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有源電力濾波器設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2010-8-2 16:42    發(fā)布者:lavida
關(guān)鍵詞: 電力 , 濾波器 , 有源
近年來(lái),公用電網(wǎng)受到了諧波電流和諧波電壓的嚴(yán)重污染,而電力電子裝置是其主要的諧波污染源。隨著電力電子裝置的日益廣泛應(yīng)用,電網(wǎng)中的諧波污染也日益嚴(yán)重,并影響到供電質(zhì)量和用戶使用的安全性,因此電網(wǎng)諧波污染的治理越來(lái)越受到關(guān)注。

有源電力濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功功率的新型電力電子裝置,能對(duì)大小和頻率都變化的諧波及無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償。和傳統(tǒng)的無(wú)源濾波器相比,有突出的優(yōu)點(diǎn)。

(1)對(duì)各次諧波和分?jǐn)?shù)諧波均能有效地抑制,且可提高功率因數(shù);
(2)系統(tǒng)阻抗和頻率發(fā)生波動(dòng)時(shí),不會(huì)影響補(bǔ)償效果。并能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償,且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響;
(3)不會(huì)產(chǎn)生諧振現(xiàn)象,且能抑制由于外電路的諧振產(chǎn)生的諧波電流的變化;
(4)用一臺(tái)裝置就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各次諧波和基波無(wú)功功率的補(bǔ)償;
(5)不存在過(guò)載問(wèn)題,即當(dāng)系統(tǒng)中諧波較大時(shí),裝置仍可運(yùn)行,無(wú)需斷開(kāi)等。

由以上可看出,它克服了傳統(tǒng)的無(wú)源濾波器的缺點(diǎn),具有良好的調(diào)節(jié)性能,因而有很大的發(fā)展前途。

本文對(duì)適用于電力系統(tǒng)的有源電力濾波器的原理和設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。  

1 有源電力濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

有源電力濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖l所示。  


  
有源電力濾波器的基本工作原理是:實(shí)時(shí)檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓和電流,經(jīng)指令電流運(yùn)算單元計(jì)算出補(bǔ)償電流指令信號(hào),該信號(hào)經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路放大產(chǎn)生補(bǔ)償電流,補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中需用補(bǔ)償?shù)闹C渡及無(wú)功等電流抵消,最終得到期望的電源電流。在圖1中的體現(xiàn)是,當(dāng)需要補(bǔ)償負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流時(shí),有源電力濾波器檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象負(fù)載電流iL中的諧波分量iLb后,將其反極性作為補(bǔ)償電流的指令信號(hào)iC*,再由補(bǔ)償電流發(fā)生電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流ic,其中補(bǔ)償電流ic與負(fù)載電流中諧波分量iLh大小相等,方向相反,因而兩者相互抵消,使得電源中電流中只含基波,達(dá)到消除電源電流中諧波的目的。

圖1為有源濾波器的系統(tǒng)框圖。通過(guò)霍爾傳感器檢測(cè)非線性負(fù)載的電流iLa、iLb、iLc經(jīng)電流信號(hào)調(diào)理后送入指令電流產(chǎn)生電路,指令電流產(chǎn)生模塊是由TI公司的DSP TMS320LF2407為核心建立的。DSP計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)闹C波和無(wú)功電流后,通過(guò)外部D/A送入電流跟蹤控制電路。霍爾傳感器檢測(cè)有源電力濾波器主電路的電流ica、icb、icc,經(jīng)電流信號(hào)調(diào)理后也送入電流跟蹤控制電路,電流跟蹤控制電路對(duì)主電路補(bǔ)償電流與指令電流進(jìn)行滯環(huán)比較后送出柵極開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào),驅(qū)動(dòng)電路接受來(lái)自前級(jí)電流跟蹤控制電路的PWM信號(hào),并經(jīng)隔離放大后驅(qū)動(dòng)主電路的開(kāi)關(guān)管,以控制主電流的電路跟隨指令電流的變化,最終達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波與無(wú)功功率的目的。電壓傳感器檢測(cè)變流器直流側(cè)總電壓,經(jīng)電壓信號(hào)調(diào)理后送入指令電流發(fā)生電路,通過(guò)合理的控制以凋節(jié)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。啟動(dòng)、關(guān)斷和保護(hù)模塊按一定的時(shí)序控制裝置的啟動(dòng)和關(guān)斷,并提供裝置的過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱、缺相等故障保護(hù)功能。  

