紀(jì)哲夫

（深圳供電局,廣東深圳 518000）

0 引 言

隨著工業(yè)應(yīng)用中電力電子設(shè)備和家庭負(fù)載的不斷增多,電網(wǎng)尤其是配變低壓側(cè)的諧波成分非常多,嚴(yán)重影響了供電系統(tǒng)的安全、可靠運(yùn)行。因此電力系統(tǒng)諧波作為衡量電能質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo),對電網(wǎng)質(zhì)量的研究有著十分重要的意義,引起了各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。

電網(wǎng)的諧波治理通常可分為“無源濾波”及“有源濾波”兩種。“無源濾波”結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備投資少、運(yùn)行費(fèi)用低且維護(hù)方便,但存在一些無法根治的缺點(diǎn),如:只能濾除特定次諧波,電網(wǎng)參數(shù)變化和電網(wǎng)背景諧波電壓過大都將導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生串并聯(lián)諧振,放大諧波電流而燒毀濾波裝置等。而“有源濾波”則能對變化的各次諧波和無功進(jìn)行動態(tài)跟蹤補(bǔ)償,同時(shí)補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和頻率變化的影響小,還能抑制閃變,改善三相系統(tǒng)的電壓對稱性,阻尼電壓諧波放大等,從而增強(qiáng)了電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。因此自有源濾波器思想提出以來,就被予以了高度的重視,出現(xiàn)了多種應(yīng)用于不同情況的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和檢測、控制算法[1-6]。但單一的有源濾波器(APF)成本較高,功率損耗較大,容易受到系統(tǒng)電壓等級以及容量的限制,想在電力系統(tǒng)中完全取代PPF還不太現(xiàn)實(shí)。將APF和PPF結(jié)合在一起構(gòu)成混合型電力濾波器(HAPF),一方面克服了單獨(dú)使用APF和PPF的不足;另一方面可以有效降低成本和容量,具有良好的性價(jià)比,代表著目前有源濾波技術(shù)的一種發(fā)展趨勢。混合有源濾波器大致可分為串聯(lián)混合有源濾波器和并聯(lián)混合有源濾波器。前者主要用來濾除電網(wǎng)的諧波電壓,而且需要通過耦合變壓器串聯(lián)在電網(wǎng)中,維護(hù)不易;正常工作時(shí),負(fù)載的基波電流全都流過變壓器,造成裝置容量較小,限制了其工程實(shí)用性,現(xiàn)已逐漸被并聯(lián)型混合有源濾波器所取代。故本文主要針對并聯(lián)型混合濾波器的結(jié)構(gòu)、濾波特性和控制策略進(jìn)行介紹,在此基礎(chǔ)上提出一些參數(shù)選擇方法并用SIMULINK建立仿真模型對所選參數(shù)和控制策略的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 并聯(lián)混合有源電力濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

隨著混合有源電力濾波器研究的深入,最早提出的一些拓?fù)湓投加辛艘欢ǔ潭鹊淖兓?以克服某些方面的不足,獲得更好的濾波性能。本文研究的并聯(lián)混合有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)如圖1所示,這是一種新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),它將有源濾波器與無源濾波器通過耦合變壓器串聯(lián)后再并聯(lián)接入電源和非線性負(fù)載之間,以阻止諧波電流流入電網(wǎng)中。電流互感器和數(shù)字控制器實(shí)時(shí)采樣電流后,進(jìn)行諧波分析計(jì)算并產(chǎn)生電壓型PWM逆變器的開關(guān)信號,控制逆變器產(chǎn)生與檢測電流中諧波分量成比例的電壓,再通過耦合變壓器、無源濾波器和電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生與諧波電流大小相等、相位相差180°的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng),以達(dá)到補(bǔ)償諧波、凈化電網(wǎng)的目的。

