有源电力滤波器直流电容参数的确定

2016-01-20吴必瑞,杨益,谢善娟等

中原工学院学报 2015年4期

有源电力滤波器直流电容参数的确定

吴必瑞1, 杨益2, 谢善娟1, 裴素萍2

(1.宁德师范学院，福建宁德 352100； 2.中原工学院，郑州 450007)

摘要：根据有源电力滤波的原理与数学模型给出了直流电容电压的确定原则。分析了APF直流侧电压波动的原因，在Matlab/Simulink中以三相不可控负载为例，分析了电容值的确定方法，并实验验证了其有效性。

关键词：有源电力滤波器；直流电容参数；能量流动；瞬时无功理论

收稿日期：2014-11-13

基金项目：宁德师范学院服务海西建设项目

作者简介：吴必瑞(1981-)，男，福建宁德人，讲师，硕士，主要研究方向为电气自动控制系统。

文章编号：1671-6906(2015)04-0024-04

中图分类号：TM714

文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2015.04.006

Abstract:Based on the active power filter principle and mathematical model, this paper proposes a dc capacitor voltage determination method. Based on the instantaneous reactive power theory, the energy flow relationships for different compensation aims are analyzed. The reasons of the voltage fluctuations are analyzed. Taking a three phase uncontrollable load as an example, the blindness of the capacitor parameter selection is made by Matlab/Simulink. Finally the effectiveness is verified by the simulation and experiment results.

并联型有源电力滤波器(APF)是一种治理动态谐波的装置，兼有有源滤波器和无源滤波器的特点，具有无功补偿和谐波治理功能及电网阻抗特性影响较小等优点[1-2]。随着现代电力电子技术的飞速发展，电力系统的电压和电流波形畸变日趋严重，极大地影响了电力系统的安全运行[3]。于晶荣等研究了APF改进的重复控制优化设计问题[4]；于士启等提出了混合型有源电力滤波器主电路优化设计方法[5]；汤赐和吴敬兵等分析了新型注入式混合有源滤波器的数学模型及电流控制方法和有源滤波器滞环电流控制的矢量方法[6-7]；常鹏飞等研究了一种混合有源电力滤波器的电流控制方法[8]；缑新科等研究了三相四线有源电力滤波器直流侧电压的控制方法[9]；巫付专等研究了并联混合型有源电力滤波器仿真分析方法[10]；李圣清等对有源电力滤波器中连接电感的特性及优化方法进行了分析[11]。为了保证APF具有良好的动态性能，直流侧电容的电压应为合理的稳定值。稳定的直流侧电压，除了采用一定的控制策略外，电容的参数选取也较为关键。本文在文献[11]的基础上研究APF直流电容的参数确定。根据瞬时无功理论，分析在不同补偿情况下APF交直流两侧能量的流动关系。在Matlab/Simulink中搭建仿真模块，以三相不可控负载为例分析了直流电容的计算方法。

1APF工作原理及能量流动

1.1APF工作原理

APF主要由有源部分和电路构成。主电路由三相桥式PWM变流器、电容器、电力电子开关器件、滤波电感等器件组成。控制系统由开关器件驱动电路、电流采集及运算电路、控制电路等组成。APF的工作原理如图1所示。

图1　APF工作原理图

APF主电路的工作状态是由三相桥式电路中的开关器件控制。当电源电压满足ea+eb+ec=0，电源电流满足ica+icb+icc=0时，主电路可用微分方程描述为：

(1)

其中：ua、ub、uc分别是各相桥臂中点与电源中点之间的电压，ua=kaUc，ub=kbUc，uc=kcUc；ka、kb、kc为开关系数。

三相桥式电路中开关器件的导通情况由采样时刻电流Δic的极性决定。以a相电源为例，当电流Δica>0时，ka<0；相反，当Δica<0时，ka>0，这样可减小电流参考值的绝对误差，实现补偿电流自动跟踪参考信号的变化。例如取k为二进制数101时，则需减小a和c两相电流，增大b相电流，即若使a、c两相上桥臂导通、b相下桥臂导通，则对应桥臂系数为：ka=1/3，kb=-2/3，kc=1/3。忽略并联变流器的交流侧线路的等效电阻，式(1)变为：

(2)

Udc≥3Um

(3)

1.2APF能量流动分析

由交流侧的瞬时无功理论可知：

(4)

式中：pa、pb、pc为瞬时有功功率；qa、qb、qc为瞬时无功功率。式中三相总的瞬时无功功率为零，这表明无功交换发生在三相之间，交流侧和直流侧之间没有无功交换。在无损耗情况下，有功功率完全由交流侧传递到直流侧，即交直流两侧的交换能量由瞬时有功功率决定。当电源输出的瞬时有功功率和瞬时无功功率分别为ps和qs时，滤波器输出的瞬时有功功率和瞬时无功功率分别为pa和qa,负载消耗的瞬时有功功率和瞬时无功功率分别为pl和ql。当补偿谐波时，负载所消耗功率的交流分量由滤波器提供，即:

(5)

