电力有源滤波器的原理与应用

2003年12月

湖南工程学院学报

JournalofHunanInstituteofEngineering

Vo1.13.No.4Dec.2003

电力有源滤波器的原理与应用

浣喜明

¹

(湖南工程学院电气与信息工程系,湖南湘潭411101)

摘 要:简要介绍了电力有源滤波技术的基本原理,阐述了电力有源滤波器的几种主要控制策略;分析

了电力有源滤波器技术的国内外发展状况,并简单介绍了应用时应考虑的一些问题.

关键词:电力有源滤波器;谐波抑制;无功补偿;指令电流;补偿电流

中图分类号:TN713+.8 文献标识码:A 文章编号:1671-119X(2003)04-0015-04

0 引 言

随着电力电子技术的不断发展,越来越多的电力电子装置被广泛应用于各种领域,同时也将大量的谐波注入电网.电网中谐波的危害极大,它会使电网供电电压波形发生畸变而使供电质量下降,电力系统的能量损耗增加,供用电设备寿命缩短,谐波还会对其它电子设备造成电磁干扰.因此,解决电力系统谐波抑制及无功补偿问题变得日益迫切.

传统的谐波抑制和无功补偿方法是使用无源滤波器(由电力电容器等无源器件构成)与需补偿的非线性负载并联,为谐波提供一个低阻通路的同时也提供负载所需要的无功功率.虽然无源滤波器具有电路简单、使用方便的优点,但它只能抑制固定的几次谐波,并有可能在一定条件下对某次谐波会产生谐振而使谐波放大.因此它只能补偿固定的无功功率,对变化的无功负载不能进行精确补偿.

理论和实践都证明,电力有源滤波器(activepowerfilter,简称APF)是无功补偿的先进方法.20世纪80年代以后,由于电力电子器件及其控制技术的发展,APF技术的发展逐步走向成熟,在国外已得到广泛应用.与无源滤波器相比,APF具有高度可控制和快速响应特性,并且能跟踪补偿各次谐波、自动产生所需变化的无功功率,其特性不受系统影响,无谐波放大危险,相对体积重量较小等突出优点,已成为电力谐波抑制和无功补偿的重要手段.APF的推广应用也必将给我国电力工业带来巨大的经济效益和社会效益.

¹

1 基于瞬时无功功率的谐波测量

1984年,日本学者H.Akagi等提出瞬时无功功率理论,并在此基础上提出了2种谐波电流的检测方法,即p-q法和ip-iq法.

设三相交流电路各相电压的瞬时值为ea,eb,ec,瞬时电流为ia,ib,ic.将其变换到A、B正交坐标系后的瞬时电压eA、eB和瞬时电流值iA、iB为:

eAeBiAiB1-0

ea

=C32eb

ecia

=C32ib

ic12

-12

(2)(1)

式中C32=

33-22

它的矢量图如图1所示.由矢量图可知得,

e=eA+eB

i=iA+iB

(3)(4)

23

则三相电路瞬时有功电流ip、瞬时无功电流iq、分别为矢量i在其法线上的投影,即:

ip=iq=

icosHisinH

(5)(6)

式中i为向量i的模,H为i与e之间的夹角.很明显,三相电路的瞬时无功功率q(瞬时有功

收稿日期:2003-19-07

作者简介:浣喜明(1957-),男,高级实验师,研究方向:通信技术及其应用.16 湖南工程学院学报 2003年

pf为基波有功电流与电压作用所产生,qf为基波无功电流与电压作用所产生.由pf、qf可计算出被检测电流ia,ib,ic的基波分量iaf,ibf,icf.如下式所示:

图1 电流的矢量图

功率p)为电压矢量e的模和三相电路瞬时量无功电流iq(瞬时有功电流ip)的乘积,即

p=eipq=eiq

(7)(8)

图2 并联型APF的基本结构

把式(5)、(6)代入(7)、(8)中,并写成矩阵形式得出:

p=q的表达式为:

p=eaia+ebib+ecic

(10)

1q=[(ea-eb)ic+(eb+ec)ia+(ec-ea)ib]

3

(11)从式(10)可以看出,三相电路瞬时有功功率就是三相电路的瞬时功率.而从式(11)可以推出q为零,也即三相瞬时无功率之和为零,所以三相电路的瞬时无功功率只在三相电路之间相互交换,其交换程度由q来表征.

eAeB

eB-eAiAiBiaf

(9)

1

ibf=C23C-pq

pfqf

=

把式(1)、(2)代入上式,得出p、q对三相电压、电流

icf

pf1

CC23pqe2qf

(12)

C-pq1表示矩阵Cpq的逆矩阵.

