选择性有源滤波器治理12脉波整流器的谐波
2012-09-25姚自立陆红学
姚自立,夏 华,,陆红学,李 晟
(1.中冶华天工程技术有限公司,安徽 马鞍山243005 2.中冶华天马鞍山电力滤波有限公司,安徽 马鞍山243005 3.安徽省电能质量治理省级实验室,安徽 马鞍山243005)
0 引 言
近年来,电力电子装置的广泛应用使电网系统的谐波污染和低功率因数问题日益严重,极大地影响了供电质量。因此,对电网谐波采取有效抑制并对无功功率进行补偿已经成为电力系统中一个重要课题。并联型有源滤波器(APF)作为电能质量治理的一个分支,它不仅能抑制谐波,还可实现无功补偿,因此并联型APF得到了高度重视和日益广泛的应用。APF的滤波性能不受系统阻抗的影响,不会与系统阻抗发生串联或并联谐振,系统结构的变化不会影响治理效果。APF根据需求的不同,设计不同的谐波补偿功能,在某些情况下,APF需要滤除特定次的谐波分量或特定组的谐波分量。APF通过恰当的控制,可以选择性的滤除特定次或特定组的谐波电流,称为选择性APF。用户对负荷的谐波治理,就是使公共连接点处的总谐波畸变率满足标准规定的限值要求,各单次谐波占有率也不超过允许的最大限值,而不需要滤除负荷的全部谐波。用户在进行谐波治理时可首先分析负荷的谐波,根据负荷的谐波特性和标准规定的限值,综合考虑,确定负荷的哪些次数谐波需要滤除,最后采用选择性APF滤除这些次数的谐波。本文主要研究的是选择性APF对负荷为12脉波整流器的电能质量治理,选择性APF对其它类型负荷的电能质量治理与之类似。
1 12脉波整流器及其电能质量治理简介
12脉波整流器由一个整流变压器和两个三相桥式电路构成,整流变压器为三绕组变压器,两个三相桥式电路对称,并分别与整流变压器的两个低压绕组连接。12脉波整流器通过两个6脉波三相桥式电路的组合,可以实现12脉动的效果。12脉波整流器可采用在整流变压器低压侧或高压侧并联APF进行电能质量治理。目前常见的APF是低压APF,低压侧电能质量治理可直接连接低压APF在12脉波整流器的低压侧,高压侧电能质量治理要通过变压器将低压APF连接在12脉波整流器的高压侧。低压侧电能质量治理直接在低压侧抑制谐波电流和补偿无功功率,可减小整流变压器的损耗,增大整流变压器的输出效率。而高压侧电能质量治理不仅对整流变压器没有改善,还需要变压器,所以就经济成本而言,低压侧电能质量治理较为合理。
本文采用低压侧电能质量治理,其结构图如图1所示,12脉波整流器的两个三相桥式电路各对称并联一个APF。为了降低成本,提高APF的性价比,每个APF还并联一组投切电容器,补偿负荷的无功功率。如图2所示,APF采用三单相桥结构。
图1 12脉波整流器电能质量冶理的结构示意图
图2 三单相桥型有源滤波器的主电路结构图
APF对12脉波整流器的电能质量治理,主要是对12脉波整流器进行无功补偿和谐波治理。其无功补偿比较容易实现,而谐波治理比较复杂,本文着重研究负荷的谐波治理。12脉波整流器的低压侧为两个对称三相桥式整流电路,其低压侧谐波主要为5次、7次、11次、13次、17次和19次等,其中5次、7次、11次和13次谐波较大。两个对称三相桥式整流电路产生的5次、7次谐波电流在整流变压器一次绕组内迭加,使5次、7次谐波电流相互抵消,故高压侧谐波主要为11次、13次、17次和19次等,其中11次与13次谐波较大。基于12脉波整流器的这种谐波特性,选择性APF对12脉波整流器在低压侧的谐波治理采用滤除负荷较大的谐波,又因为5次和7次谐波在高压侧相互抵消,所以低压侧只需要滤除11次和13次谐波,而不需滤除5次和7次谐波。采用这种选择性APF治理12脉波整流器的谐波,可使所需的APF容量最小,成本最低,并且治理后公共连接点处的总谐波畸变率和各次谐波占有率满足标准规定的限值。同时,选择性APF还进行无功功率的动态补偿。
