淺談有源電力濾波器設計

1、17/17HYPERLINK /綜述隨著大容量電力電子裝置在高壓交流電力系統(tǒng)中日益廣泛的應用，諧波和無功等問題嚴峻地威脅著系統(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)外目前要緊采納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。受功率半導體開關器件的約束，有源電力濾波器常規(guī)方案的應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操縱，使串聯(lián)變壓器對基波呈現(xiàn)專門小的一次側漏阻抗，對諧波呈現(xiàn)專門大的勵磁阻抗。通過電力電子變換器的操縱，變壓器一次側呈現(xiàn)連續(xù)無極可調(diào)的電抗。借鑒基波磁通補償理

2、論及磁通可控的可調(diào)電抗器原理，依照串并聯(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操縱下，變壓器對諧波電流呈現(xiàn)近似為零的低阻抗，從而輸導電力系統(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。1 工作原理1.1 變壓器的結構變壓器的結構如圖1所示。其一次側AX與二次側ax的匝數(shù)分不為W1、W2，變比k=W1/W2，一次側與二次側的互感為M。一次側繞組的電阻為r1，自感為L11。變壓器采納非晶態(tài)合金鐵心，為了確保變壓器工作在B-H曲線的線性區(qū)，

3、鐵心開有氣隙。利用電壓型逆變器向變壓器二次側繞組中注入補償電流i2且滿足 i2=-*i1(n)-*i1(1)式中：為諧波補償系數(shù)；i1(n)為實時檢測的變壓器一次側諧波電流；為基波補償系數(shù)；i1(1)為實時檢測的變壓器一次側基波電流。 1.2 諧波抑制原理從AX端看，變壓器n次諧波電壓方程為1(n)=（r1+jWnL11）/1(n)+jWnM2(n)若滿足諧波補償條件 =L11/M則從AX端看，變壓器對諧波電流的等效阻抗為 ZAX(n)=1(n)/1(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。 高壓交流電力系統(tǒng)的系統(tǒng)阻抗

4、相對較大，由于變壓器在電力電子變換器的操縱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)的諧波電流具有專門好的抑制能力。1.3 無功功率補償原理從AX端看，變壓器基波電壓方程為 1(1)=（r1+jW1L11）/1(1)+jW1M2(1)由于r1可忽略，從AX端看，變壓器對基波電流的等效電抗為 XAX(1)=1(1)/1(1)=W1（L11-M）變壓器對基波電流的等效電抗與基波補償系數(shù)的關系如圖3所示。由圖3可見，通過實時調(diào)節(jié)基波補償系數(shù)的大小，能夠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合，能夠實時地補償高壓交流電力系統(tǒng)的無功功率。 2 實驗電路結構2.

5、1 主電路結構圖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構圖。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，采納IGBT作為功率半導體開關器件。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，無源電力濾波器要緊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。2.2 操縱電路結構操縱電路包括指令電流運算和補償電流操縱2部分。指令電流運算單元實時檢測變壓器一次側的電流，依照電力系統(tǒng)無功功率補償?shù)?/p>

6、要求，得到變壓器二次側補償電流的指令信號。補償電流操縱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PWM信號，驅動逆變器中的IGBT開關。提出一種指令電流運算方法如圖5所示。 其中，i1（t）=Incos(nwt+n)，(low-pass filter,LPF)為低通濾波器，用于提取信號的直流重量，A msin(t+)與A m cos(t+)為操縱電路產(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。一次側電流與余弦信號相乘，得到i1（t）*A mcos(wt+)= （A m2）Incos(n+1)wt+n+cos(n-

7、1)wt+n-通過LPF得到直流重量（A m2）I1cos(1-)再與余弦信號相乘，得到i1p，（Am22）I1cos(wt+)cos(1-)= （Am24）I1cos(wt+1)+cos(wt+2-1)一次側電流與正弦信號相乘，得到i1（t）*A msin(wt+)= （A m2）Insin(n+1)wt+n-sin(n-1)wt+n-通過LPF得到直流重量（-Am22）I1sin(1-) 再與正弦信號相乘，得到i1p，（-Am22）I1sin(wt+)sin(1-) = （Am24）I1cos(wt+1)-cos(wt+2-1)由式(8)與(10)能夠得到指令電流ic*=-L11M（i1-

8、 i1p，-i1q,）=-L11M(1-Am22) I1cos(wt+1)+In cos(nwt+n)= -L11Mi1(n)+(1- Am22) i1(n)比較式(1)、(3)與(11)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Am，可實時改變基波補償系數(shù)的大小。Am與的關系為Am=3 實驗與結果分析為了證明上述理論分析的正確性，依照圖4所示的系統(tǒng)結構圖，設計了一套實驗裝置。系統(tǒng)電壓為110V，系統(tǒng)側串聯(lián)5mH的電感。變壓器的變比為1：1，一次側繞組的自感為92mH，一次側繞組與二次側繞組的互感為91.69mH，二次側繞組的自感為92mH，諧波補償系數(shù)=1.0033。無源電

9、力濾波器參數(shù)為L=14.11mH，C=240F。半導體開關器件為SEMIKRON公司的NPN型IGBT SKM300GB123D。采納TDS2002型數(shù)字示波器記錄了實驗波形，并采納了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。工況1。不加任何濾波器，現(xiàn)在系統(tǒng)電壓電流的波形如圖6所示。 （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)=0，現(xiàn)在系統(tǒng)電壓電流的波形如圖7所示。工況3。只加無源電力濾波器，現(xiàn)在系統(tǒng)電壓電流的波形如圖8所示。（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，現(xiàn)在系統(tǒng)電壓電流的波形如圖9(a)所示。（5）

10、工況5。同時加無源和有源電力濾波器，基波補償系數(shù)=0.51，現(xiàn)在系統(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)提高到0.75，現(xiàn)在系統(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。實驗結果與理論分析相一致。表1 6種工況下系統(tǒng)功率因數(shù)及電流總諧波畸變率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雜的工況(如：27.5

11、kV鐵道牽引系統(tǒng))，可采納3個獨立的單相變壓器和單相逆變器的電路結構；用于高壓交流電力系統(tǒng)時，由于系統(tǒng)的容量專門大，為了提高有源電力濾波器的容量，變壓器需采納二次側多補償繞組的結構。課程設計體會通過本次的課程設計，我有了專門大的收獲。由于諧波對電網(wǎng)的阻礙使我們的一些實際運行的結果失真。通過本次的設計，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。能夠抑制高次諧波對電網(wǎng)及設備的阻礙。通過本次的設計，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專門好的鍛煉機會。在今后踏出學園后

12、不是一個只會紙上談兵的大學生。做一個能夠實戰(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)了我接著研究的興趣。我會在接下來的專業(yè)課程學習中更加的努力學習，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計中給予我關心的老師和同學，假如沒有他們的關心就不能順利的完成此次設計。 參考文獻1吳竟昌，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學報，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，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報，20047劉飛，鄒云屏，李輝C型混合有源電力