基于基波磁通補(bǔ)償三相有源電力濾波器

1、基于基波磁通補(bǔ)償三相有源電力濾波器    摘要：電力電子裝置和非線性負(fù)載的廣泛應(yīng)用使電力系統(tǒng)產(chǎn)生了大量的諧波。電力系統(tǒng)諧波已經(jīng)成為電力系統(tǒng)的一大公害，也是近10年來國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者普遍關(guān)注的問題。文獻(xiàn)提出了一種基于變壓器基波磁通補(bǔ)償(FMFC）的串聯(lián)混合型有源電力濾波器，通過檢測(cè)變壓器一次側(cè)的基波電流，并采用電壓型PWM逆變器產(chǎn)生一個(gè)基波補(bǔ)償電流、將此補(bǔ)償基波電流注入串聯(lián)變壓器的二次側(cè)，當(dāng)二次側(cè)注入基波電流和電網(wǎng)電流中的基波成分滿足基波補(bǔ)償條件時(shí)，串聯(lián)變壓器對(duì)基波呈現(xiàn)變壓器一次側(cè)漏阻抗，而對(duì)諧波呈現(xiàn)勵(lì)磁阻抗。這種有源濾波器僅僅提高了系統(tǒng)對(duì)諧波的阻抗，從而

2、迫使諧波電流流入無(wú)源濾波器支路、真正起到了諧波隔離作用。 關(guān)鍵詞：基波磁通補(bǔ)償 三相有源電力濾波器   1 引言電力電子裝置和非線性負(fù)載的廣泛應(yīng)用使電力系統(tǒng)產(chǎn)生了大量的諧波。電力系統(tǒng)諧波已經(jīng)成為電力系統(tǒng)的一大公害，也是近10年來國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者普遍關(guān)注的問題。文獻(xiàn)提出了一種基于變壓器基波磁通補(bǔ)償(FMFC）的串聯(lián)混合型有源電力濾波器，通過檢測(cè)變壓器一次側(cè)的基波電流，并采用電壓型PWM逆變器產(chǎn)生一個(gè)基波補(bǔ)償電流、將此補(bǔ)償基波電流注入串聯(lián)變壓器的二次側(cè)，當(dāng)二次側(cè)注入基波電流和電網(wǎng)電流中的基波成分滿足基波補(bǔ)償條件時(shí)，串聯(lián)變壓器對(duì)基波呈現(xiàn)變壓器一次側(cè)漏阻抗，而對(duì)諧波呈現(xiàn)勵(lì)磁阻抗。這種有源濾波

3、器僅僅提高了系統(tǒng)對(duì)諧波的阻抗，從而迫使諧波電流流入無(wú)源濾波器支路、真正起到了諧波隔離作用。但文獻(xiàn)僅僅是為了驗(yàn)證原理而設(shè)計(jì)的濾波裝置，其容量設(shè)計(jì)得很?。煌瑫r(shí)，該文僅就單相系統(tǒng)進(jìn)行了分析，但是在實(shí)際中的諧波源大多為三相結(jié)構(gòu)。因此，文獻(xiàn)的濾波裝置無(wú)法滿足實(shí)際工程的需要。本文在單相有源電力濾波器基礎(chǔ)上研制出一套基于基波磁通補(bǔ)償?shù)娜酁V波系統(tǒng)、分析了其主電路結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)了串聯(lián)變壓器及無(wú)源濾波器參數(shù)，對(duì)電流控制的參數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行及在武漢高壓研究所試驗(yàn)結(jié)果表明該三相有源濾波器具有優(yōu)良的濾波效果，而且在無(wú)源到有源之間可平穩(wěn)過渡。 2 三相有源濾波器原理結(jié)構(gòu)圖1 為基于基波磁通補(bǔ)償?shù)娜嘤性措娏V波器

