有源電力濾波器設(shè)計(jì)

1、有源電力濾波器設(shè)計(jì)近年來，公用電網(wǎng)受到了諧波和睦波的嚴(yán)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(yīng)用，電網(wǎng)中的諧波污染也日益嚴(yán)峻，并影響到供電質(zhì)量和用戶用法的平安性，因此電網(wǎng)諧波污染的治理越來越受到關(guān)注。有源電力是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功功率的新型電力電子裝置，能對(duì)大小和頻率都變幻的諧波及無功功率舉行補(bǔ)償。和傳統(tǒng)的無源濾波器相比，有突出的優(yōu)點(diǎn)。(1)對(duì)各次諧波和分?jǐn)?shù)諧波均能有效地抑制，且可提高功率因數(shù)；(2)系統(tǒng)阻抗和頻率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，不會(huì)影響補(bǔ)償效果。并能對(duì)頻率和幅值都變幻的諧波舉行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響；(3)不會(huì)產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，且能抑制因?yàn)橥獾闹C振產(chǎn)生的

2、諧波電流的變幻；(4)用一臺(tái)裝置就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各次諧波和基波無功功率的補(bǔ)償；(5)不存在過載問題，即當(dāng)系統(tǒng)中諧波較大時(shí)，裝置仍可運(yùn)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(diǎn)，具有良好的調(diào)整性能，因而有很大的進(jìn)展前途。本文對(duì)適用于電力系統(tǒng)的有源電力濾波器的原理和設(shè)計(jì)舉行介紹。1 有源電力濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有源電力濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)l所示。有源電力濾波器的基本工作原理是：實(shí)時(shí)檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓和電流，經(jīng)命令電流運(yùn)算單元計(jì)算出補(bǔ)償電流命令信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路放大產(chǎn)生補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中需用補(bǔ)償?shù)闹C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(xiàn)是，當(dāng)需要補(bǔ)償負(fù)載

3、所產(chǎn)生的諧波電流時(shí)，有源電力濾波器檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象負(fù)載電流il中的諧波重量ilb后，將其反極性作為補(bǔ)償電流的命令信號(hào)ic*，再由補(bǔ)償電流發(fā)生電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流ic，其中補(bǔ)償電流ic與負(fù)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(dá)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(cè)非線性負(fù)載的電流ila、ilb、ilc經(jīng)電流信號(hào)調(diào)理后送入命令電流產(chǎn)生電路，命令電流產(chǎn)生模塊是由ti公司的 tms320lf2407為核心建立的。dsp計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)闹C波和無功電流后，通過外部da送入電流跟蹤控制電路。檢測(cè)有源電力濾波器主電路的電流ica、icb

4、、icc，經(jīng)電流信號(hào)調(diào)理后也送入電流跟蹤控制電路，電流跟蹤控制電路對(duì)主電路補(bǔ)償電流與命令電流舉行滯環(huán)比較后送出柵極開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路接受來自前級(jí)電流跟蹤控制電路的信號(hào)，并經(jīng)隔離放大后驅(qū)動(dòng)主電路的開關(guān)管，以控制主電流的電路尾隨命令電流的變幻，終于達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波與無功功率的目的。電壓傳感器檢測(cè)變流器直流側(cè)總電壓，經(jīng)電壓信號(hào)調(diào)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(cè)電壓的穩(wěn)定。啟動(dòng)、關(guān)斷和庇護(hù)模塊按一定的時(shí)序控制裝置的啟動(dòng)和關(guān)斷，并提供裝置的過流、過壓、過熱、缺相等故障庇護(hù)功能。2 有源電力濾波器主電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)主電路時(shí)，應(yīng)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(shù)采納電壓型，本文挑選主電路為并聯(lián)電壓型、單個(gè)變流器的形式。主電路設(shè)計(jì)需要解決的問題是：主電路容量的計(jì)算；開關(guān)器件的挑選及其參數(shù)確實(shí)定；對(duì)補(bǔ)償電流的跟蹤特性起打算作用的參數(shù)(輸出l、直流側(cè)電壓ud、滯環(huán)寬度)的設(shè)計(jì)；按所選器件要求的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)以及囫圇裝置的各種庇護(hù)電路設(shè)計(jì)。21 主電路容量的計(jì)算有源電力濾波器的容量sa由式(1)確定式中：e為電網(wǎng)相電壓有效值；lc為補(bǔ)償電流有效值。假如所設(shè)計(jì)裝置的容量為15 kva，則ic=sa/3e=15x103/3x220=227 a22 功率開關(guān)器件的選取目前適用于apfp中的全控型開關(guān)器件主要有g(shù)tr、igct等，器件的挑選，首先應(yīng)該滿足工作頻率和