拓?fù)渲械臒o源濾波器一般由多個(gè)單調(diào)諧LC濾波器并聯(lián)而成,用來濾除電網(wǎng)中的主要次諧波和補(bǔ)償無功。有源濾波器僅對占少部分的其他次諧波進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償,主要起抑制無源濾波器和電網(wǎng)阻抗、負(fù)載阻抗之間的串并聯(lián)諧振,改善總體濾波效果的作用,從而減小了有源濾波器的容量,簡化了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。另外,無源濾波器對基頻呈高阻抗,使大部分基波電壓降在無源兩端,有源濾波器的功率器件只承受很低的電壓,這減小了有源部分的耐壓要求。因此,這種結(jié)構(gòu)方式更適合高壓、大功率的應(yīng)用場合;對低壓,小功率的電力系統(tǒng)進(jìn)行濾波時(shí),可去掉耦合變壓器,同樣可達(dá)到理想的濾波效果,還進(jìn)一步降低了成本[7]。

圖1 并聯(lián)混合有源電力濾波器結(jié)構(gòu)

2 控制策略選擇

通過電能質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測裝置的實(shí)地測量可以發(fā)現(xiàn),電網(wǎng)中電壓波形一般畸變較小,滿足國家相關(guān)要求;而電流波形卻畸變較大,嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[8]。因此,大部分有源濾波實(shí)際應(yīng)用中都是對電流諧波進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?。文中介紹的并聯(lián)混合有源濾波器通過采用合適的逆變器控制策略,能夠很好地達(dá)到這個(gè)目的?？紤]到濾波的總體性能和系統(tǒng)的穩(wěn)定性,整個(gè)控制策略可分為2個(gè)部分,下面分別介紹。因?yàn)轳詈献儔浩髦饕鸱糯驪WM逆變器的輸出和絕緣的作用,并不影響電路結(jié)構(gòu)。為了簡化分析過程,這里假設(shè)變壓器的變比為1:1;且有源電力濾波器為理想受控源,不考慮數(shù)字控制器和開關(guān)器件的延時(shí)。

2.1 抑制負(fù)載諧波電流的控制策略

抑制諧波電流的控制策略一般有3種:

(1)檢測濾波器支路電流iCh,控制有源濾波器輸出電壓(UC=KiCh);

(2)檢測負(fù)載諧波電流iLh,控制有源濾波器輸出電壓(UC=KiLh);

(3)檢測電網(wǎng)諧波電流iSh,控制有源濾波器輸出電壓(UC=KiSh)。

策略(1)等效于通過控制有源電力濾波器對諧波呈現(xiàn)為負(fù)阻抗特性,來減小濾波器支路的等效諧波阻抗,而電網(wǎng)支路的等效諧波阻抗不變;策略(2)等效于加大電網(wǎng)支路的諧波阻抗,同時(shí)減小濾波器支路的諧波阻抗。雖然這兩種方法在一些理想情況下可以得到很好的濾波效果,但它們都無法從根本上抑制無源濾波器和電網(wǎng)阻抗發(fā)生串并聯(lián)諧振時(shí)對諧波電壓和諧波電流的放大[9],因此本文采用控制策略(3)。

假設(shè)有源濾波器的輸出為受控電壓源UC,諧波源看作電流源iLh。其中ZS為電源阻抗,ZF為LC濾波器的總阻抗。則并聯(lián)有源混合電力濾波器的單相電氣模型如圖2所示。當(dāng)僅考慮對負(fù)載諧波電流iLh進(jìn)行補(bǔ)償,且僅考慮補(bǔ)償諧波電流時(shí),單相電氣模型可簡化為圖3所示。

圖2 并聯(lián)混合有源濾波器單相電氣模型

圖3 僅考慮補(bǔ)償諧波電流時(shí)的單相電氣模型

若控制有源濾波器輸出電壓UC=KiSh。則由基爾霍夫電壓和電流定律可得:

由式(1)和(2)可以得到策略(3)的控制模型和等效電路圖,分別如圖4、圖5所示。

圖4 策略3的控制模型

圖5 并聯(lián)混合有源濾波器的單相等效電路圖

由圖5所示可得iSh的表達(dá)式如下:

由式(3)可以看出,策略(3)等效于在電網(wǎng)中串聯(lián)了一個(gè)等效電阻K,增大了電網(wǎng)諧波阻抗,而濾波器支路諧波阻抗不變,從而削弱了電網(wǎng)支路的分流能力,使諧波電流更多的流入濾波器支路,達(dá)到濾除諧波的目的。K值越大,濾波效果越好;理論上當(dāng)K無窮大時(shí),電網(wǎng)電流中將不含諧波;另外,K還能阻尼ZF和ZS發(fā)生串并聯(lián)諧振,抑制電網(wǎng)參數(shù)變化、無源濾波器失諧等對濾波效果產(chǎn)生的不良影響[10]。因此,策略(3)是一種理想的控制方法。

