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        不平衡電壓和負(fù)載時(shí)單周控制有源電力濾波器的研究

        2013-03-05 08:00:08徐建云李寶樹王升杰
        黑龍江電力 2013年1期
        關(guān)鍵詞:單周有源三相

        徐建云,李寶樹,王升杰

        (華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,河北保定071003)

        單周控制有源電力濾波器具有在平衡電壓和對(duì)稱非線性負(fù)載下工作的可靠性[1-4],但是現(xiàn)實(shí)中,三相電網(wǎng)電壓和三相非線性負(fù)載都是不平衡的,因此將單周控制有源電力濾波器應(yīng)用于不平衡系統(tǒng)有重要意義。本文將單周控制有源電力濾波器(OCC-APF)應(yīng)用于不平衡電壓和不平衡非線性負(fù)載,分析了研究了OCC-APF在不平衡電壓下的特性和在不平衡非線性負(fù)載中的工作狀況,并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了OCC-APF在不平衡系統(tǒng)中運(yùn)行的可行性。

        1 OCC-APF在不平衡電壓下的運(yùn)行特性

        圖1為三相單周控制APF系統(tǒng),由三橋臂電壓變換器、濾波電感、單周控制器等部分構(gòu)成。單周控制器主要由電壓空間矢量區(qū)間劃分電路、電流選擇電路、驅(qū)動(dòng)選擇電路、單周控制電路和PI調(diào)節(jié)電路組成。其中Vsa、Vsb、Vsc為三相電源的相電壓,isa、isb、isc為電源電流,ila、ilb、ilc分別為三相負(fù)載線電流,iac、ibc、icc為有源濾波器的三相補(bǔ)償電流,Vc是變換器直流側(cè)電容電壓。OCC-APF在平衡電壓和平衡負(fù)載下的工作特性見文獻(xiàn)[5-7]。

        圖2為三相不平衡電壓相量圖。從圖2中可以看出,三相電壓(Va、Vb、Vc)可以分解為正序分量、負(fù)序分量和零序分量,正序分量、負(fù)序分量向量之和為零,而零序分量向量之和不為零。因此,三相不平衡電壓可以分解成兩部分:零序分量、零和分量(Va0s、Vb0s、Vc0s),如圖 2 所示[8]。

        圖1 矢量模式單周控制有源電力濾波器

        圖2 不平衡電壓的對(duì)稱分量

        在三相電壓不平衡系統(tǒng)中由于零序分量的存在,使得Va+Vb+Vc≠0,這也意味著在三相電壓不平衡系統(tǒng)中,相電壓(Va、Vb、Vc)和直流側(cè)電壓E間的關(guān)系與平衡系統(tǒng)中不同,需要重新推導(dǎo)。

        PWM變換器的開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工頻50 Hz,電壓VAN、VBN、VCN可表示為

        根據(jù)公式(1),圖1中的三相APF可以簡(jiǎn)化為圖3中的三相APF等效平均模型。從圖3可得

        其中L為主電路交流側(cè)濾波電感,假設(shè)三相電感L相同,iLa、iLb、iLc為三相電感電流。因電感處于高頻電路中(工作在開關(guān)頻率狀態(tài)),電感值非常小,在50 Hz工頻電網(wǎng)中,電感壓降遠(yuǎn)小于相電壓,可以忽略不計(jì),式(2)可近似表示為

        圖3 三相APF等效開關(guān)模型

        根據(jù)圖3,可得

        由圖2中的三相不平衡電壓包含零序分量,可得

        其中V0為零序分量。合并式(4)、(5)可得

        把式(6)和式(4)代入式(3)可得

        簡(jiǎn)化可得

        Vi-V0=Vi0s(i=a、b、c),Vios為零和分量,式(7)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

        合并式(8)和式(1)可得占空比(dan、dbn、dcn)、相電壓(Va、Vb、Vc)和直流側(cè)電壓E之間的關(guān)系如下:

        這表明在三相不平衡電壓系統(tǒng)中,三相變換器的開關(guān)占空比(dan、dbn、dcn)僅與直流側(cè)電容電壓和零和分量(Va0s、Vb0s、Vc0s)相關(guān)。

        平衡系統(tǒng)中的關(guān)鍵控制方程和圖1的控制電路保持不變,因此電流和電壓的關(guān)系為

        式(10)表明三相電壓不平衡系統(tǒng)中,電源電流(ia、ib、ic)跟蹤三相電壓零和分量(Va0s、Vb0s、Vc0s)與其成比例且同相位。

        在0°~60°區(qū)間,占空比dbn=1,式(9)可簡(jiǎn)化如為

        可推導(dǎo)出電流和電壓的聯(lián)系為

        式(9)和式(11)表明在三相電壓不平衡系統(tǒng)中,系統(tǒng)的電源電流與三相電壓零序分量成比例。

        2 不平衡負(fù)載狀態(tài)下OCC-APF的工作分析

        從上述分析和推導(dǎo)可知,無論負(fù)載是否平衡,OCC-APF并聯(lián)在電網(wǎng)中三相電流功率因數(shù)均為1。三相電源電流為不平衡負(fù)載電流與APF補(bǔ)償電流之和,APF補(bǔ)償負(fù)載的不平衡電流。

