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有源电力滤波控制技术研究及应用

2021-11-30张洋

科学与信息化 2021年17期
关键词:有源并联谐波

张洋

北京建工建筑设计研究院(天津分院) 天津 300000

引言

近年来,配电网中各类电子装置数量及种类呈上升态势,造成负荷非线性、不均衡,致使电力系统电压、电流发生畸变,影响供电实际质量。传统对谐波抑制方式多选用LC滤波器,由于其整体构造简易,技术成熟度高,具有良好的紧急性,普遍应用于工业生产中。电力电子技术发展,人们积极提出有效抑制谐波和补偿无功的有源电子滤波器,与无源滤波器相较,更具可控化及高响应速率,其特性不受系统干扰,具有良好的经济及社会效益。

1 有源电力滤波器基本原理

电力电子技术高速发展背景下,带来优势的同时,新问题随之显现,形成大量电磁辐射,以及对电网的谐波污染等。通常为进一步抑制谐波形成,包含两种解决方式,即主动式、被动式,前者主要是依托先进的变流技术,将电力电子装置中形成谐波降至最低;后者主要是通过安装电力滤波器,对已经投入运行中电力电子装置,该方式是最佳选择。有源电力滤波器分类标准不一,最终划分的类别存在差异性,立足与负载连接形式,可划分为两种形式,即并联型、串联型,其中并联型应用频次较高,主要应用于补偿可视为电流源的谐波源,串联型主要用于补偿可视为电压型的谐波源。为有效降低有源电力滤波器实际容量,提出混合型有源电力滤波器[1]。

1.1 并联型有源电力滤波器基本原理

有源滤波器与负载端连接形式为并联,核心工作原理是按照检测负载谐波实际电流分量,对有源滤波器进行有效控制,促使其形成一个反方向电流,如此消除电网中谐波电流成分,进而实现补偿成效。有源电力滤波器系统主要由两大部分构成,即指令电流运算电路、补偿电流发生电路,前者主要目标是准确检测需补偿的非线性负载电流中谐波、无功分量;后者需基于上述指令运算电路输出参考电流产生的补偿电路,其中包含控制电路及主电路。

1.2 串联型有源滤波器基本原理

串联型有源电力滤波器工作原理是:三相电源作为二极管桥式整流供电,由电力MOSFET构成的三相桥式逆变器是APF主电路。谐波实际进行补偿时,APF依托补偿变压器与电源及桥式整流电路交流间衔接,主要选用串联衔接方式,所以称之为串联型。处于实际工作状态时,通过控制APF产生电压,与实际负载谐波电压数值相同,且呈反方向,以此消除负载形成的谐波电压,保证配电网中谐波电流归零。因此,从本质层面分析,串联型APF受控电压源。

2 单位功率因数控制在有源电力滤波器中的应用

有源电力滤波系统核心技术在于,如何高效实现实时检测负载电流中无功分量,以及需补充的电流指令信号,其信息获取精准性,对有源电力滤波系统整体性能造成干扰。瞬时无功功率推广及应用以来,在有源电力滤波器中普遍应用,但该理论仍存在一定局限性,为消除该理论瓶颈,尝试提出基于单位功率因素非有功电流检测方法及补偿方案,具有良好的应用优势,不仅可实时检测需补偿参考电流、无须进行烦琐计算,而且负载变化较快条件下进行实时跟踪、特别是三相四线制应用成效较佳。

2.1 基于单位功率因数的谐波电流补偿

基于单位功率因数控制策略,根本目的在于促使非线性负载和滤波器形成一个完成整体,将其并联等效为电阻性负载,设定初期电网电压中并未产生畸变。若增加相应滤波器之后负载侧输入阻抗为电阻性,补偿之后电网侧电流与电压频次相同,且不含有是谐波成分。

2.1.1 阻感负载单相整流电路仿真研究。为进一步验证基于单位功率因数谐波检测及补偿方式有效性,对单项整流电路进行仿真,忽视实际换相过程中电流形成脉动,交流侧实际电抗归零,直流电感较大,将其可视为具有典范的谐波电流源。实际补偿之前电路形态为方波,其实际有效数值与直流侧负载电流保持一致,对其进行补偿完成之后,电源电流波形成为理想的正弦波。