4、原理結(jié)構(gòu)圖。    圖1 基于基波磁通補(bǔ)償?shù)娜嘤性措娏V波器原理圖圖1中a，b，c為380V系統(tǒng)電壓；Zas，Zbs，Zcs為系統(tǒng)阻抗；T1，T2，T3為3個(gè)獨(dú)立的單相串聯(lián)變壓器，其一次側(cè)串聯(lián)在電網(wǎng)和諧波源之間，二次次側(cè)均與3個(gè)獨(dú)立的電壓型逆變器接在一起，3個(gè)逆變器共用一個(gè)直流電源Ud（來源于120V三相交流電整流）；三相系統(tǒng)中主要是5，7，11等次諧波，因此無(wú)源濾波器只設(shè)立了采用星形接法的5次和7次支路；濾波源為三相不控整流裝置；負(fù)載電阻為湖北追日電氣設(shè)備有限公司專門提供的液態(tài)電阻；Ld和Cd用于抑制逆變器產(chǎn)生的高頻諧波。整個(gè)電流控制電路和逆變器電路

5、用于產(chǎn)生基波補(bǔ)償電流。當(dāng)逆變器出現(xiàn)故障時(shí)，為了不影響負(fù)載正常運(yùn)行，可將變壓器的二次側(cè)短路，因此圖1中加入一個(gè)接觸器用于短路變壓器二次測(cè)，以保護(hù)逆變器裝置。本文的三相電路結(jié)構(gòu)不同于文獻(xiàn)中的結(jié)構(gòu)，逆變器和串聯(lián)變壓器完全獨(dú)立，每相單獨(dú)成果控制，主要考慮實(shí)際的三相系統(tǒng)中可能有一定的不對(duì)稱性，3個(gè)獨(dú)立的串聯(lián)變壓器之間沒有耦臺(tái)，控制簡(jiǎn)單方便，在實(shí)際中可將每相設(shè)計(jì)成完全一樣的模塊。 3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)與仿真根據(jù)基波磁通補(bǔ)償?shù)挠性措娏V波器的新原理，考慮圖1三根系統(tǒng)中的一相，變壓器一次側(cè)對(duì)基波呈現(xiàn)很小以致可以忽略的一次側(cè)漏抗，而對(duì)諧波呈現(xiàn)一次側(cè)勵(lì)磁阻抗。在低壓380V三相系統(tǒng)中、系統(tǒng)等效內(nèi)阻抗可以忽略不計(jì)。設(shè)串

6、聯(lián)變壓器基波勵(lì)磁阻抗為Zp，當(dāng)控制系統(tǒng)滿足基波磁通補(bǔ)償條件時(shí)，串聯(lián)變壓器基本不增加系統(tǒng)的基波阻抗，而對(duì)n次諧波的阻抗nZp。為了改善系統(tǒng)的濾波效果，串聯(lián)變壓器的勵(lì)磁阻抗不能太小。而在圖3所示的諧波源中，功率因數(shù)一般都很高，因此不需補(bǔ)充無(wú)功，故濾波電容器可以設(shè)計(jì)得小一些。綜合考慮串聯(lián)變壓器的勵(lì)磁阻抗和無(wú)源支路，并運(yùn)用MATLAB進(jìn)行仿真，當(dāng)串聯(lián)變壓器的基波勵(lì)磁阻抗Zp取為6.28，無(wú)源支路C5=30F，L5=13.5mH，C7=20F，L7=10.35mH時(shí)，加濾波器之前的系統(tǒng)電流和電流波形如圖2所示，而加濾波器之后的系統(tǒng)電壓和電流波形如圖3所示。整個(gè)系統(tǒng)的濾波效果非常理想，其功率因數(shù)接近于1。

7、    串聯(lián)變壓器串聯(lián)在系統(tǒng)中，若變比為k=W1 /W2，一次側(cè)基波電流為I1，則二次側(cè)壓降為一次側(cè)的1k倍。注入變壓器二次側(cè)的基波電流為ki1。為了減少逆變器的輸出電流，需減小k。考慮各種短路現(xiàn)象，二次側(cè)壓降可能會(huì)達(dá)220k，這個(gè)交流電壓會(huì)通過逆變器的4個(gè)續(xù)流二極管構(gòu)成的整流橋給電容器充電，導(dǎo)致直流母線電壓過高，所以1/k不能太大。綜合考慮，取k=W1/W2=12,這樣串聯(lián)變壓器二次側(cè)電壓最高可達(dá)440V，選擇1200V的IGBT便可滿足要求，二次側(cè)注入的電流只有一次側(cè)基波電流的一半，這樣就可減小逆變器的功率。4 控制系統(tǒng)參數(shù)選擇為了滿足動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和魯

