有源電力濾波器設計

1、有源電力濾波器設計近年來，公用電網受到了諧波和睦波的嚴峻污染，而裝置是其主要的諧波污染源。隨著電力裝置的日益廣泛應用，電網中的諧波污染也日益嚴峻，并影響到供電質量和用戶用法的平安性，因此電網諧波污染的治理越來越受到關注。有源電力是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功功率的新型電力電子裝置，能對大小和頻率都變幻的諧波及無功功率舉行補償。和傳統(tǒng)的無源濾波器相比，有突出的優(yōu)點。(1)對各次諧波和分數諧波均能有效地抑制，且可提高功率因數；(2)系統(tǒng)阻抗和頻率發(fā)生波動時，不會影響補償效果。并能對頻率和幅值都變幻的諧波舉行跟蹤補償，且補償特性不受電網阻抗的影響；(3)不會產生諧振現象，且能抑制因為外的諧振產生的

2、諧波電流的變幻；(4)用一臺裝置就可以實現對各次諧波和基波無功功率的補償；(5)不存在過載問題，即當系統(tǒng)中諧波較大時，裝置仍可運行，無需斷開等。由以上可看出，它克服了傳統(tǒng)的無源濾波器的缺點，具有良好的調整性能，因而有很大的進展前途。本文對適用于電力系統(tǒng)的有源電力濾波器的原理和設計舉行介紹。1 有源電力濾波器系統(tǒng)結構有源電力濾波器系統(tǒng)結構l所示。有源電力濾波器的基本工作原理是：實時檢測補償對象的電壓和電流，經命令電流運算單元計算出補償電流命令信號，該信號經補償電流發(fā)生電路放大產生補償電流，補償電流與負載電流中需用補償的諧渡及無功等電流抵消，終于得到期望的電源電流。在圖1中的體現是，當需要補償負載

3、所產生的諧波電流時，有源電力濾波器檢測出補償對象負載電流il中的諧波重量ilb后，將其反極性作為補償電流的命令信號ic*，再由補償電流發(fā)生電路產生補償電流ic，其中補償電流ic與負載電流中諧波重量ilh大小相等，方向相反，因而兩者互相抵消，使得電源中電流中只含基波，達到消退電源電流中諧波的目的。圖1為有源濾波器的系統(tǒng)框圖。通過霍爾檢測非線性負載的電流ila、ilb、ilc經電流信號調理后送入命令電流產生電路，命令電流產生模塊是由ti公司的 tms320lf2407為核心建立的。dsp計算出需要補償的諧波和無功電流后，通過外部da送入電流跟蹤控制電路。檢測有源電力濾波器主電路的電流ica、icb

4、、icc，經電流信號調理后也送入電流跟蹤控制電路，電流跟蹤控制電路對主電路補償電流與命令電流舉行滯環(huán)比較后送出柵極開關驅動信號，驅動電路接受來自前級電流跟蹤控制電路的信號，并經隔離放大后驅動主電路的開關管，以控制主電流的電路尾隨命令電流的變幻，終于達到實時補償諧波與無功功率的目的。電壓傳感器檢測變流器直流側總電壓，經電壓信號調理后送入命令電流發(fā)生電路，通過合理的控制以凋節(jié)直流側電壓的穩(wěn)定。啟動、關斷和庇護模塊按一定的時序控制裝置的啟動和關斷，并提供裝置的過流、過壓、過熱、缺相等故障庇護功能。2 有源電力濾波器主電路設計設計主電路時，應首先確定主電路的形式，目前，有源電力濾波器主電路的形式絕大多

5、數采納電壓型，本文挑選主電路為并聯電壓型、單個變流器的形式。主電路設計需要解決的問題是：主電路容量的計算；開關器件的挑選及其參數確實定；對補償電流的跟蹤特性起打算作用的參數(輸出l、直流側電壓ud、滯環(huán)寬度)的設計；按所選器件要求的驅動電路的設計以及囫圇裝置的各種庇護電路設計。21 主電路容量的計算有源電力濾波器的容量sa由式(1)確定式中：e為電網相電壓有效值；lc為補償電流有效值。假如所設計裝置的容量為15 kva，則ic=sa/3e=15x103/3x220=227 a22 功率開關器件的選取目前適用于apfp中的全控型開關器件主要有gtr、igct等，器件的挑選，首先應該滿足工作頻率和

