新型高壓大容量混合有源電力濾波裝置的研究

摘 要:提出一種新穎的高壓大容量混合型有源電力濾波電路(HAPF)#65377;無源支路在補(bǔ)償無功功率的同時(shí)還可以濾除因非線性負(fù)載產(chǎn)生的特征諧波電流#65377;有源部分通過耦合變壓器與基波串聯(lián)諧振電路并聯(lián)構(gòu)成串聯(lián)諧振注入式混合有源濾波器#65377;詳細(xì)介紹該新型結(jié)構(gòu)的基本工作原理，分析其諧波補(bǔ)償特性及諧振抑制特，并對(duì)其有源部分的參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究#65377;依此方法為某礦廠研制了高壓大容量混合型有源電力濾波裝置，運(yùn)行結(jié)果表明該裝置能很好的滿足工程需要#65377;

關(guān)鍵詞:諧波抑制;無功補(bǔ)償;參數(shù)設(shè)計(jì);有源電力濾波器

中圖分類號(hào):TM13文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

1 引 言

隨著電力電子器件在工業(yè)中的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)的諧波污染問題日趨嚴(yán)重#65377;諧波不僅影響電氣設(shè)備的正常工作，還給電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來隱患^[1-2]#65377;目前，消除諧波的方法主要有無源濾波器(PPF)#65380;有源濾波器^[3](APF)和混合型濾波器^[4-7](HAPF)#65377;PPF的濾波特性由電網(wǎng)阻抗與濾波支路阻抗的比值決定，并受電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)的影響很大#65377;APF雖能克服PPF存在的缺陷，但受其開關(guān)器件容量和成本等方面的限制，無法獨(dú)立掛載在大功率高壓電網(wǎng)運(yùn)行#65377;而HAPF兼顧了兩者的長處，初期投資小，性價(jià)比高，能滿足高壓大容量系統(tǒng)實(shí)用化的要求，是目前工程應(yīng)用中主要采用的形式^[8]#65377;

文章以高壓大容量系統(tǒng)諧波治理為目的，針對(duì)某礦廠電解整流電源的具體工況，研制了一種高壓大容量混合型有源電力濾波裝置#65377;運(yùn)行結(jié)果表明，該裝置很好的滿足了工程的整體需要#65377;由于目前國內(nèi)有源濾波器的工程應(yīng)用實(shí)例很少，因此該套裝置的設(shè)計(jì)方法對(duì)其它HAPF的工程應(yīng)用可起到一定的指導(dǎo)和借鑒作用#65377;

2 注入式有源電力濾波裝置的結(jié)構(gòu)原理

2.1 主電路結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)以電壓型逆變器(VSI)作為其有源部分，以多組單調(diào)諧濾波器組成的無源濾波器作為其無源部分#65377;有源部分通過耦合變壓器與基波串聯(lián)諧振電路并聯(lián)構(gòu)成串聯(lián)諧振注入式混合有源濾波器#65377;整個(gè)補(bǔ)償裝置與電網(wǎng)并聯(lián)#65377;電壓型逆變器為基于自關(guān)斷器件的脈寬調(diào)制PWM逆變器，直流端為一大電容，VSI的輸出端接有輸出濾波器，以此來濾除開關(guān)器件通斷造成的高頻毛刺#65377;注入支路由電容C1#65380;電感L1和電容CF構(gòu)成，其中電容C1和電感L1構(gòu)成在基波頻率諧振電路#65377;這樣利用C1和L1的基波諧振原理，使有源電力濾波器既不承受基波電壓也不承受基波電流，從而極大地減小了有源電力濾波器的容量，降低有源諧波補(bǔ)償系統(tǒng)的投資，提高性能價(jià)格比，達(dá)到APF實(shí)用化及諧波抑制的目的#65377;

計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化2007年6月第26卷第2期常 春:新型高壓大容量混合有源電力濾波裝置的研究

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 濾波原理分析

整個(gè)補(bǔ)償裝置的單相等效電路如圖2所示#65377;諧波負(fù)載被看作一個(gè)諧波電流源iL，uS為系統(tǒng)電源電壓，有源部分被控制為一個(gè)理想的受控電流源#65377;圖中，LS為電網(wǎng)等效電感，CF#65380;C1#65380;L1#65380;CP#65380;LP分別為注入支路及無源濾波器組的電感和電容#65377;ZSh#65380;ZPh#65380;ZCF#65380;Z1分別為電網(wǎng)阻抗#65380;無源部分阻抗#65380;注入電容阻抗#65380;C1和L1的串聯(lián)阻抗#65377;

