可保证系统具备高电流带宽、动态性能、低开关损耗，以确保滤波器运行安全稳定。

（4）串联电感

串联电感设计时，若电流过零，则电流变化率大，这时的电感务必小，才能更好的适应快速跟踪电流的要求；再是正弦电流峰值的输出电流纹波极为严重，而这时的电感要大，要适应开关抑制谐波电流的要求。 2、直流母线额定电压选择

要全面分析空间矢量控制下的三相有源电力滤波器工作过程，确定其间主电路参数选择互相联系，不可仅注重其间某个。三相有源电力滤波器直流侧电容电压会因外部因素而限制，这时则应全面分析特定待补偿非线性负载的实际情况，合理选择直流侧电容电压。有源电力滤波器直流侧电容电压选择与特定被补偿非线性负载息息相关，并与交流侧接口电感及电网电压矢量问题密不可分。有源电力滤波器直流侧电容电压临界值选择及其补偿电流特定为谐波分布特性，交流侧接口电感参数与其亦是息息相关，其并不是简单的固定数值。

3、直流母线电容选择

有源电力滤波器为直流侧电容充、放电过程，其间滤波器性能与稳态工作下的直流侧电容电压应保持不变。电容量大小会严重影响到电压波动，若电容大则电压波动小，有源滤波器具备良好的滤波效果；但若电容大则成本会随之增加。直流侧电容的目的是给变流器提供相应的电压参考，直流电压于变流器实际工作中务必保持稳定，变流器中的开关器件会因工作而出现损耗，这时稳定直流电压则十分关键，应于系统中吸收有功电流，以达到维持直流电压稳定的目的。直流侧电容多用来稳定电压源型变流器，其属于稳定的直流电压源，负序和谐波电流于直流电容侧时，会出现相应的能量脉动，且因开关的作用及有源电力滤波器交流侧电感储能而出现能量脉动的问题诸多，这些均需直流侧电容合理缓冲。

4、交流侧输出滤波器设计

有源电力滤波器的目的是为了处理电网中的非线性负载导致的谐波电流引起的电能质量问题所设计的电力电子设备，可检测其负荷侧电流获得畸变电流分量，再以逆变器生成脉宽调制波，通过输出低通滤波器滤除开关波纹，之后再将其融于电网中，生成相应的补偿电流再注进电网中，充分抵消负载谐波电流，确保电源侧电流与正弦波接近，有效改善电网电能质量。输出电流中存在50次及以下的谐波电流，开50次以上的谐波分量要全部滤除。通常采用LCL滤波器，此滤波器电感电容大小合理，滤波器于高频位置时，能够得到良好的衰减，且系统阻抗对输出电流影响小。

三、三相有源电力滤波器实现影响分析

三相有源电力滤波器实现主要是谐波分析、电流内环跟踪控制、直流母线电压稳定、驱动信号生成等。若母线电压低于设定值，则有源电力滤波器可于电网中稳定吸收能量；若母线电压高于设定值时，则有源电力滤波器会于电网中释放有功能量，合理维持直流母线电压稳定。有源电力滤波器驱动信号生成，大都是以SPMW调制方式实现的，开关频率应选择125kHz，本文对三相有源电力滤波器实现影响进行了下述分析：

1、负载突变对直流母线电压造成的影响

全谐波检测算法是以负载电流降低通滤波器输出电流实现的，低通滤波器输出固有时延是，会导致负载突变时的直流电流中生成基波残留。而负载突然降低时，则有源电力滤波器可由电网中吸收相应的有功能量，促使有源电力滤波器母线电压快速提高；反之则母线电压会突然降低。新型谐波检测算法并不需要通过负载电流减滤波器输出量，可通过简单的方式提取谐波指令，负载突变时的指令电流中不存在基波，亦不会造成有源电力滤波器直流母线电压出现大范围变化。负载突变时的全谐波算法可有效维持直流母线电压稳定，而直流母线电压波动大，新谐波算法直流母线电压无波动，可以说新谐波算法有助于系统稳定运行。

2、相位误差对无功电流检测造成的影响

瞬时无功功率理论下的dp法实时性良好，且计算量不多，电网中的电压出现畸变时，亦可准确无误的检测电流中存在的谐波和无功电流，其可快速检测出电流。系统中的电网电压正弦量及坐标变化正弦量间会存在相位差，会造成检测结果测量误差，通常相位差的产生为两个原因，其一是因电网电压不对称而导致其间存在负序电压，过零检测锁相方式坐标变换正、余弦信号相位是系统电压所决定的，亦是和正序电压及负序电压分量和相同，但是期望的正弦信号要与正序分量为同相；其二是因锁相不准确而导致相位出现偏移。坐标变换中正弦量相位差导致基波有功电流检测中存在误差，而这时则不可正确检测谐波与无功电流。负荷电流畸变不对称时的电压亦是不平衡的，亦或者是其关键环节的误差使得其间存在较大的相位差，谐波与无功电流亦存在相应的误差，这时亦会严重影响控制直流电压的有功分量，同时影响了相位差。而此问题均是以dp坐标闭环锁相方式、过零检测修正锁相方式、电源电压矢量同步参考坐标法等方式来处理。

3、低通滤波器对检测误差造成的影响

直流量提取是通过低通滤波器实现的，滤波器性能会直接影响检测误差，通常是期望能够滤除全部的交流分量而得到纯的直流量，这时低通滤波器实现纯直流滤波则难度较大。

社会经济的飞速发展，电力行业更加注重高次谐波抑制的重要性，并强调谐波污染的降低，诸多新型有源滤波系统亦应时而生，且设施设备均是不同的，电力系统运行亦要求可准确快速地补偿电网谐波电流，亦或者是谐波电压，有源滤波器若需实现如此效果，则系统电路设计务必科学合理，但这多依赖于三相有源电力滤波器的设计。有源电力滤波器应具备良好的电压控制功能及高性能电流控制功能，电压控制性能务必具备良好的稳态精度，并以合理的动态性能安全启动控制。本文对三相有源电力滤波器进行了简论，探讨了三相有源电力滤波器主电路参数选择，并分析了三相有源电力滤波器实现影响，为三相有源电力滤波器设计提供参考依据。