基于基波磁通補償?shù)娜嘤性措娏V波器

1、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年來國內(nèi)外專家和學(xué)者普遍關(guān)注的問題。 文獻提出了一種基于變壓器基波磁通補償（FMF。的串聯(lián)混合 型有源電力濾波器，通過檢測變壓器一次側(cè)的基波電流，并 采用電壓型PW隨變器產(chǎn)生一個基波補償電流、將此補償基 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償條件時，串聯(lián)變壓器對 基波呈現(xiàn)變壓器一次側(cè)漏阻抗，而對諧波呈現(xiàn)勵磁阻抗。這 種有源濾波器僅僅提高了系統(tǒng)對諧波的阻抗，從而迫使諧波 電流流入無源濾波器支路、真正起到了諧波隔離作用。關(guān)鍵詞：基

2、波磁通補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年來國內(nèi)外專家和學(xué)者普遍關(guān)注的問題。 文獻提出 了一種基于變壓器基波磁通補償（FMFQ的串聯(lián)混合型有源電 力濾波器，通過檢測變壓器一次側(cè)的基波電流，并采用電壓 型PW施變器產(chǎn)生一個基波補償電流、將此補償基波電流注 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償條件時，串聯(lián)變壓器對基波呈現(xiàn) 變壓器一次側(cè)漏阻抗，而對諧波呈現(xiàn)勵磁阻抗。這種有源濾 波器僅僅提高了系統(tǒng)對諧波的阻抗，從而迫使諧波電流流入 無源濾波器支路、真正起

3、到了諧波隔離作用。但文獻僅僅是 為了驗證原理而設(shè)計的濾波裝置，其容量設(shè)計得很??；同時， 該文僅就單相系統(tǒng)進行了分析，但是在實際中的諧波源大多 為三相結(jié)構(gòu)。因此，文獻的濾波裝置無法滿足實際工程的需 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 磁通補償?shù)娜酁V波系統(tǒng)、分析了其主電路結(jié)構(gòu)、設(shè)計了串 聯(lián)變壓器及無源濾波器參數(shù)，對電流控制的參數(shù)進行了分析 計算，現(xiàn)場運行及在武漢高壓研究所試驗結(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為基于基波磁通補償?shù)娜嘤性措娏V波器原理結(jié) 構(gòu)圖。圖1基于基波磁通補償?shù)娜嘤性措娏V波器原理圖

4、圖 1 中wa, wb, wc 為 380V系統(tǒng)電壓；Zas, Zbs, Zcs 為系統(tǒng)阻抗；T1, T2, T3為3個獨立的單相串聯(lián)變壓器，具 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個獨立的 電壓型逆變器接在一起，3個逆變器共用一個直流電源 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。整個電流控制電路和逆變器電路用于 產(chǎn)生基波補償電流。當(dāng)逆變器出現(xiàn)故障時，為了不影響負(fù)載 正

5、常運行，可將變壓器的二次側(cè)短路，因此圖 1中加入一個 接觸器用于短路變壓器二次測，以保護逆變器裝置。本文的三相電路結(jié)構(gòu)不同于文獻中的結(jié)構(gòu)，逆變器和串 聯(lián)變壓器完全獨立，每相單獨成果控制，主要考慮實際的三 相系統(tǒng)中可能有一定的不對稱性，3個獨立的串聯(lián)變壓器之間 沒有耦臺，控制簡單方便，在實際中可將每相設(shè)計成完全一 樣的模塊。3系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計與仿真根據(jù)基波磁通補償?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)對基波呈現(xiàn)很小以致可以 忽略的一次側(cè)漏抗，而對諧波呈現(xiàn)一次側(cè)勵磁阻抗。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。設(shè)串聯(lián)變 壓器基波勵磁阻抗為Zp,當(dāng)控制系統(tǒng)滿

6、足基波磁通補償條件時，串聯(lián)變壓器基本不增加系統(tǒng)的基波阻抗，而對 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，因此不需補充無功，故濾波電容器可以設(shè)計得小一些。綜合考慮串聯(lián)變壓器的勵磁阻抗和無源支路，并運用MATLAB進行仿真，當(dāng)串聯(lián)變壓器的基波勵磁阻抗 Zp取為6.28 Q,無 源支路 C5=30w F, L5=13.5mH C7=20 F, L7=10.35mH時， 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1/k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)壓降可能會達220/k,這個交流電壓會通過逆變器的4個續(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)選擇為了滿足動態(tài)響應(yīng)快和魯棒性強的要求，三相系統(tǒng)采用 滯

8、環(huán)電流控制方式，文獻詳述了滯環(huán)電流控制的原理及開關(guān) 頻率的計算。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，滯環(huán)比較器的兩個閾值分別為：在滯環(huán)電流控制中，逆變器的實際輸出與電流給定信號 進行比較。若誤差大于滯環(huán)寬度h,則通過改變逆變器中對應(yīng) 的開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)，使實際輸出電流減??；反之，若誤 差小于-h,則通過改變逆變器中對應(yīng)開關(guān)器件的開關(guān)狀態(tài)， 使實際輸出電流增大。但在實際電路中，一般都將給定信號 與反饋信號的誤差進行放大，然后再與滯環(huán)比較器進行比較， 其結(jié)構(gòu)如圖5 (a)所示。根據(jù)自動控制原理可知：加入放大 倍數(shù)g等效于將滯環(huán)寬度變?yōu)樵瓉淼?/g,即圖5 (a)可等 效為

9、圖5 (b),這樣可以達到同樣的效果，因為若取相同的輸 入，則其輸出完全一樣。要減小滯環(huán)寬度，可直接增加放大 倍數(shù)g。5現(xiàn)場測試結(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)計并制作了一套全自動JCBL串聯(lián)型有源電力濾波裝置。設(shè)計容量為 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FUPE蟲司BSM200GB20D觸IGBT,無源支路僅由5次 和7次調(diào)諧LC濾波器組成（C5= 30區(qū)F, L5=13.5mH C7= 20 wF, L7=10.35mH。整個濾波置控制面板上只有兩個按鈕， 一個為投入鈕，另一為切除鈕。當(dāng)按下投入鈕時，首先斷開 變壓器二次用于短路的接觸

10、器 KM然后經(jīng)過一個時間繼電延 時500ms后再加上有源逆變器的直流電壓 U有源逆變器進入 工作狀態(tài)；當(dāng)按下切除鈕時，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)場運行，采用 link公司的DSO210理數(shù)字示波器記錄了部分實驗波形，并 進行了諧波分析。圖6圖8為不加任何濾波器、只加無源濾波器和同時加 無源和有源濾波器等3種情況下的變壓器一次側(cè)電流波形及 諧波分析圖。武漢高壓研究所也對該裝置進行了現(xiàn)場測，試測試結(jié)果如表1所不。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，并可在無源到有源之間進行平穩(wěn)過渡。6結(jié)語本文設(shè)計制作了一套全自動三相有源電力濾波裝置，當(dāng) 采用3個獨立的串聯(lián)變壓器和獨立的逆變器電路時，基于基 波