2 有源電力濾波器主電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)主電路時(shí),應(yīng)首先確定主電路的形式,目前,有源電力濾波器主電路的形式絕大多數(shù)采用電壓型,本文選擇主電路為并聯(lián)電壓型、單個(gè)變流器的形式。

主電路設(shè)計(jì)需要解決的問(wèn)題是:主電路容量的計(jì)算;開(kāi)關(guān)器件的選擇及其參數(shù)的確定;對(duì)補(bǔ)償電流的跟蹤特性起決定作用的參數(shù)(輸出電感L、直流側(cè)電容電壓Ud、滯環(huán)寬度δ)的設(shè)計(jì);按所選器件要求的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)以及整個(gè)裝置的各種保護(hù)電路設(shè)計(jì)。

2.1 主電路容量的計(jì)算

有源電力濾波器的容量SA由式(1)確定  



式中:E為電網(wǎng)相電壓有效值;
Lc為補(bǔ)償電流有效值。
如果所設(shè)計(jì)裝置的容量為15 kVA,則  
Ic=SA/3E=15x103/3x220=22.7 A

2.2 功率開(kāi)關(guān)器件的選取

目前適用于APFP中的全控型開(kāi)關(guān)器件主要有GTR、IGBT、IGCT等,器件的選擇,首先應(yīng)當(dāng)滿足工作頻率和器件容量的要求,當(dāng)單個(gè)器件的容量難以滿足要求時(shí),可考慮采用器件的串并聯(lián)或主電路多重化等方式。其次,再考慮它們的價(jià)格。

器件的種類確定后,再確定其額定參數(shù)。其中,額定電壓由直流側(cè)電壓決定,并考慮適當(dāng)?shù)陌踩A俊n~定電流由補(bǔ)償電流決定。

2.3 主電路滯環(huán)寬度的選取

由于有源電力濾波器的指令電流包含高次諧波和暫態(tài)電流,故要求實(shí)際輸出的電流對(duì)指令電流有很高的跟蹤能力。在有源電力濾波器的補(bǔ)償對(duì)象已確定的情況下,有源電力濾波器主電路參數(shù)的選取,對(duì)有源電力濾波器的性能和效率有較大的影響。

下面以A相為例,分析采用滯環(huán)控制時(shí)逆變器的工作頻率f與電網(wǎng)電壓ea、變流器直流側(cè)電壓Ud及主電路電感值和滯環(huán)寬度δ間的相互關(guān)系。
對(duì)于A相半橋逆變電路,可得電路方程為  



式(6)為正,即電感電流在上升。

設(shè)UC1=UC2=Ud/2,假定逆變器的工作開(kāi)關(guān)頻率較高,在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)可認(rèn)為電壓ea基本不變,則滯環(huán)控制時(shí)補(bǔ)償電流的波形如圖2所示,其中δ為滯環(huán)寬度。  


  
由圖2,以及式(4)和式(6),可分別計(jì)算出電流的上升時(shí)間Tu和下降時(shí)間Td,即  



由式(9)知,逆變器的最小工作頻率和最大工作頻率分別為  



取電流滯環(huán)寬度δ為1.2A,直流側(cè)電壓Ud為l000V,主電路電感L為5mH,則由上述公式可得:最小開(kāi)關(guān)頻率為12.767 kHz,最大開(kāi)關(guān)頻率為20.833kHz,平均開(kāi)關(guān)頻率16.8 kHz。