将ia,ib,ic与iaf,ibf,iaf相减,即可得出ia,ib,ic的谐波分量iah,ibh,ich,如图3所示

同样根据瞬时无功功率理论,我们也可得出有

源滤波器的基于瞬时无功功率理论的ip-iq运算方式检测方法.

该运算方式的原理如下:

sinXt-cosXt,该方法用一

-cosXt-sinXt

个锁相环(PLL)和一个正、余弦信号发生电路得到

图4中C=

一个与A相电网电压ea同相的正弦信号sinXt和对应的余弦信号-cosXt.根据定义计算出ip、iq,并经LPF滤波器滤波得ip、iq直流分量ipf、iqf,再由ipf、iqf可计算出iaf、ibf、icf,进而得到iah、ibh、ich.

从上述原理可以看出,电力有源滤波器是运用瞬时滤波技术,对包含谐波和无功分量的非正弦波进行/矫正0,这与基于稳态频谱的/滤波0概念已有很大的不同,而类似于自适应滤波技术中的/干扰抵消器0.因此,电力有源滤波器有很快的响应速度,对变化的谐波和无功功率都能实施动态补偿,并且其补偿特性受电网阻抗参数影响较小.

上述两种方法都能准确地测量对称的三相三线制电路的谐波值.ip-iq法适用范围广,不仅在电网电压畸变时适用,在电网电压不对称时也同样有效.而使用p-q法测量电网电压畸变时的谐波会存在2 电力有源滤波器的基本原理

图2所示为最基本的电力有源滤波器系统的原理图.图中,Us表示交流电源,负载为非线性负载,它产生谐波并消耗无功功率.系统主要由两大部分组成,即指令电流运算电路和补偿电流发生电路(由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分构成).

211 指令电流的运算

根据瞬时无功功率理论,我们可得出有源滤波器的基于瞬时无功功率理论的p、q运算方式检测方法.

根据式(7)、(8)、(9)可算出p、q经低通滤波器LPF的p、q的直流分量pf、qf.电网电压无畸变时,

第4期 浣喜明:电力有源滤波器的原理与应用 17 较大误差.这两种方法的优点是当电网电压对称且无畸变时,各电流分量(基波正序无功分量、不对称分量及高次谐波分量)的测量电路比较简单,并且延时小.虽然被测量的电流中谐波构成和采用滤波器

的不同,因而会有不同的延时,但延时最多不超过1个电源周期.如电网中最典型的谐波源)))三相整流器,其检测的延时约为1/6周期.可见,该方法具有很好的实时性.

图3 p.q运算方式的原理图

图4 ip、iq运算方式原理图

212 补偿电流的产生

补偿电流发生电路由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分构成.

电力有源滤波器的主电路一般由PWM逆变器构成.根据逆变器直流侧储能元件的不同,可分为电压型APF(储能元件为电容)和电流型APF(储能元件为电感).电压型APF在工作时需对直流侧电容电压控制,使直流侧电压维持不变,因而逆变器交流侧输出为PWM电压波.而电流型APF在工作时需对直流侧电感电流进行控制,使直流侧电流维持不变,因而逆变器交流侧输出为PWM电流波.电压型APF的优点是损耗较少,效率高,是目前国内外绝大多数APF采用的主电路结构.电流型APF由于电流侧电感上始终有电流流过,该电流在电感内阻上将产生较大损耗,所以目前较少采用.但是电流型APF由于开关器件不会发生直通短路现象,随着超导储能磁体研究的进展,也将促进多功能电流型APF投入实用.

对于采用PWM电压源逆变器的电力有源滤波器,其补偿电流的产生方法目前主要有以下三种:

(1)三角载波线性控制.这是一种最简单的线性控制方法.它以指令电流ic与实际补偿电流ico之间的差值作为调整信号,与高频三角载波相比较,从而得到逆变器开关器件所需的控制信号.其优点是动态响应好、开关频率固定、电路简单,缺点是开关损耗较大,且输出波形中含有载波频率及其谐波频率的高频畸变分量.