8、棒性強(qiáng)的要求，三相系統(tǒng)采用滯環(huán)電流控制方式，文獻(xiàn)詳述了滯環(huán)電流控制的原理及開關(guān)頻率的計(jì)算。圖4 為滯環(huán)比較器的具體電路及其傳輸特性。根據(jù)電子電路知識(shí)，滯環(huán)比較器的兩個(gè)閾值分別為：    在滯環(huán)電流控制中，逆變器的實(shí)際輸出與電流給定信號(hào)進(jìn)行比較。若誤差大于滯環(huán)寬度h，則通過改變逆變器中對(duì)應(yīng)的開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)，使實(shí)際輸出電流減?。环粗?，若誤差小于-h，則通過改變逆變器中對(duì)應(yīng)開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)，使實(shí)際輸出電流增大。但在實(shí)際電路中，一般都將給定信號(hào)與反饋信號(hào)的誤差進(jìn)行放大，然后再與滯環(huán)比較器進(jìn)行比較，其結(jié)構(gòu)如圖5（a）所示。根據(jù)自動(dòng)控制原理可知：加入放大倍數(shù)g

9、等效于將滯環(huán)寬度變?yōu)樵瓉淼?g，即圖5（a）可等效為圖5（b），這樣可以達(dá)到同樣的效果，因?yàn)槿羧∠嗤妮斎耄瑒t其輸出完全一樣。要減小滯環(huán)寬度，可直接增加放大倍數(shù)g。    5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果及分析 在湖北追日電氣設(shè)備有限公司的協(xié)助下，本文設(shè)計(jì)并制作了一套全自動(dòng)JCBL串聯(lián)型有源電力濾波裝置。設(shè)計(jì)容量為30kVA，串聯(lián)變壓器的變化為1:2，系統(tǒng)電壓為380V，開關(guān)器件為FUPEC公司BSM200GB20DN2型IGBT，無(wú)源支路僅由5次和7次調(diào)諧LC濾波器組成（C530F，L5=13.5mH，C720F，L7=10.35mH）。整個(gè)濾波置控制面板上只有兩個(gè)按

10、鈕，一個(gè)為投入鈕，另一為切除鈕。當(dāng)按下投入鈕時(shí)，首先斷開變壓器二次用于短路的接觸器KM，然后經(jīng)過一個(gè)時(shí)間繼電延時(shí)500ms后再加上有源逆變器的直流電壓U有源逆變器進(jìn)入工作狀態(tài)；當(dāng)按下切除鈕時(shí)，有源變器退出工作狀態(tài)，并用接觸器將變壓器二次側(cè)短路，負(fù)載就可以不受影響地正常工作。將JCBL串聯(lián)型有源電力濾波裝置投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，采用link公司的DSO2100型數(shù)字示波器記錄了部分實(shí)驗(yàn)波形，并進(jìn)行了諧波分析。圖6圖8為不加任何濾波器、只加無(wú)源濾波器和同時(shí)加無(wú)源和有源濾波器等3種情況下的變壓器一次側(cè)電流波形及諧波分析圖。 圖6 不加任何濾波器時(shí)一次側(cè)電流波形及諧波分析圖7 只加無(wú)源濾波器時(shí)一次側(cè)電流波形及

11、其諧波分析             圖9為從僅加無(wú)源濾波器過渡到同時(shí)加無(wú)源和有源濾波器一次側(cè)的電流波形。圖9為從僅加無(wú)源濾波器過渡到同時(shí)加無(wú)源和有源濾波器一次側(cè)的電流波形 武漢高壓研究所也對(duì)該裝置進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)，試測(cè)試結(jié)果如表1 所示。    通過分析可知，電流畸變率只有約1.5，該有源濾波器具有極好的濾波效果，并可在無(wú)源到有源之間進(jìn)行平穩(wěn)過渡。6 結(jié)語(yǔ)本文設(shè)計(jì)制作了一套全自動(dòng)三相有源電力濾波裝置，當(dāng)采用3個(gè)獨(dú)立的串聯(lián)變壓器和獨(dú)立的逆變器電路時(shí)，基于基波磁通補(bǔ)償有源電力