有源電力濾波器電容參數(shù)確定的研究

摘要：有源電力濾波器電容參數(shù)選取直接影響到補(bǔ)償?shù)男Ч?，但目前?duì)電容參數(shù)的選取卻存在一定盲目性。本文根據(jù)有源電力濾波的原理給出了直流電容電壓的確定原則，根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功理論分析了交直流側(cè)能量的流動(dòng)關(guān)系，得出了變流器的有功損耗和瞬時(shí)有功功率交流分量是引起電壓波動(dòng)的原因。最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)直流電容參數(shù)的確定進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：有源電力濾波器 直流電容參數(shù) 能量流動(dòng) 瞬時(shí)無(wú)功理論

1 概述

電力電子技術(shù)的應(yīng)用改善了電力系統(tǒng)的性能，但是也帶來了電網(wǎng)中諧波的污染問題。隨著人們對(duì)電力環(huán)境優(yōu)化要求的提高，對(duì)諧波進(jìn)行治理的技術(shù)也成為人們研究的熱點(diǎn)。電力系統(tǒng)的諧波問題早在20世紀(jì)20年代和30年代就引起了人們的注意。當(dāng)時(shí)在德國(guó)，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。1945年J.C.Read發(fā)表的有關(guān)變流器諧波的論文是早期有關(guān)諧波研究的經(jīng)典論文。

有源電力濾波器是治理諧波的最優(yōu)產(chǎn)品。參考文獻(xiàn)[1]中提出了有源電力濾波的瞬時(shí)無(wú)功理論，參考文獻(xiàn)[2]分析了有源電力濾波器在非理想條件下電流滯環(huán)控制，參考文獻(xiàn)[3]研究了新型注入式混合有源濾波器的數(shù)學(xué)模型及電流控制方法，文獻(xiàn)[4]分析了并聯(lián)有源濾波器的最優(yōu)電壓滯環(huán)電流控制和有源濾波器滯環(huán)電流控制的矢量方法，對(duì)不同電流跟蹤方式APF連接電感選取與設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。并且對(duì)有源電力濾波器中連接電感的特性分析及優(yōu)化進(jìn)行了分析。但對(duì)有源電力濾波器直流側(cè)電容的參數(shù)如何確定涉及的文獻(xiàn)較少。本文根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功理論分析了用于不同補(bǔ)償目的時(shí)有源濾波變流器交直流側(cè)能量的流動(dòng)關(guān)系，給出了變流器的有功損耗和瞬時(shí)有功功率交流分量是引起電壓波動(dòng)的原因，以三相不可控負(fù)載為例給出了電容值選取的具體計(jì)算方法。

2 APF工作原理及能量流動(dòng)分析

有源電力濾波器（APF）的組成分為兩部分。第一部分電路系統(tǒng)是指令運(yùn)算，第二部分電路系統(tǒng)是補(bǔ)償電流。系統(tǒng)的主要電路包含PWM變流器，緩沖電路，直流側(cè)電容電路，交流側(cè)電感幾部分組合而成?？刂葡到y(tǒng)組成分為三部分。第一部分為指令運(yùn)算，第二部分為電流跟蹤，第三部分為驅(qū)動(dòng)電路。APF的主電路是通過6組開關(guān)器件來進(jìn)行控制的，通過這些開關(guān)器件的通斷組合來決定主電路的工作狀態(tài)。