2.2 直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定的控制策略

并聯(lián)混合有源電力濾波器實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于補(bǔ)償電流發(fā)生器,為了保證其有良好的跟隨性能,必須將有源逆變器直流側(cè)電容電壓控制在一個(gè)穩(wěn)定的范圍之內(nèi)。獲得穩(wěn)定直流電壓的常用方法有兩種:一種是通過調(diào)壓器和整流電路為直流電容提供一個(gè)單獨(dú)的直流電源,這種方法雖然能夠達(dá)到目的,但需要另外設(shè)計(jì)一套電路,增加了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度以及成本和損耗。另外一種方法為利用變流器本身來完成能量轉(zhuǎn)換,從交流側(cè)吸收能量給直流電容充電,簡單易實(shí)現(xiàn)。本文即采用此方法,其原理是:實(shí)時(shí)檢測濾波器支路的基波電流,控制有源電力濾波器產(chǎn)生與基波電流方向相同或相反的基波電壓,來實(shí)現(xiàn)主動地控制有源電力濾波器從電網(wǎng)吸或向電網(wǎng)釋放有功功率。有源電力濾波器產(chǎn)生的基波電壓的大小通過直流側(cè)電壓的實(shí)際值偏離設(shè)定值的誤差大小來決定,其控制原理圖如圖6所示。

圖6 直流側(cè)電壓控制原理圖

圖6中,Gh為基波電流檢測環(huán)節(jié),EDC*為給定的直流側(cè)電容電壓,EDC為實(shí)際的電容電壓,它們之間的差值△EDC擴(kuò)大Kp倍后,與濾波器支路的基波電流iCF相乘,作為控制直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定的控制信號。

3 參數(shù)設(shè)計(jì)

并聯(lián)混合有源電力濾波器是一個(gè)復(fù)雜的電力電子設(shè)備,各部分的參數(shù)設(shè)計(jì)不僅關(guān)系著自身工作性能的好壞,還對其他組成部分的性能和總的濾波效果有著重要的影響,因此需要綜合多方面進(jìn)行考慮。根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),其參數(shù)設(shè)計(jì)大致可分為無源濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì),開關(guān)紋波濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)、直流側(cè)電容的參數(shù)設(shè)計(jì)以及耦合變壓器的參數(shù)設(shè)計(jì)四個(gè)部分,下面分別介紹。

3.1 無源濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)

無源電力濾波器的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下三條原則:

(1)對電網(wǎng)主要諧波呈現(xiàn)為低阻抗;

(2)對基波呈現(xiàn)為高阻抗;

(3)在滿足前兩條原則的前提下,盡可能降低成本。

單調(diào)諧無源濾波器是利用電感、電容的串聯(lián)諧振原理構(gòu)成的。濾波器對n次諧波的阻抗為

其中,w1為基波角頻率,濾波器的諧振頻率為

另外,單調(diào)諧濾波器品質(zhì)因數(shù)的定義為

單調(diào)諧無源濾波器的品質(zhì)因數(shù)是一個(gè)非常重要的參數(shù)。濾波器對于調(diào)諧頻率的諧波阻抗與其品質(zhì)因數(shù)Q成反比,即Q越大,阻抗越小,其阻抗的頻率響應(yīng)曲線越尖銳,頻率選擇性越好。但是,濾波器對于參數(shù)的變化會越敏感,一旦失諧,其性能將會變化很大,而且一旦無源濾波器和電網(wǎng)發(fā)生串、并聯(lián)諧振,諧波放大的程度也越大。因此,濾波器的品質(zhì)因數(shù)不能取得太大,也不能取得太小,工程上一般取10～40。

