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有源電力濾波器設(shè)計

作者: 時間:2007-11-16 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
摘要:以三相系統(tǒng)中的電網(wǎng)電流為研究對象,介紹了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理,討論了主要元件參數(shù)的和計算。
關(guān)鍵詞:;諧波檢測


O 引言
近年來,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越受到關(guān)注。
電力濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功功率的新型電力電子裝置,能對大小和頻率都變化的諧波及無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。和傳統(tǒng)的無源濾波器相比,有突出的優(yōu)點(diǎn)。
(1)對各次諧波和分?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)生波動時,不會影響補(bǔ)償效果。并能對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)用一臺裝置就可以實(shí)現(xiàn)對各次諧波和基波無功功率的補(bǔ)償;
(5)不存在過載問題,即當(dāng)系統(tǒng)中諧波較大時,裝置仍可運(yùn)行,無需斷開等。
由以上可看出,它克服了傳統(tǒng)的無源濾波器的缺點(diǎn),具有良好的調(diào)節(jié)性能,因而有很大的發(fā)展前途。
本文對適用于電力系統(tǒng)的有源電力濾波器的原理和進(jìn)行介紹。


l 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)時檢測補(bǔ)償對象的電壓和電流,經(jīng)指令電流運(yùn)算單元計算出補(bǔ)償電流指令信號,該信號經(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,有源電力濾波器檢測出補(bǔ)償對象負(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。通過霍爾傳感器檢測非線性負(fù)載的電流iLa、iLb、iLc經(jīng)電流信號調(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計算出需要補(bǔ)償?shù)闹C波和無功電流后,通過外部D/A送入電流跟蹤控制電路。霍爾傳感器檢測有源電力濾波器主電路的電流ica、icb、icc,經(jīng)電流信號調(diào)理后也送入電流跟蹤控制電路,電流跟蹤控制電路對主電路補(bǔ)償電流與指令電流進(jìn)行滯環(huán)比較后送出柵極開關(guān)驅(qū)動信號,驅(qū)動電路接受來自前級電流跟蹤控制電路的PWM信號,并經(jīng)隔離放大后驅(qū)動主電路的開關(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)時補(bǔ)償諧波與無功功率的目的。電壓傳感器檢測變流器直流側(cè)總電壓,經(jīng)電壓信號調(diào)理后送入指令電流發(fā)生電路,通過合理的控制以凋節(jié)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。啟動、關(guān)斷和保護(hù)模塊按一定的時序控制裝置的啟動和關(guān)斷,并提供裝置的過流、過壓、過熱、缺相等故障保護(hù)功能。


2 有源電力濾波器主電路設(shè)計
設(shè)計主電路時,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、單個變流器的形式。
主電路設(shè)計需要解決的問題是:主電路容量的計算;開關(guān)器件的選擇及其參數(shù)的確定;對補(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;按所選器件要求的驅(qū)動電路的設(shè)計以及整個裝置的各種保護(hù)電路設(shè)計。
2.1 主電路容量的計算
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)計裝置的容量為15 kVA,則

Ic=SA/3E=15x103/3x220=22.7 A
2.2 功率開關(guān)器件的選取
目前適用于APFP中的全控型開關(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)單個器件的容量難以滿足要求時,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?。額定電流由補(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關(guān)頻率較高,在一個開關(guān)周期內(nèi)可認(rèn)為電壓ea基本不變,則滯環(huán)控制時補(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),可分別計算出電流的上升時間Tu和下降時間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:最小開關(guān)頻率為12.767 kHz,最大開關(guān)頻率為20.833kHz,平均開關(guān)頻率16.8 kHz。
2.4 直流側(cè)電壓的計算和電容的選取
主電路的工作模式及相應(yīng)的開關(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,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


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


也不會永遠(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。若電容值選擇過小。主電路直流側(cè)電壓波動就會過大,影響有源電力濾波器的補(bǔ)償效果;而若電容值選擇過大,則主電路直流側(cè)電壓動態(tài)響應(yīng)變慢,電容體積和價格也會增加。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。電感值過大,則系統(tǒng)不能適時跟蹤指令電流信號,而且電感值的增大也會造成設(shè)備成本的增加;反之。如果太小,則補(bǔ)償后的紋波電流過大。因此,設(shè)計時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,對于A相有



式(23)中,對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,則會使補(bǔ)償電流的紋波過大,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
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,對其主電路的參數(shù)設(shè)計給出了理論上的依據(jù),討論了采用滯環(huán)控制時電網(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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關(guān)鍵詞: 設(shè)計 濾波器 電力 有源

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