如果忽略各部分的損耗其交流側(cè)的瞬時(shí)有功功率將全部傳遞到直流側(cè)。即交直流側(cè)的能量交換主要取決于瞬時(shí)有功功率P，從而引起直流電壓波動(dòng)。假設(shè)電源提供的瞬時(shí)有功和瞬時(shí)無(wú)功功率為pS和qS，濾波器提供的瞬時(shí)有功和瞬時(shí)無(wú)功功率為pA和qA，負(fù)載的瞬時(shí)有功和瞬時(shí)無(wú)功功率為pL和qL。當(dāng)只補(bǔ)諧波時(shí)負(fù)載所需的瞬時(shí)有功和無(wú)功率的交流分量由濾波器提供。此時(shí)電源只需提供負(fù)載所需的瞬時(shí)有功和無(wú)功率的直流流分量，即對(duì)應(yīng)電流的基波分量。有源濾波器提供負(fù)載所需的瞬時(shí)有功和無(wú)功率的交流分量。由于瞬時(shí)無(wú)功只在交流側(cè)三相之間進(jìn)行，在APF交直流側(cè)進(jìn)行交換的能量只有瞬時(shí)有功交流的分量，其平均值為零。當(dāng)只補(bǔ)無(wú)功時(shí)負(fù)載所需的瞬時(shí)無(wú)功率分量由濾波器提供，有功分量由電源提供。此時(shí)APF交直流側(cè)沒有能量交換。當(dāng)同時(shí)補(bǔ)償諧波和無(wú)功時(shí)，負(fù)載所需的瞬時(shí)無(wú)功功率由濾波器提供，負(fù)載所需的瞬時(shí)有功功率交流分量由濾波器提供，瞬時(shí)有功功率直流分量又電源提供。在APF交直流側(cè)進(jìn)行交換的能量只有瞬時(shí)有功交流的分量。

3 補(bǔ)償電容值的計(jì)算

電容電壓的波動(dòng)主要是由能量交換引起。在忽略變流器等損耗的情況下，在只補(bǔ)無(wú)功時(shí)交直流側(cè)能量交換為零，電容值提供直流電壓，容值可為零；對(duì)于其他兩種情況，有源電力濾波交直流側(cè)能量交換為負(fù)載的瞬時(shí)有功的交流分量。雖然其平均值為零，但是其將會(huì)引起直流側(cè)電壓的波動(dòng)。

假設(shè)電源電壓無(wú)畸變，電源電壓三相電壓，且負(fù)載電流為三相電流，由瞬時(shí)無(wú)功理論可求得負(fù)載的瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功率。電容的C值由關(guān)系式∫%pdt=0.5×C×(Udc+△Udc)2-0.5×C×Udc2確定。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用Matlab/ Simulin進(jìn)行仿真。直流電容電壓的仿真圖如圖所示，仿真模型負(fù)載選用相電壓220V三相不可控負(fù)載。采用ip-iq法產(chǎn)生指令電流，利用三角波比較法使輸出電流跟蹤指令電流，直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定采用PI調(diào)節(jié)，KP=8，Ki=0.01。時(shí)間每格為10ms。通過具體的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，得到的電源電流的THD值也從25%下降到4.8%。實(shí)測(cè)直流電容電壓波形中，電壓每格20V（采用10:1霍爾），時(shí)間每格為4ms。從直流電容電壓波形圖分析中可以看到周期性的波動(dòng)，其上下波動(dòng)的變化范圍在±5V，如果直流電容電壓是900V的話，測(cè)量的紋波為0.55%。由以上的測(cè)量結(jié)果可以看出本系統(tǒng)對(duì)直流環(huán)節(jié)具有較好的控制效果，其直流波動(dòng)指標(biāo)可以滿足要求。

5 結(jié)論

對(duì)于有源電力濾波而言，要想取得良好的補(bǔ)償效果，除了需要先進(jìn)的算法和控制策略外，其電容參數(shù)的選取同樣重要。本文根據(jù)有源電力濾波的原理與數(shù)學(xué)模型分析了直流電容電壓和電網(wǎng)電壓的關(guān)系，得出了直流電容電壓的確定原則；根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功理論分析了只補(bǔ)諧波或者只補(bǔ)無(wú)功和兩者同時(shí)補(bǔ)償時(shí)有源濾波交直流側(cè)能量的流動(dòng)關(guān)系，給出了變流器的有功損耗和瞬時(shí)有功功率交流分量是引起電壓波動(dòng)的主要原因；以三相不可控負(fù)載為例給出了電容值選取的計(jì)算方法；最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)利對(duì)直流電容參數(shù)的確定進(jìn)行了驗(yàn)證，電容的波動(dòng)小于5V，補(bǔ)償后電流的THD值小于5%，取得了理想的效果。

參考文獻(xiàn):

[1]王兆安，楊君等.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償「M].北京:機(jī)械械工業(yè)出版，1998.

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