2 有源滤波器谐波及无功电流的检测方法
APF需要对谐波和无功进行快速的跟踪补偿,为保证APF补偿电流的准确、实时跟踪,谐波和无功电流的瞬时检测技术是一个关键环节。为了更加准确、迅速地检测出电网中瞬时变化的谐波和无功电流,人们提出了各种检测方法。本文采用基于瞬时功率理论的谐波电流检测方法,这种检测方法具有受电源频率变化的影响最小、检测精度高和实时性强等特点。
2.1 APF的基波和谐波电流正序分量检测
2.1.1 基波电流正序分量检测
(1)基波电流正序分量的par k变换
如图3所示,将三相电压ua、ub和uc通过锁相环(PLL),得到与电压同步的信号ωt,从而得到sinωt和cosωt,基波正序分量的par k变换矩阵T1+为:
其中
如图3所示,三相负荷电流为iLa、iLb和iLc,对三相负荷电流进行基波电流正序分量的par k变换得到:
设置低通滤波器(LPF)对iq+进行低通滤波,提取iq+的直流量为。
图3 基波、11次和13次谐波电源正序分量检测原理图
(2)基波正序有功电流
APF必须从电力系统中连续地汲取少量的有功功率,来供给APF的开关损耗和阻性损耗。否则,这个能量将会由直流电容器来提供,使其连续地放电。为了保持直流电压恒定,增加一个直流电压调节器,使APF的损耗所需能量从电力系统中汲取。如图3所示,在直流电压调节器中,设u*d为直流电压的给定值,udi为某一个H桥的直流侧电容电压,将直流电压的给定值u*d与APF三相直流侧电容电压之和的平均值相减,其差值进行PID调节控制,输出量△id作为APF从电网吸收的基波正序有功电流,维持各电容电压之和为定值。
(3)基波正序分量的par k反变换
2.1.2 11次谐波电流正序分量检测
11次谐波电流正序分量的par k变换,如图3所示,对三相负荷电流进行11次谐波电流正序分量的par k变换得到:
如图3所示,LPF对id11+和iq11+进行低通滤波,对滤波后得到的进行11次谐波电流正序分量的park反变换可得:
2.1.3 13次谐波电流正序分量检测
13次谐波电流正序分量检测与11次谐波正序分量检测类似,如图3所示。13次谐波电流正序分量的par k变换得到:
13次谐波电流正序分量的par k反变换得到:
2.2 有源滤波器的谐波电流负序分量检测
为了完全补偿,还必须测量正序分量对应频率的负序分量,这样就完成了各个不合需要的谐波分量的计算,即基波与谐波的正序分量和负序分量的计算,为选择性APF的实现作好了准备。
2.2.1 基波电流负序分量检测
基波电流负序分量的park变换,如图4所示。
图4 基波、11次和13次谐波电源负序分量检测原理图
对三相负荷电流进行基波电流负序分量的par k变换得到:
LPF对id1-和iq1-进行低通滤波,对滤波后得到的和进行基波电流负序分量的par k反变换得到:
2.2.2 11次谐波电流负序分量检测
11次谐波电流负序分量检测与基波负序分量检测类似,如图4所示,11次谐波电流负序分量的par k变换得到:
11次谐波电流负序分量的par k反变换得到:
2.2.3 13次谐波电流负序分量检测
13次谐波电流负序分量检测与11次谐波电流负序分量检测类似,如图4所示。13次谐波电流负序分量的par k变换得到:
13次谐波电流负序分量的par k反变换得到:
2.3 有源滤波器的参考电流计算
设ic*a、ic*b和ic*c为有源滤波器的参考电流,根据图3和图4所示,参考电流计算得到:
3 有源滤波器的控制
3.1 H桥单元电容电压的均衡控制