6、器件容量的要求，當(dāng)單個(gè)器件的容量難以滿足要求時(shí)，可考慮采納器件的串并聯(lián)或主電路多重化等方式。第二，再考慮它們的價(jià)格。器件的種類確定后，再確定其額定參數(shù)。其中，額定電壓由直流側(cè)電壓打算，并考慮適當(dāng)?shù)钠桨苍Ａ俊ｎ~定電流由補(bǔ)償電流打算。2.3 主電路滯環(huán)寬度的選取因?yàn)橛性措娏V波器的命令電流包含高次諧波和暫態(tài)電流，故要求實(shí)際輸出的電流對(duì)命令電流有很高的跟蹤能力。在有源電力濾波器的補(bǔ)償對(duì)象已確定的狀況下，有源電力濾波器主電路參數(shù)的選取，對(duì)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(shí)的工作頻率f與電網(wǎng)電壓ea、變流器直流側(cè)電壓ud及主電路電感值和滯環(huán)寬度間的互相關(guān)系。對(duì)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(shè)uc1=uc2=ud/2，假定逆變器的工作開關(guān)頻率較高，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)可認(rèn)為電壓ea基本不變，則滯環(huán)控制時(shí)補(bǔ)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(jì)算出電流的升高時(shí)光tu和下降時(shí)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(cè)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(guān)頻率為12767 khz，最大開關(guān)頻率為20833khz，平均開關(guān)頻率168 khz。24 直流側(cè)電壓的計(jì)算和電容的選取主電路的工作模式及相應(yīng)的開關(guān)系數(shù)，如

8、表1所列，等效3所示。當(dāng)ka=-1/3時(shí)，電流ica升高，即要求假如直流側(cè)電壓不能滿足大于有源電力濾波器與供電系統(tǒng)銜接點(diǎn)的相電壓峰伉(em)的3倍，即就不會(huì)永久成立，這是不希翼浮現(xiàn)的。同理，當(dāng)ka=13時(shí)，電流ica下降，即要求也不會(huì)永久成立。所以直流側(cè)電壓應(yīng)滿足如下條件，即意味著主電路直流側(cè)電壓值應(yīng)大于有源電力濾波器與供電系統(tǒng)銜接點(diǎn)的相電壓峰值(em)的3倍。在此基礎(chǔ)上，直流側(cè)電壓值越大，補(bǔ)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(cè)參考電壓udref為1000v。有源電力濾波器在實(shí)際運(yùn)行時(shí)很難將主電路直流側(cè)電壓控制在某一恒定值，直流側(cè)電壓

9、波動(dòng)的根本緣由在于補(bǔ)償電流在溝通電源與有源電力濾波器之間的能量脈動(dòng)。若電容值挑選過小。主電路直流側(cè)電壓波動(dòng)就會(huì)過大，影響有源電力濾波器的補(bǔ)償效果；而若電容值挑選過大，則主電路直流側(cè)電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，電容體積和價(jià)格也會(huì)增強(qiáng)。因此必需綜合考慮，合理挑選。假設(shè)在某一pwm周期內(nèi)電容始終處于充電或放電狀態(tài)，直流側(cè)電容電壓最大允許偏離設(shè)定值為udmax，則25 輸出電感值的選取電壓型有源濾波器的補(bǔ)償特性豐要取決于輸出補(bǔ)償電流對(duì)于補(bǔ)償命令電流的跟蹤控制能力。而輸出電感值挺直打算了補(bǔ)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(shí)跟蹤命令電流信號(hào)，而且電感值的增大也會(huì)造成設(shè)備成本的增強(qiáng)；反之。假如太小，則補(bǔ)償后的紋波電流過大。因此，設(shè)計(jì)時(shí)必需合理挑選主電路溝通側(cè)輸出電感值。251 電感的最大取值由主電路的模型，對(duì)于a相有式(23)中，對(duì)于不同的諧波源和不同的補(bǔ)償要求，命令電流ica*是不同的，其最大電流變幻率與補(bǔ)償參考電流的詳細(xì)表達(dá)形式疏遠(yuǎn)相關(guān)。其閱歷公式為252 電感的最小取值假如電感取值太小，則會(huì)使補(bǔ)償電流的紋波過大，影響有源電力濾波器的補(bǔ)償效果。因此，電感的最小值主要由主電路開關(guān)器件所產(chǎn)牛的紋波打算，電感的作用是將其在補(bǔ)償電流上產(chǎn)生的紋波限定在一定范圍內(nèi)。若有源電力濾波器的實(shí)際輸出電流偏離命令電流的最大允許值為imax，