由圖2(b)， 并根據(jù)基爾霍夫定律可寫出如下方程:

若將有源部分等效為一個(gè)受控電流源:

式中，iSh為電網(wǎng)支路電流的諧波分量，K為控制放大倍數(shù)#65377;解該方程組得:

從式(6)可以看出，當(dāng)iLh#65380;uSh為一定時(shí)，如果增大K，iSh將減小#65377;當(dāng)值足夠大時(shí)，大部分負(fù)載諧波將流入無源濾波器，達(dá)到了很好的濾波效果#65377;而且，當(dāng)不考慮系統(tǒng)電壓畸變引起的諧波電流時(shí)，即令uSh=0:

從式(4)可以看出，對(duì)于iSh而言，圖3和圖2(a)是等效的，其中Z=KZ1ZPhZCF+Z1+ZPh由圖3可看出，補(bǔ)償裝置的有源部分相當(dāng)于在電網(wǎng)支路串聯(lián)了一個(gè)可控的諧波阻抗，當(dāng)Z足夠大時(shí)，流入電網(wǎng)的諧波電流將會(huì)很小，接近于0，起到抑制諧波電流的作用;同時(shí)可以抑制無源部分與電網(wǎng)阻抗間的并聯(lián)諧振#65377;

3 仿真結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的濾波裝置的可行性，本節(jié)進(jìn)行了仿真分析#65377;

3.1 諧波補(bǔ)償特性分析

定義式(4)為諧波源諧波抑制函數(shù)，利用Matlab軟件對(duì)其進(jìn)行幅頻特性分析#65377;以此來討論本文提出的注入式混合型有源濾波裝置的諧波補(bǔ)償特性#65377;

圖4給出了濾波裝置在不同的控制放大倍數(shù)情況下諧波源諧波抑制函數(shù)的幅頻特性曲線，系統(tǒng)等效電感的取值為LS=0.3mH#65377;

圖4 不同K值時(shí)諧波源諧波抑制函數(shù)幅頻特性[JZ)]

從圖4中可以看出，當(dāng)K=0，即補(bǔ)償裝置只投無源部分時(shí)，只對(duì)固定頻率的諧波及高次諧波有較大的抑制作用#65377;當(dāng)投入有源部分后，從圖中可以看出，所有頻率段的幅頻特性都被下壓，諧波抑制效果有了很大的改善，流入系統(tǒng)的諧波電流很小#65377;圖中分別給出了控制放大倍數(shù)K=10#65380;K=20時(shí)的諧波源諧波抑制函數(shù)的幅頻特性曲線，可見，隨著K值的增大，系統(tǒng)的諧波抑制效果越好#65377;因此，本文提出的濾波裝置具有良好的諧波補(bǔ)償性能#65377;

3.2 抑制諧振性能分析

HAPF不但具有良好的諧波補(bǔ)償性能，還能對(duì)無源支路和系統(tǒng)等效阻抗之間的諧振起到一定的抑制作用#65377;我們?nèi)匀焕?4)式所表示的諧波源諧波抑制函數(shù)，在三維空間中作出它的幅頻特性，并由此來討論補(bǔ)償裝置抑制諧波諧振的性能#65377;

只投無源部分時(shí)，諧波源諧波抑制函數(shù)的幅頻特性如圖5(a)所示，圖5(b)給出的是投入有源部分后的幅頻特性#65377;

由圖(5)可以看出，投入有源部分后，無源支路和系統(tǒng)等效阻抗之間的諧振得到了很好的抑制#65377;

圖5 不同值下的幅頻特性[JZ)]

4 HAPF的研制

HAPF的設(shè)計(jì)主要包括無源支路#65380;有源部分和控制器設(shè)計(jì)等方面的內(nèi)容#65377;HAPF無源部分參數(shù)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)系統(tǒng)需要的無功補(bǔ)償容量和諧波含量的狀況，同時(shí)結(jié)合成本因素，進(jìn)行多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，這方面的內(nèi)容已有相關(guān)的文獻(xiàn)作了專門的探討，因此本文將以高壓大容量混合型有源濾波裝置的設(shè)計(jì)為例，把重點(diǎn)放在有源部分參數(shù)設(shè)計(jì)上#65377;

