有源電力濾波器設(shè)計

1、有源電力濾波器設(shè)計綜述隨著大容量電力電子裝置在高壓交流電力系統(tǒng)中日益廣泛的應(yīng)用，諧波和無功等問題 嚴重地威脅著系統(tǒng)自身的安全穩(wěn)定運行。針對 1035kV高壓交流電力系統(tǒng)，國內(nèi)外目前主 要采用無源電力濾波器來抑制諧波并補償無功功率。無源電力濾波器具有諸多的缺陷，難 以達到理想的性能。受功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的約束，有源電力濾波器常規(guī)方案的應(yīng)用限制 在低壓交流電力系統(tǒng)。提出一種基于基波磁通補償?shù)拇?lián)型有源電力濾波器新原理，通過 電力電子變換器的控制，使用聯(lián)變壓器對基波呈現(xiàn)很小的一次側(cè)漏阻抗，對諧波呈現(xiàn)很大 的勵磁阻抗。通過電力電子變換器的控制，變壓器一次側(cè)呈現(xiàn)連續(xù)無極可調(diào)的電抗。借鑒 基波磁通補償理論

2、及磁通可控的可調(diào)電抗器原理，根據(jù)串并聯(lián)的對偶特性，本文提出一種 新型的基于阻抗可控的并聯(lián)混合型有源電力濾波器。在電力電子變換器的控制下，變壓器 對諧波電流呈現(xiàn)近似為零的低阻抗，從而輸導(dǎo)電力系統(tǒng)中的諧波電流，同時對基波電流呈 現(xiàn)連續(xù)無極可調(diào)的電抗，與無源電力濾波器相結(jié)合，實時補償系統(tǒng)的無功功率。通過變壓 器隔離降壓，確保該濾波器安全、可靠、穩(wěn)定地工作。111工作原理1.1 變壓器的結(jié)構(gòu)變壓器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其一次側(cè)AX與二次側(cè)ax的匝數(shù)分別為 W、W,變比k=WW, 一次側(cè)與二次側(cè)的互感為 M 一次側(cè)繞組的電阻為 一,自感為L11。變壓器采用非晶態(tài)合金 鐵心，為了確保變壓器工作在 B-H曲線的

3、線性區(qū)，鐵心開有氣隙。利用電壓型逆變器向變 壓器二次側(cè)繞組中注入補償電流i 2且滿足i2=- a*Ei1(n)- B *i 1(1)式中：a為諧波補償系數(shù)；1為實時檢測的變壓器一次側(cè)諧波電流；B為基波補償系數(shù)；"為實時檢測的變壓器一次側(cè)基波電流。圖1變壓器結(jié)構(gòu)圖1.2 諧波抑制原理從AX端看，變壓器n次諧波電壓方程為u(n)= (r1+jWLn) / J)+jWM五若a滿足諧波補償條件a =Ln/M則從AX端看，變壓器對諧波電流的等效阻抗為Z AXn) 二由/ i1(n)=r1通常r1可忽略，因此，在滿足諧波補償條件時，變壓器對諧波電流呈現(xiàn)近似為零的低 阻抗。諧波等效電路如圖2所示。

4、圖2變壓器諧波等效電路高壓交流電力系統(tǒng)的系統(tǒng)阻抗相對較大，由于變壓器在電力電子變換器的控制下能夠 對諧波電流呈現(xiàn)近似為零的低阻抗，因而對高壓交流電力系統(tǒng)的諧波電流具有很好的抑制 能力。1.3 無功功率補償原理從AX端看，變壓器基波電壓方程為u(1)= (ri+jWLii) / i+jWMb由于ri可忽略，從AX端看，變壓器對基波電流的等效電抗為Xax = = £)/ a" =w(Lii- b M變壓器對基波電流的等效電抗與基波補償系數(shù)B的關(guān)系如圖3所示。由圖3可見，通過實時調(diào)節(jié)基波補償系數(shù)B的大小，可以使得變壓器對基波電流呈現(xiàn)連續(xù)無極可調(diào)的電抗，與無源電力濾波器相結(jié)合，能夠