APF各H桥的开关损耗、参数的分散性和开关器件的触发脉冲延迟等的不同会引起电容电压的不均衡,这些不均衡电容电压会导致H桥功率开关承受的电压不一致,威胁APF的安全运行。本文采用调节各H桥单元等效损耗的方法对电容电压进行均衡控制,具体方法是在直流支撑电容两端并联一个由放电功率开关和放电电阻串联组成的电路,电路结构图如图2所示,通过PWM调制策略控制放电功率开关的导通和关断,调节并联于电容两端的等效电阻值,实现各H桥单元电容电压的均衡控制。这种方法等效于调节该H桥的并联损耗,实现过程简单。
3.2 有源滤波器的电流跟踪控制
APF的控制策略,可归结为在参考电流己知的情况下,如何控制主电路逆变器桥臂的状态,使APF的电流能跟随参考电流的变化。控制策略可分为滞环比较控制、三角波比较控制、无差拍控制等。APF电流跟踪控制的原理图如图5所示,以APF的A相为例,采用滞环比较的控制方式。在该方式中,参考的补偿电流i*ca与实际的补偿电流ica进行比较,两者之差△ica作为滞环比较器的输入,通过滞环比较器产生PWM信号。该PWM信号经驱动电路来控制开关的通断,从而控制补偿电流ica的变化。电流滞环比较调制法是目前应用得非常广泛的一种电流控制方法。该方法的硬件电路简单、易实现,动态响应快,控制精度高;但开关频率、响应速度及电流的跟踪精度易受滞环带宽的影响,带宽固定时又易引发较大的脉动电流和开关噪声。
图5 有源滤波器的滞环比较控制原理图
4 仿真与分析
APF对12脉波整流器进行电能质量治理,两个相同的APF对称连接在整流变压器的两个低压侧,采用Si mulink软件进行仿真。12脉波整流器的低压侧负荷电流图如图6所示。由低压侧负荷电流FFT分析图(图6(b))可知,负荷电流的谐波总畸变率为23.40%,其中5次、7次、11次和13次的谐波含有率大,需要进行谐波治理。
图6 12脉波整流器的低压侧负荷电流图
APF对负荷进行选择性滤波,在低压侧选择性滤除11次和13次谐波并补偿无功,低压侧治理后的电流图如图7所示。根据低压侧治理后的电流FFT分析图(图7(b))可知,11次和13次被抑制,它们的谐波含有率不超过0.5%,而5次和7次的谐波含有率与治理前的基本相同。
图7 12脉波整流器低压侧治理后的电流图
APF对12脉波整流器的电能质量治理后,整流变压器高压侧电流如图8所示。根据治理后高压侧电流FFT分析图(图8(b))可知,电流的总谐波畸变率为1.38%,11次和13次的谐波含有率不超过0.54%,23次和25次的谐波含有率不超过0.74%,5次和7次谐波含有率不超过0.4%。电流的总谐波畸变率满足标准规定,各次谐波含有率也不超过限值。
图8 12脉波整流器治理后高压侧电流图
治理后整流变压器的高压侧电压如图9所示。根据治理后高压侧的电压FFT分析图(图9(b))可知,电压的总谐波畸变率为0.94%,11次和13次的谐波含有率大约为0.05%,23次和25次的谐波含有率大约为0.13%,5次和7次谐波含有率不超过0.02%。电压的总谐波畸变率满足标准规定,各次谐波含有率也不超过限值。
APF选择性滤除12脉波整流器的11次和13次谐波并补偿无功,根据上面仿真结果的分析可知,治理后的谐波电压和谐波电流在PCC处满足标准规定的限值,选择性APF可对12脉波整流器能进行有效的电能质量治理。
图9 12脉波整流器治理后的高压侧电压图
5 总 结
选择性APF对12脉波整流器进行电能质量治理,采用瞬时功率理论检测无功和谐波电流,补偿负荷无功并有选择滤除负荷11次和13次谐波电流。APF的控制策略采用滞环比较的电流跟踪控制,H桥电容电压的均衡控制采用调节各H桥单元等效损耗的方法来实现。为了给APF自身的损耗提供能量,采用PID控制电容电压。根据APF对负荷的电能质量治理仿真结果分析可知,APF治理后负荷的谐波和无功满足标准规定的限值。这种有选择滤除谐波电流和补偿无功的控制方法,减小了APF的容量,降低了滤波装置的成本,提高了APF的性价比。
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