(2)滞环比较控制.该方法将指令电流与产际补偿电流的差值输入到具有滞环特性的比较器中,然后用比较器的输出来控制逆变器的开关器件.与三18 湖南工程学院学报 2003年角载波控制方式相比,该方法开关损耗小,动态响应快.但是,该方法使开关频率变化较大,容易引起脉冲电流和开关噪声.为限定开关频率的最大值可采用变滞环带宽改进算法,但这必将影响响应速度和补偿电流跟踪精度.

(3)无差拍控制.该方法是一种全数字化的控制技术.它利用前一时刻的指令电流值和实际补偿电流值,根据空间矢量理论计算出逆变器下一时刻应满足的开关模式.其优点是动态响应很快,易于计算机执行.缺点是计算量大,且对系统参数依赖性较大.后来,当然可采取一些简化其计算的方法,随着数字信号处理芯片(DSP)应用的不断普及,这是一种很有前途的控制方法.

有关APF的控制策略正随着DSP技术和智能控制理论的发展不断涌现.随着控制策略的改进,APF的特性也将不断提高,而相应的价格也必将下降.

出,但直到20世纪90年代APF技术才进入实际应用,其中一个重要原因就在于APF的实际成本价格太高.因此在选择应用APF时必须考虑其成本价格.就当前技术水平而言,采用小额定值APF结合无源滤波器的混合型电力有源滤波器是一种切实可行的方案.当然随着开关器件和DSP芯片价格的下降,APF也是很有发展前途的.

APF的研究与应用,国内远落后于国外,除少数几台APF已投入工业试运行外,其它大部分尚处于研制阶段.但随着我国对电网谐波污染治理日益重视,/绿色电力电子0的呼声愈来愈高,电力有源滤波器必然会得到广泛地推广和应用.

参 考 文 献

[1] 王兆安,黄 俊.电力电子技术(第四版)[M].北京:机

械工业出版社,2000.

[2] 黄 俊.半导体变流技术(修订版)[M].北京:机械工

业出版社,1980.

[3] 莫正康.半导体变流技术(第二版)[M].北京:机械工

业出版社,1997.

[4] 张 立,赵永健.现代电力电子技术器件、电路及应用

[M].北京:科学技术出版社,1992.

[5] 周继华,李 宏.现代电力电子工程[M].西安、西北工

业大学出版社,1998.

[6] 林渭勋,等.电力电子技术基础[M].北京:机械工业版

社,1990.

[7] 赵炳良.现代电力电子技术基础[M].北京:清华大学

出版社,1995.

[8] 张工一,肖湘宁.现代电力电子技术原理与应用[M].

北京:科学技术出版社,1999.

[9] 张 立,黄两一,等.电力电子场控器件及应用[M].北

京:机械工业出版社,1996.

[10] 叶 斌.电力电子应用技术及装置[M].北京:中国铁

道出版社,1991,19.

[11] 郑宏婕.电力电子技术[M].科学普及出版社,1993.

3 电力有源滤波器设计中开关器件的选择

电力有源滤波器作为改善供电质量的一项关键技术,在国外已日趋成熟.仅在日本就有500多台

APF投入运行,其容量已达到60MVA.在APF的应用中,一般应考虑以下几个方面的问题:

首先是开关器件的选择,对于容量小于2MVA的APF一般采用IGBT,而容量大于5MVA时可采用GTO及多重化技术;其次,为减小逆变器向电网注入的开关纹波又不降低APF的补偿特性,电压型逆变器的输出电感及无源纹波滤波器应仔细设计;最后,为保证逆变器直流侧电压的稳定,应适当选择直流侧电容值.

4 电力有源滤波器的应用

APF的技术构想早在20世纪70年代就已提

ThePrinciplesandApplicationsofActivePowerFilter

HUANXi-ming

(Dept.ofElect.andInformationEng.,HunanInstituteofEngineering,Xiangtan411101,China)

Abstract:ThetheoryofActivePoerFiltertechnologyisintroducedandtheseveralprimarycontrolstrategiesaredescribed.TheprospectofActivePowerFiltertechnologyathomeandabroadisanalyzedandsomeproblemswhichshouldbeconsideredinapplicationsarealsomentioned.

Keywords:ActivePowerFiltertechnoglogy;harmonicbalance;reactivecompensation;instructioncurrent;com2pensatingcurrent