        現(xiàn)實(shí)中的非線性負(fù)載非常多,為了簡(jiǎn)化分析,選取廣泛應(yīng)用的帶有阻感性負(fù)載的三相二極管整流電路作為經(jīng)典非線性負(fù)載進(jìn)行研究,如圖4所示。當(dāng)整流器的三個(gè)橋臂都連接在電網(wǎng)中時(shí),非線性負(fù)載是平衡的,相應(yīng)的APF和負(fù)載電流波形如圖4b所示。當(dāng)其中一相斷開,假設(shè)B相斷開,如圖4a所示,平衡負(fù)載變?yōu)椴黄胶庳?fù)載,相應(yīng)的電流波形如圖4c所示。

        對(duì)比圖4b和圖4c的波形可知,平衡負(fù)載時(shí),APF產(chǎn)生的補(bǔ)償電流僅包含均衡的三相諧波;不平衡負(fù)載時(shí),APF的補(bǔ)償電流也是不平衡的。B相補(bǔ)償電流為單位功率因數(shù)正弦波,A相和C相補(bǔ)償電流包含諧波和無功。

        當(dāng)三相負(fù)載平衡時(shí),圖 4b中的iLa、iLb、iLc可以由傅里葉級(jí)數(shù)表示為

        非線性負(fù)載消耗的基波電流與電壓同相位,APF只補(bǔ)償非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流,補(bǔ)償電流可表示如下:

        圖4(c)中不平衡負(fù)載產(chǎn)生的電流(iLa、iLb、iLc)可由傅里葉級(jí)數(shù)表示為

        如果APF和非線性負(fù)載的效率為100%,從電網(wǎng)中吸收的能量完全轉(zhuǎn)換為整流器的直流輸出,從電網(wǎng)中吸收的三相電流可表示為

        負(fù)載電流(iLa,iLb,iLc)減去相應(yīng)的線電流(ia,ib,ic)得APF需要產(chǎn)生的電流,表示為

        式(12)-式(17)進(jìn)一步證明了單周控制APF補(bǔ)償三相不平衡非線性負(fù)載時(shí),補(bǔ)償電流包含無功功率和諧波。

        3 仿真驗(yàn)證

        3.1 三相不平衡電壓和平衡負(fù)載

        OCC-APF在三相不平衡電壓下的實(shí)驗(yàn)情況如下。

        電源電壓幅值:Va=220 V,Vb=60 V,Vc=150 V。直流側(cè)電壓Vdc=760 V,直流側(cè)電容C=1 000 μF,濾波電感L=2.5 mH,開關(guān)頻率f=40 kHz。非線性負(fù)載R=10 Ω,L=90 mH。

        本次實(shí)驗(yàn)不同狀態(tài)下電力波形如圖5所示。A、B、C相的電壓、電流波形依次從上到下。圖5中的波形曲線表明了OCC-APF在不平衡電壓狀態(tài)下工作的可靠性,每相電流的幅值和電流與電壓相角差驗(yàn)證了分析的正確性。

        3.2 三相不平衡非線性負(fù)載的實(shí)驗(yàn)

        實(shí)驗(yàn)中的電壓(Va、Vb、Vc)是三相平衡電壓,幅值為220 V,非線性負(fù)載的B相斷開,其它實(shí)驗(yàn)參數(shù)與3.1相同。本次實(shí)驗(yàn)不同狀態(tài)下電力波形如圖6所示。在圖6a中從上至下為A相電壓、電流、負(fù)載電流和補(bǔ)償電流。在圖6b中從上至下為B相電壓、電流、負(fù)載電流和補(bǔ)償電流。在圖6c中從上至下為C相電壓、電流、負(fù)載電流和補(bǔ)償電流。結(jié)果表明:

        1)三相電流與非線性負(fù)載的特性不相關(guān);

        2)B相APF的補(bǔ)償電流是單位功率因數(shù)的正弦波。

        3)A相、C相APF的補(bǔ)償電流包含不平衡負(fù)載的諧波和無功成分。

        3.3 不平衡電壓和不平衡非線性負(fù)載

        現(xiàn)實(shí)中經(jīng)常不平衡電壓和不平衡負(fù)載同時(shí)存在,在實(shí)驗(yàn)中三相電壓幅值A(chǔ)a=220 V,Vb=60 V,Vc=150 V,不平衡非線性負(fù)載與前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)相同,但A,B相連接,斷開C相。

        本次實(shí)驗(yàn)不同狀態(tài)下電力波形如圖7所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明盡管負(fù)載和電壓同時(shí)不平衡,電流仍然跟蹤電壓零和分量。

        圖7 不平衡電壓和不平衡負(fù)載APF的電壓電流波形

        4 結(jié)束語

        1)三相不平衡電壓時(shí),經(jīng)單周控制有源電力濾波器補(bǔ)償后的電源電流為正弦波,與不平衡電壓的零和分量成比例并同相,跟蹤零和分量。

        2)不平衡負(fù)載時(shí),單周控制有源電力濾波器的補(bǔ)償電流包含諧波和不平衡無功電流,補(bǔ)償后的電源電流相位跟蹤電壓零和分量,當(dāng)負(fù)載功率變化時(shí),電源電流幅值也隨著變化。

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