2.1.2 基于单位功率因数检测方法动态特性研究。随微处理器良好发展,各检测算法中耗损时间不断缩短,进而可将其时间忽略不计,所以检测动态响应速率核心源于低通滤波器的固定延时,所以对其进行合理设计十分关键。首先,滤波器类型选取。一般使用频次较高的滤波器类型包含多个,对其进行研究实践分析,立足检测精准度分析ELLiPtie滤波器最佳。其次,滤波器截止频率选择。为进一步提高检测精准度,截止频率选择越低越好,但此种方式会延长时间,影响整个动态响应速率。因此,一味追求截止频率过低,不仅不会对动态响应具有促进作用,反之使用数字滤波器实现,影响检测精准度,通常将其控制在20Hz-40Hz即可。最后,滤波阶数的选择。滤波阶数与检测精准度成正相关,但影响动态响应速率,若选用数字滤波器,增强计算量,提高检测时间延长。因此,实际工作中需综合考量各方面因素,一般选取二阶滤波器[2]。

2.2 单位功率因数控制策略在串联型有源电力滤波器中应用

传统串联型有源电力滤波器常规控制方式包含三种模式,即检测电源电流控制方式、检测负载电压控制方式、两者综合模式,不同控制模式下呈现特征及成效不尽相同。其中第一种控制方式,串联型APF视为一个受控电压源,可控制APF形成一个超过其谐波电流的谐波电压,其谐波阻接近无限大时,电源电流呈现为不含有谐波正弦电流。此种控制方式在于将电流引入闭环控制中,不仅补偿负载谐波电压形成的电源电流畸变,而且可补偿电网电压引起的电流畸变,实际补充成效与其自身阻值密切相关。第二种控制方式属于开环控制,具有一定不稳定问题,相较第一种补偿成效较佳,其实际补偿成效与谐波阻值并无关联。第三种复合控制方式,保证检测电压控制方式优势同时,可将k值取小,以免系统进入不稳定区域内,进而消除检测电流控制方式瓶颈。基于单位功率因数控制策略核心目的在于,促使非线性负载和滤波器组合等效为纯电阻负载[3]。

3 基于谐波电压检测的并联混合型有源电力滤波器控制方案

并联混合型有源电力滤波器,将有源和无源滤波器串联之后,与非线性负载以并联方式衔接,通过无源滤波器隔离基波电压,最大限度发挥无源、有源滤波器自身优势,突破其自身瓶颈,不仅有效解决绝缘问题,而且降低成本支出。并联混合型有源电力滤波器常规控制方案分析,具有一定优势同时,需持续性保持阻值取足够大,但以此引起系统缺乏稳定性。为有效解决上述矛盾,提出基于谐波电压检测的并联混合型滤波器控制方案。

3.1 基于谐波电压检测控制方案实现

按照上述实际工作原理,控制电路需实时检测无源滤波器两端谐波电压,并将其转换为电压补偿指令信号,促使发生器实时形成谐波电压,进而对处于动态化变化的谐波达成实时跟踪补偿目标。并联混合型滤波器整体构成包含三大模块,即谐波检测、PWM发生器、基波电压控制。谐波电压实际检测主要是基于正弦函数特征,明确实际基准信号,无须选用固定频率的滤波器,整体结构较为简易。并联型有源电力滤波器,与单一使用的滤波器相较,唯一不同点在于直流点压测闭环中控制量不同。

3.2 有源滤波主电路参数选择

一方面,滤波电感。有源滤波电感与实际两端电压值成正相关,由于其开关逆变器实际电压较低,最终直流侧电容电压较小,整体滤波感应值较小。另一方面,直流侧电容。按照实际可允许范围内电压脉动率,最终明确电容器容量。通常实际状况下,电容器容量可选取装置补偿容量的10%-20%,具体应用过程中,取电容值稍大一点更好。与常规并联型有源滤波器相较,混合型滤波器还应将特定量的基波无功电流补偿。因此,若想从本质上降低有源滤波器实际容量,则需将有源滤波器上电压降低。

3.3 基于谐波电压检测的并联混合型APF仿真研究

基于带感性负载单项整流电路,阐述并联混合型滤波器实际工作流程,其主要包含三大构成模块,即分整流器、无源滤波器、有源滤波器。通过实际仿真试验之后,系统性将其进行分析,无源滤波器投入可将大量谐波消除,有效改善电压波形,但由于无源滤波器频率出现偏移,无法全部消除谐波,混合滤波器的有源部分投入之后,进一步消除谐波分量。

4 结束语

有源电力滤波是治理配电网谐波有效措施之一,其与无源电力滤波器相较,具有不可替代的优势,不仅可将谐波电流补偿之外,而且还可抑制电压闪变、三相电压等。立足国内外实际应用现状,充分应用有源电力滤波消除谐波及无功补偿,是未来主要发展趋势,但其整体电路结构和控制技术需不断完善。应不断加大对有源电力滤波器研究,提出有效的检测方式及控制策略。

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