有源電力濾波器主電路研究
摘要:隨著大功率開關(guān)器件的廣泛應(yīng)用,電能質(zhì)量問題日益嚴(yán)重。就諧波治理中的無源及有源濾波技術(shù)進(jìn)行了對比,介紹了有源濾器的分類、工作原理。提出了由組合相移SPWM變流器構(gòu)造的電流源型有源濾波器和能在較低開關(guān)頻率下實(shí)現(xiàn)較高開關(guān)頻率效果的級聯(lián)型多電平變流器有源電力濾波器。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/179426.htm關(guān)鍵詞:有源電力濾波器;諧波補(bǔ)償;級聯(lián)型多電平變流器;電流型有源電力濾波器;拓?fù)?
1 引言
隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,大功率開關(guān)器件被大量應(yīng)用到各種電源裝置中,為各種設(shè)備提供了一個高速、高效、節(jié)能的控制手段。但是,由于利用開關(guān)的通斷對電能進(jìn)行變換,必然會產(chǎn)生無功電流和高次諧波,引起波形失真,對電力系統(tǒng)各項(xiàng)設(shè)備及其用戶和通信線路產(chǎn)生日趨嚴(yán)重的有害影響。傳統(tǒng)的無源補(bǔ)償裝置是并聯(lián)電容器或LC濾波器,其阻抗固定,不能跟蹤負(fù)荷無功需求的變化,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足電力系統(tǒng)對無功功率和諧波進(jìn)行快速動態(tài)補(bǔ)償?shù)囊?。有源電力濾波器(簡稱APF)是一種用于動態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置,它能對大小和頻率都變化的諧波和無功分量進(jìn)行實(shí)時(shí)的補(bǔ)償,又被稱為靜止無功發(fā)生器(SVG)。作為柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)中的重要部分,APF的研究受到了各國學(xué)者的高度重視。
如何實(shí)現(xiàn)大功率有源電力濾波器已取得了不少的研究成果。對于大容量的電力電子裝置,如果簡單地采用普通電路的主電路拓?fù)?,則對所使用的電力電子器件在容量方面有比較高的要求。由于電力電子器件隨著容量的增大其所允許的開關(guān)頻率卻越來越低,而較低的開關(guān)頻率又直接影響有源電力濾波器的補(bǔ)償效果,所以在將有源電力濾波器用于大容量諧波補(bǔ)償時(shí)就面臨著器件開關(guān)頻率與容量之間的矛盾。為解決這一矛盾,國內(nèi)外學(xué)者提出了各種性能優(yōu)越的有源濾波器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。要實(shí)現(xiàn)大容量的諧波補(bǔ)償或?qū)崿F(xiàn)有源補(bǔ)償功能的多樣性,需要APF具有較大的裝置容量。但由于受目前電力電子器件功率、價(jià)格及其串并聯(lián)技術(shù)等的限制,這勢必使裝置初始投資變大,并且大容量的有源電力補(bǔ)償還將帶來大的損耗、大的電磁干擾以及制約APF的動態(tài)補(bǔ)償特性等問題。因此,各種性能優(yōu)越的混合型補(bǔ)償方案的研究應(yīng)運(yùn)而生。本文將幾種應(yīng)用比較廣泛的拓?fù)溥M(jìn)行歸攏比較,指出它們各自的優(yōu)缺點(diǎn),并在此基礎(chǔ)上提出了基于載波相移技術(shù)的電流型APF和級聯(lián)型APF結(jié)構(gòu)。
2 APF的工作原理及其分類