5、實時地補償高壓交流電力系統(tǒng)的 無功功率。圖3基波等效電抗與P的關(guān)系2實驗電路結(jié)構(gòu)2.1 主電路結(jié)構(gòu)圖4為基于阻抗可控的并聯(lián)混合型有源電力濾波器的實驗電路結(jié)構(gòu)圖。主電路中，US為系統(tǒng)電壓，Zs為系統(tǒng)阻抗。T為線性變壓器，與諧波源及無源電力濾波器相并聯(lián)。Lf為逆變器輸出電感，在變壓器漏感較大的情況下，Lf可省去。為了確保逆變器對指令電流的實時跟蹤，采用IGBT作為功率半導(dǎo)體開關(guān)器件。Ud為逆變器直流母線電壓。L與C為無源 電力濾波器的電感與電容，無源電力濾波器主要功能為補償容性無功電流，兼濾除部分諧 波電流。諧波源為帶阻感負載的二極管全橋不控整流器。指令電流運算電路0->反饋電流檢測電路PI

6、脈沖寬度調(diào)制PWM動護路驅(qū)保電逆變器圖4濾波器結(jié)構(gòu)圖2.2 控制電路結(jié)構(gòu)控制電路包括指令電流運算和補償電流控制 2部分。指令電流運算單元實時檢測變壓 器一次側(cè)的電流，根據(jù)電力系統(tǒng)無功功率補償?shù)囊螅玫阶儔浩鞫蝹?cè)補償電流的指令 信號。補償電流控制單元將指令電流信號與反饋電流信號相比較，其誤差通過PI調(diào)節(jié)器,再與三角載波信號比較，得到 PW時號,驅(qū)動逆變器中的IGBT開關(guān)。提出一種指令電流 運算方法如圖5所示。141rlsm 0出的圖5指令電流運算電路其中，ii (t) =EI ncos(nwt+ 巾 n) , (low-pass filter,LPF)為低通濾波器，用于提取信號的直流分量，A

7、 msin( cot+巾)與A mcos( cot+巾)為控制電路產(chǎn)生的幅值實時調(diào)節(jié)、與 電網(wǎng)同頻率、相位任意的正余弦，ic為補償電流的指令信號。一次側(cè)電流與余弦信號相乘，得到i i ( t ) *A ncos(wt+巾尸 (A m/ 2) 121ncos(n+1)wt+ 巾 +巾 n+cos(n- 1)wt+ 巾 n-巾經(jīng)過LPF得到直流分量(A nZ 2) I icos(巾i-巾)再與余弦信號相乘，得到i ip' 22(Am/2) 11cos(wt+ 山)cos(巾 i-巾尸(Am/4) I icos(wt+ 巾 i)+cos(wt+2 巾-巾 i)一次側(cè)電流與正弦信號相乘，得到i

8、 i ( t ) *A nsin(wt+少尸 (A m/ 2 )121nsin(n+1)wt+巾 +巾 n-sin(n-i)wt+ 巾 n-巾2經(jīng)過LPF得到直流分量(-Am/2) I isin(巾i-巾)再與正弦信號相乘，得到i ip 22(-Am/2) I isin(wt+ 巾)sin(巾 i-巾)=(Am/4) I icos(wt+ 巾 i)-cos(wt+2 巾-巾 i)由式(8)與(i0)可以得到指令電流 i c*=-Lii/M ( i i- iip'-iiq) =-Lii/ M(i-Am2/2)I icos(wt+ 巾 i)+4ln cos(nwt+ 巾 n)= -L ii

9、/MEii+(i- A 5/2) i i比較式(i)、(3)與(ii)可知，指令電流滿足諧波補償條件。通過實時調(diào)節(jié)正余弦信號的幅值A(chǔ)m可實時改變基波補償系數(shù)B的大小。Am與B的關(guān)系為Am=2(i )V3實驗與結(jié)果分析為了證明上述理論分析的正確性，根據(jù)圖4所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計了一套實驗裝置。 系統(tǒng)電壓為110V,系統(tǒng)側(cè)串聯(lián)5mH的電感。變壓器的變比為1:1, 一次側(cè)繞組的自感為 92mH 一次側(cè)繞組與二次側(cè)繞組的互感為 91.69mH,二次側(cè)繞組的自感為92mH諧波補償 系數(shù)a =1.0033。無源電力濾波器參數(shù)為L=14.11mHC=240 F。半導(dǎo)體開關(guān)器件為SEMIKRON 公司的NPN

10、® IGBT SKM300GB123取用TDS2002®數(shù)字示波器記錄了實驗波形，并采用 了 2533E型交流數(shù)字功率計測量了各種工況下實驗數(shù)據(jù)。實驗分6種工況進行。(1)工況1。不加任何濾波器，此時系統(tǒng)電壓電流的波形如圖6所示。格tfrns圖6不加任何濾波器時系統(tǒng)電壓電流波形(2)工況2。為了驗證諧波抑制原理的正確性，只加有源電力濾波器，基波補償系數(shù)B =0, 此時系統(tǒng)電壓電流的波形如圖7所示。£/§/V11 q J m I p5mU 格yms圖7只加有源電力濾波器時系統(tǒng)電壓電流波形80)(2)工況3。只加無源電力濾波器，此時系統(tǒng)電壓電流的波形如圖 8