2.4 直流側(cè)電壓的計(jì)算和電容的選取

主電路的工作模式及相應(yīng)的開(kāi)關(guān)系數(shù),如表1所列,等效電路圖如圖3所示。  

  
當(dāng)Ka=-1/3時(shí),電流ica上升,即要求

如果直流側(cè)電壓不能滿足大于有源電力濾波器與供電系統(tǒng)連接點(diǎn)的相電壓峰伉(Em)的3倍,即  



就不會(huì)永遠(yuǎn)成立,這是不希望出現(xiàn)的。
同理,當(dāng)Ka=1/3時(shí),電流ica下降,即要求  



也不會(huì)永遠(yuǎn)成立。

所以直流側(cè)電壓應(yīng)滿足如下條件,即  



意味著主電路直流側(cè)電壓值應(yīng)大于有源電力濾波器與供電系統(tǒng)連接點(diǎn)的相電壓峰值(Em)的3倍。在此基礎(chǔ)上,直流側(cè)電壓值越大,補(bǔ)償電流的跟隨性能越好,但器件的耐壓要求也就越高,因此要綜合考慮。

由式(15),得  



由此可選取直流側(cè)參考電壓Udref為1000V。

有源電力濾波器在實(shí)際運(yùn)行時(shí)很難將主電路直流側(cè)電壓控制在某一恒定值,直流側(cè)電壓波動(dòng)的根本原因在于補(bǔ)償電流在交流電源與有源電力濾波器之間的能量脈動(dòng)。若電容值選擇過(guò)小。主電路直流側(cè)電壓波動(dòng)就會(huì)過(guò)大,影響有源電力濾波器的補(bǔ)償效果;而若電容值選擇過(guò)大,則主電路直流側(cè)電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢,電容體積和價(jià)格也會(huì)增加。因此必須綜合考慮,合理選擇。

假設(shè)在某一PwM周期內(nèi)電容始終處于充電或放電狀態(tài),直流側(cè)電容電壓最大允許偏離設(shè)定值為△Udmax,則  



2.5 輸出電感值的選取

電壓型有源濾波器的補(bǔ)償特性豐要取決于輸出補(bǔ)償電流對(duì)于補(bǔ)償指令電流的跟蹤控制能力。而輸出電感值直接決定了補(bǔ)償電流的跟蹤速度,從而很大程度地影響電力有源濾波器的工作性能。電感值過(guò)大,則系統(tǒng)不能適時(shí)跟蹤指令電流信號(hào),而且電感值的增大也會(huì)造成設(shè)備成本的增加;反之。如果太小,則補(bǔ)償后的紋波電流過(guò)大。因此,設(shè)計(jì)時(shí)必須合理選擇主電路交流側(cè)輸出電感值。

2.5.1 電感的最大取值

由主電路的模型,對(duì)于A相有  




式(23)中,對(duì)于不同的諧波源和不同的補(bǔ)償要求,指令電流ica*是不同的,其最大電流變化率

與補(bǔ)償參考電流的具體表達(dá)形式密切相關(guān)。其經(jīng)驗(yàn)公式為  



2.5.2 電感的最小取值

如果電感取值太小,則會(huì)使補(bǔ)償電流的紋波過(guò)大,影響有源電力濾波器的補(bǔ)償效果。因此,電感的最小值主要由主電路開(kāi)關(guān)器件所產(chǎn)牛的紋波決定,電感的作用是將其在補(bǔ)償電流上產(chǎn)生的紋波限定在一定范圍內(nèi)。若有源電力濾波器的實(shí)際輸出電流偏離指令電流的最大允許值為△imax,則  



因而可以根據(jù)式(23)和式(29),并結(jié)合實(shí)際情況對(duì)交流側(cè)電感值進(jìn)行選取和調(diào)整,從而選擇合適的電感值。  

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析了有源電力濾波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理,對(duì)其主電路的參數(shù)設(shè)計(jì)給出了理論上的依據(jù),討論了采用滯環(huán)控制時(shí)電網(wǎng)電壓、變流器工作頻率、直流側(cè)電壓及主電路電感值和滯環(huán)寬度間的相互關(guān)系。
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