有源部分的設(shè)計(jì)主要包括大功率逆變器#65380;逆變器直流側(cè)電容電壓和容值#65380;輸出濾波器電感和電容參數(shù)的設(shè)計(jì)#65377;如果這些參數(shù)的設(shè)計(jì)不當(dāng)，將直接影響APF的濾波性能，嚴(yán)重時(shí)還將導(dǎo)致APF因過流#65380;過壓而不能正常工作，甚至毀壞#65377;

4.1 逆變器直流側(cè)電容的設(shè)計(jì)

在直流側(cè)電容的選取方面，直流側(cè)電容的容值越大，電壓波動(dòng)就越小，但電容器的成本也就越高，同時(shí)裝置的體積隨之增大，故在保證電壓波動(dòng)要求的前提下應(yīng)盡量減小直流電容的值#65377;直流側(cè)電容由三相全橋整流電路供電，為APF提供了一個(gè)穩(wěn)定的直流工作電壓Udc，免去了APF控制器對(duì)直流電壓的控制，大大減少了控制算法的復(fù)雜度，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)的直流側(cè)電壓Udc不再因APF輸出功率的變化而產(chǎn)生電壓波動(dòng)，提高了APF輸出的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性#65377;

三相全控橋式電路直流側(cè)電壓平均值Ud為:

考慮關(guān)斷浪涌沖擊電壓，選取直流電容額定電壓值為800V#65377;直流側(cè)電容的容值根據(jù)工程設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)^[9]有以下計(jì)算公式:

式中IF為逆變器的額定輸出電流方均根值(A)，Ud為直流電壓平均值，fmin為逆變器的最低輸出頻率，σ為允許直流電壓頻率低峰值紋波因數(shù)，KΦ為負(fù)載位移因數(shù)角Φ有關(guān)系數(shù)#65377;

4.2 輸出濾波器的設(shè)計(jì)

有源逆變器輸出電壓中除了含有所需的補(bǔ)償電壓外，還含有因功率器件的開斷所帶來的高頻毛刺#65377;因此必須用輸出濾波器將逆變器工作引起的高頻毛刺濾除#65377;

1)輸出濾波器的頻率:一般確定輸出濾波器中電感L和電容C的諧振頻率f0位于中間頻段，使之滿足10f

2)輸出濾波器電感電容的取值:在確定輸出濾波器的諧振頻率后，并不能簡單的按照投資費(fèi)用最小法設(shè)計(jì)電容和電感的值，而需要考慮整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)阻抗#65377;

忽略電網(wǎng)和負(fù)載等阻抗的影響，可以得到上述結(jié)構(gòu)等效到耦合變壓器原邊的單相等效電路，如圖3所示#65377;其中:L′為逆變器輸出電壓，K為耦合變壓器變比#65377;

圖6所示的電路在基波頻率以上只有一個(gè)諧振點(diǎn)，其幅頻特性由諧振點(diǎn)向兩邊不斷地減少#65377;所以在設(shè)計(jì)輸出濾波器和耦合變壓器時(shí)，應(yīng)該把這個(gè)諧振點(diǎn)盡可能地設(shè)計(jì)在需要發(fā)出的主要特征諧波的中間，以便在需要發(fā)出的特征次諧波點(diǎn)取得較高的幅值系數(shù)，從而降低逆變器所需的電壓等級(jí)#65377;即:

其中，ωn為理想諧振點(diǎn)的頻率#65377;因此確定Lo和Co的諧振頻率后，由式(7)即可獲得Lo和Co的參數(shù)#65377;

5 工程應(yīng)用

為某礦廠研制的大功率混合型有源電力濾波裝置已經(jīng)投入運(yùn)行#65377;該裝置無源部分由和次LC濾波器組成;注入支路的諧振頻率為6次#65377;HAPF的具體參數(shù)見附錄#65377;

從圖7的波形圖可以看出，該補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行后，5次#65380;7次#65380;11次及13次特征諧波得到很好的抑制;同時(shí)，功率因數(shù)從0.55提高到0.91#65377;并且，在投運(yùn)過程中沒有出現(xiàn)諧振現(xiàn)象#65377;符合無功補(bǔ)償及諧波治理的標(biāo)準(zhǔn)，滿足了工程需要#65377;

6 結(jié) 論

本文提出的高壓大容量混合型有源濾波裝置適用于高壓系統(tǒng)，并具有大容量的諧波與無功補(bǔ)償能力#65377;現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行該套裝置能夠很好的抑制電網(wǎng)諧波，并能補(bǔ)償一定的無功功率，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)要求，且具有良好的經(jīng)濟(jì)#65380;社會(huì)效益，應(yīng)用前景廣闊#65377;

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。