11、所示V券 >f-s/Ae5ms/格jTms圖8只加無源電力濾波器時系統(tǒng)電壓電流波形(4)工況4。同時加無源和有源電力濾波器，基波補償系數(shù)0=0,此時系統(tǒng)電壓電流的波形如圖9(a)所示。(5)工況5。同時加無源和有源電力濾波器，基波補償系數(shù)0=0.51 ,此時系統(tǒng)電壓電流的波形如圖9(b)所示。(6)工況6。為了更加明顯地驗證無功功率補償原理的有效性，同時加無源和有源電力濾 波器,將基波補償系數(shù) B提高到0.75,此時系統(tǒng)電壓電流的波形如圖 9(c)所示。對以上 6種工況下的系統(tǒng)電流波形進行了傅里葉分析。6種工況下的系統(tǒng)電流總諧波畸變率和系統(tǒng)功率因數(shù)如表1所示。從以上分析可見，該濾波器不僅

12、能夠有效地抑制諧波，通過調(diào)節(jié) 基波補償系數(shù)，還能夠補償無功功率。實驗結(jié)果與理論分析相一致。5m 格i/ms5me/格力（cjJ9=0.75無源加有源濾波時系統(tǒng)電壓電流波形表16種工況下系統(tǒng)功率因數(shù)及電流總諧波畸變率工況總諧波畸變率THD優(yōu)功率因數(shù)（PF）不加任何濾波器19.470.687只加仃源電力漉波隔佳力）5.400.820只加無源電力濾波器13.08Q.967f容性）無源加有源電力濾波4.52。刀詢?nèi)菪裕o源加在源電力濾波廬651）4.550.980無源加有源電力渡波（40.78.220.905此原理用于三相交流電力系統(tǒng)時，為了適用于負載不平衡等復(fù)雜的工況（如：27.5kV鐵道牽引系統(tǒng)）

13、，可采用3個獨立的單相變壓器和單相逆變器的電路結(jié)構(gòu)；用于高壓交流 電力系統(tǒng)時，由于系統(tǒng)的容量很大，為了提高有源電力濾波器的容量，變壓器需采用二次 側(cè)多補償繞組的結(jié)構(gòu)。課程設(shè)計體會通過本次的課程設(shè)計，我有了很大的收獲。由于諧波對電網(wǎng)的影響使我們的一些實際 運行的結(jié)果失真。通過本次的設(shè)計，我了解了作為一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新 型電力電子裝置，APF能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行實時補償?？梢?抑制高次諧波對電網(wǎng)及設(shè)備的影響。通過本次的設(shè)計，我不僅鞏固了書本上的知識，對其加深了解，更鍛煉了我的動手能 力。使我能夠在進入社會之前有一次很好的鍛煉機會。在將來踏出學(xué)園后不是一個只會

14、紙 上談兵的大學(xué)生。做一個可以實戰(zhàn)型的選手。讓我對電力電子這門課程有了更大的興趣， 激發(fā)了我繼續(xù)研究的興趣。我會在接下來的專業(yè)課程學(xué)習(xí)中更加的努力學(xué)習(xí)，爭取取得更 大的收獲。不斷豐富自己的專業(yè)知識，武裝自己的頭腦。在此我還要感謝那些在此次設(shè)計中給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)，如果沒有他們的幫助就 不能順利的完成此次設(shè)計。1吳競昌，孫樹勤，宋文南，等.電力系統(tǒng)諧波M.北京：水利電力出版社，19882唐卓堯，任震.并聯(lián)型混合濾波器及其濾波特性分析.中國電機工程學(xué)報，20003蔣斌，顏鋼鋒，趙光宙.一種單相電流檢測法的研究.電工技術(shù)學(xué)報，20004李達義，陳喬夫，賈正春.基于磁通可控的可調(diào)電抗器的新原理.中國電機工程學(xué)報，20035唐敏，李群湛，賀建閩.牽引變電所無功諧波綜合補償方案研究.電網(wǎng)技術(shù)，20046羅安，付青，王麗娜.變電站諧波抑制與無功補償?shù)拇蠊β驶旌闲碗娏V波器.中國 電機工程學(xué)報,200