6、器件容量的要求，當單個器件的容量難以滿足要求時，可考慮采納器件的串并聯或主電路多重化等方式。第二，再考慮它們的價格。器件的種類確定后，再確定其額定參數。其中，額定電壓由直流側電壓打算，并考慮適當的平安裕量。額定電流由補償電流打算。2.3 主電路滯環(huán)寬度的選取因為有源電力濾波器的命令電流包含高次諧波和暫態(tài)電流，故要求實際輸出的電流對命令電流有很高的跟蹤能力。在有源電力濾波器的補償對象已確定的狀況下，有源電力濾波器主電路參數的選取，對有源電力濾波器的性能和效率有較大的影響。下面以a相為例，分析采納滯環(huán)控制時的工作頻率f與電網電壓ea、變流器直流側電壓ud及主電路電感值和滯環(huán)寬度間的互相關系。對于a

7、相半橋逆變電路，可得電路方程為式(6)為正，即電感電流在升高。設uc1=uc2=ud/2，假定逆變器的工作開關頻率較高，在一個開關周期內可認為電壓ea基本不變，則滯環(huán)控制時補償電流的波形2所示，其中為滯環(huán)寬度。由圖2，以及式(4)和式(6)，可分離計算出電流的升高時光tu和下降時光td，即由式(9)知，逆變器的最小工作頻率和最大工作頻率分離為取電流滯環(huán)寬度為12a，直流側電壓ud為l000v，主電路電感l(wèi)為5mh，則由上述公式可得：最小開關頻率為12767 khz，最大開關頻率為20833khz，平均開關頻率168 khz。24 直流側電壓的計算和電容的選取主電路的工作模式及相應的開關系數，如

8、表1所列，等效3所示。當ka=-1/3時，電流ica升高，即要求假如直流側電壓不能滿足大于有源電力濾波器與供電系統(tǒng)銜接點的相電壓峰伉(em)的3倍，即就不會永久成立，這是不希翼浮現的。同理，當ka=13時，電流ica下降，即要求也不會永久成立。所以直流側電壓應滿足如下條件，即意味著主電路直流側電壓值應大于有源電力濾波器與供電系統(tǒng)銜接點的相電壓峰值(em)的3倍。在此基礎上，直流側電壓值越大，補償電流的尾隨性能越好，但器件的耐壓要求也就越高，因此要綜合考慮。由式(15)，得由此可選取直流側參考電壓udref為1000v。有源電力濾波器在實際運行時很難將主電路直流側電壓控制在某一恒定值，直流側電壓

9、波動的根本緣由在于補償電流在溝通電源與有源電力濾波器之間的能量脈動。若電容值挑選過小。主電路直流側電壓波動就會過大，影響有源電力濾波器的補償效果；而若電容值挑選過大，則主電路直流側電壓動態(tài)響應變慢，電容體積和價格也會增強。因此必需綜合考慮，合理挑選。假設在某一pwm周期內電容始終處于充電或放電狀態(tài)，直流側電容電壓最大允許偏離設定值為udmax，則25 輸出電感值的選取電壓型有源濾波器的補償特性豐要取決于輸出補償電流對于補償命令電流的跟蹤控制能力。而輸出電感值挺直打算了補償電流的跟蹤速度，從而很大程度地影響電力有源濾波器的工作性能。電感值過大，則系統(tǒng)不能適時跟蹤命令電流信號，而且電感值的增大也會造成設備成本的增強；反之。假如太小，則補償后的紋波電流過大。因此，設計時必需合理挑選主電路溝通側輸出電感值。251 電感的最大取值由主電路的模型，對于a相有式(23)中，對于不同的諧波源和不同的補償要求，命令電流ica*是不同的，其最大電流變幻率與補償參考電流的詳細表達形式疏遠相關。其閱歷公式為252 電感的最小取值假如電感取值太小，則會使補償電流的紋波過大，影響有源電力濾波器的補償效果。因此，電感的最小值主要由主電路開關器件所產牛的紋波打算，電感的作用是將其在補償電流上產生的紋波限定在一定范圍內。若有源電力濾波器的實際輸出電流偏離命令電流的最大允許值為imax，