本系統(tǒng)是利用逆變器自身來完成能量轉(zhuǎn)換的,從交流側(cè)獲得能量轉(zhuǎn)換到直流側(cè),因此必須使得流過無源濾波器的基波電流流向逆變器直流側(cè)提供的有功功率大于需要補(bǔ)償?shù)闹C波容量,這樣才能維持直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定,而且基波電流越大直流側(cè)電壓越穩(wěn)定,動態(tài)響應(yīng)越快,但是由于無源支路電阻的存在,損耗也越大。這就要求在保證諧振頻率的基礎(chǔ)上,合適地選擇L、C、R的值,使流過無源的基波電流滿足要求。

因?yàn)橄到y(tǒng)中采用的是二極管不可控整流負(fù)載,產(chǎn)生的主要次諧波為 5、7、11、13、17、19 次諧波 。故無源濾波器采用5次、7次單調(diào)諧濾波器和高通濾波器并聯(lián)而成。加高通濾波器主要是因?yàn)?、7次無源濾波器對高次諧波的阻抗較大,濾波效果受到影響。

綜合考慮以上要求,文章 L5、C5、R5和 Q分別取6.77 mH 、60 μ F 、0.08 Ω、10;L7 、C7 、R7和 Q 分別取 4.144 mH 、50 μ F 、0.071 Ω、10;高通濾波器 Lh、Ch和 Rh分別取 2 mH 、80 μ F 、1 Ω。

3.2 開關(guān)紋波濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)

逆變器輸出電壓中除了含有所需的補(bǔ)償電壓外,還含有逆變器開關(guān)頻率和開關(guān)頻率整數(shù)倍附近的高頻諧波。如果將這些開關(guān)紋波也注入電路中,顯然會給電網(wǎng)帶來新的高頻諧波污染,嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致有源濾波系統(tǒng)本身因過流、過壓而不能正常工作,甚至毀壞。因此必須用濾波器將逆變器工作引起的開關(guān)紋波濾除。在開關(guān)紋波濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)中,為了保證開關(guān)紋波衰減,一般截止頻率選為開關(guān)頻率的1/5至1/10,而且要大于有源濾波器的最大補(bǔ)償諧波頻率。在本系統(tǒng)中PWM載波頻率選為12800 Hz,最大補(bǔ)償諧波頻率為2500 Hz,綜合考慮選擇開關(guān)紋波濾波器截止頻率為4500 Hz。根據(jù)截止頻率還不能確定 Lr、Cr的大小,還要考慮 Lr、Cr的分壓,這決定了逆變器的帶負(fù)載能力。因?yàn)镃r與Zs+Zf(無源濾波器阻抗)并聯(lián),則需要XCr遠(yuǎn)大于Zs+Zf,而Lr與 Zs+Zf串聯(lián) ,則 需要 XLr遠(yuǎn)小于 Zs+Zf。為使Lr、Cr諧振頻率附近的諧波不被開關(guān)紋波濾波器過度放大的現(xiàn)象,需要在濾波電容支路串聯(lián)一個(gè)電阻,抑制諧振的產(chǎn)生。

綜合以上要求,開關(guān)紋波濾波器L、C、R參數(shù)選擇為 0.4 mH 、5 μ F 、1 Ω。

3.3 直流側(cè)電容的參數(shù)選擇

為了保證并聯(lián)混合有源電力濾波器輸出預(yù)定的電壓,電壓型逆變器的直流側(cè)電容電壓必須保持恒定。為了減小直流側(cè)電容電壓的波動,直流側(cè)電容必須有一定的容量要求。當(dāng)直流側(cè)電壓一定時(shí),電容值越大,越有利于電容電壓的穩(wěn)定。但還需考慮成本、體積等問題,進(jìn)行合理選擇。

工程實(shí)踐中確定電容量的主要依據(jù)是限制逆變器工作在最低輸出頻率和額定輸出電流時(shí)直流電壓的低頻脈動率。所需濾波電容量可按工程經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

式中,I為逆變器的額定輸出電流均方根值;Ud為直流電壓平均值;fmin為逆變器的最低輸出頻率;σ為允許的直流電壓頻率低峰值紋波因數(shù);Kφ為負(fù)載位移因數(shù)角φ有關(guān)的系數(shù)。