电源输出的功率关系为：

(6)

此时电流的基波分量为负载所消耗的瞬时功率的直流分量，APF提供负载所需的瞬时功率的交流分量。由于瞬时无功功率只在APF交流侧进行交换，APF两侧交换的能量只有瞬时有功功率交流的分量，故对应的平均值为零。只补偿谐波时能量流动关系如图2(a)所示，当负载进行无功补偿时所需的瞬时有功功率分量和无功功率分量分别由电源和滤波器提供，此时APF交直流两侧无能量流动。当对谐波和无功功率同时补偿时，能量流动示意图如图2(b)所示。此时，负载所需的瞬时无功功率、瞬时有功功率交流分量都由滤波器提供，电源只提供瞬时有功功率的直流分量。

(a)只补偿谐波　　　 (b)同时补偿谐波与无功功率图2　APF能量流动示意图

2补偿电容值的计算

若要确保APF具有良好的电流补偿性能，应选取合适的直流侧电容值。当电容耐压一定时，其容值越大，越有利于电压的稳定，但增加电容值的大小会导致产品的成本性价比降低。电容电压的波动主要是由能量交换引起的，根据对APF能量流动关系的分析可知，当忽略变流器等损耗时，由于只补偿无功功率，交直流两侧交换能量为零，因此电容提供的直流电压值为零。在其他两种情况下，负载消耗瞬时有功功率的交流分量为APF交直流两侧交换的能量，其平均值也为零，会引起直流侧电压值的变化。

假设无畸变三相电源电压公式为：

(7)

则负载电流公式为：

(8)

由瞬时无功理论可知，负载的瞬时有功功率和瞬时无功功率为：

(9)

式中，U为电源的有效值。引起直流电容电压波动的瞬时有功功率交流分量为：

(10)

当负载为三相桥式全控整流电路时，5次谐波的波动最为明显，忽略其他高次谐波可得：

(11)

交直流两侧的能量流动大小与电源变化有关，也与补偿控制策略有关。能量流动的多少决定了直流电压的波动大小。能量流动与直流电压的波动关系如式(12)所示。

(12)

式中：T表示电网电压的周期；PC为交直流两侧流动的总有功功率。当直流电压控制方法不同时，计算电容值时应进行相应调整。

3仿真与实验结果分析

在Matlab仿真软件中搭建Simulink仿真模型。选用三相三线制相电压为220 V、频率为50 Hz的三相不可控负载。根据上述计算方法计算可得电容值为470 μF，直流侧电压为900 V。采用ip、iq瞬时值检测法产生指令电流，利用三角波比较法使输出电流自动跟踪给定的指令电流，对谐波补偿电流的实际值与谐波电流的指令值的偏差作PI调节，取仿真参数：kp=8，ki=0.01。运行的仿真图如图3所示，其中时间轴(横轴)为10 ms/格。从图3中可以看出，电压的取值近似为900 V。

图3　直流电容电压 Matlab/Simulink仿真图

根据以上原理及计算分析构造实验样机，选择的参数为：工频50 Hz；相电压220 V；负载相电流基波有效值10.5 A；电容的标称为550 V/1000 μF，其中1 000 μF的电容是通过两个500 μF的电容并联等效而成，为了实现并联电容的均压，在每个电容上面并联一个75 K的电阻；直流侧电压为900 V；开关管频率为12.8 kHz。补偿前三相电源电流如图4所示，补偿后三相电源电流如图5所示，图中横轴(时间轴)为10 ms/格，纵轴(电流轴)为20 A/格。

图4　补偿前三相负载电源电流波形图

图5　补偿后三相负载电源电流波形图

实验结果表明，电源电流总谐波畸变率(THD)从补偿前的27.8%下降到补偿后的4.77%。图6为采用10∶1霍尔电压传感器测量得到的直流电容电压波形，图中横轴(时间轴)为4 ms/格，纵轴(电压轴)为20 V/格。

图6　直流电容电压波形

由图6可知，电容电压波动≤6 V。以900 V的直流电容电压为标准计算可得纹波系数值为0.54%，说明直流环节的控制效果较好，波动大小在实际要求范围之内。

4结语

APF多用于抑制电力电子装置的谐波，随着理论研究的完善，其在电能质量的改善方面也起到越来越大的作用。APF进行谐波抑制和无功补偿时，重要的是选取合适的电感和电容参数，采用先进的控制算法。实验结果表明，使用本文方法确定的APF直流电容电压波动小于6 V，补偿后电流的总谐波畸变率(THD)值小于5%，效果较好。

参考文献:

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[8]常鹏飞,曾继伦,土彤,等. 三相四线有源电力滤波器直流侧电压控制方法[J].电力系统自动化,2005,29(8):75-78.

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[10]巫付专,万健如,沈虹.基于不同电流跟踪方式APF连接电感选取与设计[J].电力电子技术,2009，43(8)：10-14.

[11]李圣清,栗伟周,徐文祥. 微电网储能单元与有源电力滤波器的组合研究[J].电力系统保护与控制, 2013,41(18):56-60.