對APF可以這樣來定義:將系統(tǒng)中所含有害電流(高次諧波電流、無功電流及零序負(fù)序電流)檢出,并產(chǎn)生與其相反的補(bǔ)償電流,以抵消輸電線路中有害電流的半導(dǎo)體變流裝置。變流裝置在檢測系統(tǒng)的控制下將直流電能轉(zhuǎn)化為有害電流所需要的能量,或者說:補(bǔ)償裝置所產(chǎn)生的電流波形正好與有害電流的頻率幅值完全相同,而相位正好相差180°,從而達(dá)到了補(bǔ)償有害電流的效果。作為一種用于動態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置,APF能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。它的主電路一般由PWM逆變器構(gòu)成。根據(jù)逆變器直流側(cè)儲能元件的不同.可分為電壓型APF和電流型APF。如圖1和圖2所示,電壓型APF直流側(cè)接有恒壓大電容;電流型APF的直流側(cè)接有恒流大電感。電壓型APF在工作時(shí)需對直流側(cè)電容電壓控制,使直流側(cè)電壓維持不變,因而逆變器交流側(cè)輸出為PWM電壓波。而電流型APF在工作時(shí)需對直流側(cè)電感電流進(jìn)行控制,使直流側(cè)電流維持不變,因而逆變器交流側(cè)輸出為PWM電流波。電壓型APF的優(yōu)點(diǎn)是損耗較少,效率高,是目前國內(nèi)外絕大多數(shù)APF采用的主電路結(jié)構(gòu)。雖然電壓型APF在降低開關(guān)損耗、消除載波諧波方面占有一定優(yōu)勢,但電流型APF能夠直接輸出諧波電流,不僅可以補(bǔ)償正常的諧波,而且可以補(bǔ)償分?jǐn)?shù)次諧波和超高次諧波,并且不會由于主電路開關(guān)器件的直通而發(fā)生短路故障,因而在可靠性和保護(hù)上占有較大的優(yōu)勢。隨著超導(dǎo)儲能磁體的研究,一旦超導(dǎo)儲能磁體實(shí)用化,必可取代大電感器,促使電流型APF的應(yīng)用增多。
圖1 電壓型APF
圖2 電流型APF
2.1 新型電流型APF
在許多文獻(xiàn)中,對電壓型的有源濾波器討論較多,主要原因是電壓型有源濾波器用電容儲存能量,其效率高于電感儲存能量。此外,電壓型變流器的交流增益較高。但是,電流型有源濾波器也有許多優(yōu)于電壓型有源濾波器的特點(diǎn)[1],[2]:
1)電流型有源濾波器直接控制電流,而電壓型有源濾波器通過控制電壓間接控制電流,對于并聯(lián)型有源濾波器場合,電流型有源濾波器有更好的電流控制能力;
2)電流型有源濾波器中,采用L-C濾波器,這種結(jié)構(gòu)能在傳輸帶寬與抑制高次諧波之間做出較好的折中,在同樣的開關(guān)頻率和輸出相同的諧波能量時(shí),電流型有源濾波器濾除開關(guān)諧波的效率高于電壓型有源濾波器;
3)電流型有源濾波器保護(hù)更容易,工作穩(wěn)定性更高。
載波相移SPWM技術(shù)[3]的本質(zhì)是自然采樣SPWM技術(shù)和多重化技術(shù)的有機(jī)組合,該技術(shù)可以在較低的器件開關(guān)頻率下取得與較高開關(guān)頻率等效的結(jié)果。不但使SPWM技術(shù)應(yīng)用于特大功率場合成為可能,而且在提高裝置容量的同時(shí),有效地減小了輸出諧波,提高了整個裝置的信號傳輸帶寬。這就解決了大功率裝置與器件開關(guān)頻率較低的矛盾,可使GTO等特大功率器件組成的變流器用于APF裝置。我們提出了一種實(shí)用于APF的基于載波相移SPWM技術(shù)的電流型變流器。與SPWM技術(shù)相比,采用這項(xiàng)技術(shù)來消除相同的諧波所需的開關(guān)頻率更低。
基于載波相移SPWM技術(shù)的電流型APF系統(tǒng)如圖3所示。圖中有N個電流型變流器單元。在此,電流型變流器單元指一般三相六開關(guān)電流型變流器。開關(guān)由可關(guān)斷器件(如IGBT)和二極管串聯(lián)構(gòu)成如圖3(b)所示。N個電流型變流器單元在交流側(cè)并聯(lián)組成電流型組合變流器,L、C構(gòu)成二階低通濾波器濾除開關(guān)頻率諧波,圖3(b)中電阻R為電感及線路中寄生電阻,然后直接并入電網(wǎng)。直流側(cè)采用各個變流器單元相互獨(dú)立的結(jié)構(gòu),以便實(shí)現(xiàn)均流反饋。由于CPS-SPWM組合變流器輸入與輸出之間具有良好的線性傳輸關(guān)系[4],所以可以方便地引入一些優(yōu)秀的控制方法。
(a) 單模塊
(b) 多模塊
圖3 基于載波相移SPWM技術(shù)的電流型APF
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