從有源濾波器的原理可知,直流側(cè)電容電壓越大,則逆變器輸出諧波電壓幅值越大,補(bǔ)償效果越好。但是在給直流電容充電時(shí),逆變器實(shí)際工作在整流狀態(tài),還應(yīng)考慮動態(tài)響應(yīng)速度和濾波器支路基波電流這兩個(gè)因數(shù)?？梢娭绷鱾?cè)電容電壓選擇有著嚴(yán)格限制,不能過高。通過研究發(fā)現(xiàn),電容電壓選定在1000 V以下是合適的,這里選擇1000 V作為直流側(cè)電容電壓,由式(7)得出電容值選擇10000 μ F較為合適。

3.4 耦合變壓器的參數(shù)選擇

在耦合變壓器容量足夠且磁芯未飽和時(shí),變壓器變比是影響濾波效果最重要的參數(shù)。一方面由于等效阻抗K的大小是由直流側(cè)電容電壓、逆變器的放大倍數(shù)和變壓器變比決定的。對特定次諧波,無源濾波器阻抗較小,K值影響不大;但是對非特定次諧波,無源阻抗較大,要改善濾波效果必須增大K值,而當(dāng)直流側(cè)電容電壓值確定時(shí),逆變器對K值的增大作用有限,因此變壓器的變比對濾波效果至關(guān)重要。理論上變壓器變比越大濾波效果越好,但是K處于閉環(huán)控制系統(tǒng)之內(nèi),取值太大容易使系統(tǒng)不穩(wěn)定,基波附近的諧波(25 Hz、75 Hz和100 Hz)將被放大的更多,反而使濾波效果變差[10]。另一方面,變壓器的變比也和有源部分的容量密切相關(guān)?；旌喜⒙?lián)有源濾波器利用無源部分承受大部分基波電壓來降低有源部分的耐壓等級。但是無源濾波器對基波總有一個(gè)阻抗,不可能無窮大。在低壓時(shí),由于產(chǎn)生的基波電流很小,對容量影響不大;但是在高壓時(shí),將產(chǎn)生一個(gè)不小的電流,通過變壓器耦合后,這個(gè)基波電流放大數(shù)倍(和變壓器變比有關(guān))后,流入逆變器,使有源濾波器的容量增大。因此需要綜合考慮這兩方面,合理選擇變壓器變比。

因?yàn)樽儔浩髁鬟^的電流主要用于保持逆變器直流側(cè)電容電壓恒定的基波電流和各次諧波電流,所以變壓器的容量可用下面公式進(jìn)行簡單估算。

式中,UT1和 ITI為分別流過變壓器的基波電壓和電流的有效值;UTn和ITn為二極管不可控整流負(fù)載產(chǎn)生的n次諧波電壓和諧波電流的有效值。

此外,耦合變壓器的漏感設(shè)計(jì)得越小越好。變壓器的漏感越小,損耗越小,變壓器的頻率特性也越好,同時(shí),也有利于有源濾波器容量要求的降低。

綜合以上所述,變壓器變比為1200:4800,容量取為100 Mvar。

4 仿真結(jié)果

根據(jù)前面所述的控制策略和參數(shù)選擇原則,用SIMULINK搭建仿真模型。圖7是主電路的仿真框圖;圖8是控制部分的仿真框圖。

圖7 主電路仿真框圖

圖9和圖10分別是僅投無源濾波器和投入混合濾波器兩種情況下的電網(wǎng)電流波形和頻譜分析圖。

圖9 僅投無源濾波器時(shí)的電網(wǎng)電流波形和頻譜圖

圖10 投混合濾波器時(shí)的電網(wǎng)電流波形和頻譜圖

5 結(jié) 論

從仿真結(jié)果可以看出,當(dāng)僅投入無源濾波器時(shí),電網(wǎng)諧波電流的THD從40%降為14%,投入有源濾波器后,THD降為3%左右,這說明了有源濾波器確實(shí)能改善整體濾波效果,同時(shí)也證明了所采用的控制策略和所選參數(shù)的有效性。文中所設(shè)計(jì)的混合有源電力濾波器結(jié)構(gòu)較為簡單,控制方法易于實(shí)現(xiàn),非常適合應(yīng)用于工程實(shí)踐中。

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