有源电力滤波器电容参数确定探究

1、有源电力滤波器电容参数确定探究摘要：有源电力滤波器电容参数选取直接影响到补偿的效 果，但目前对电容参数的选取却存在一定盲目性。本文根据 有源电力滤波的原理给出了直流电容电压的确定原则，根据 瞬时无功理论分析了交直流侧能量的流动关系，得出了变流 器的有功损耗和瞬时有功功率交流分量是引起电压波动的 原因。最后通过仿真和实验对直流电容参数的确定进行了验 证。关键词：有源电力滤波器 直流电容参数 能量流动 瞬时 无功理论1概述电力电子技术的应用改善了电力系统的性能，但是也带 来了电网中谐波的污染问题。随着人们对电力环境优化要求 的提高，对谐波进行治理的技术也成为人们研究的热点。电 力系统的谐波问题早在

2、20世纪20年代和30年代就引起了 人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成 了电压、电流波形的畸变。1945年j.gread发表的有关变 流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。有源电力滤波器是治理谐波的最优产品。参考文献口中 提出了有源电力滤波的瞬时无功理论，参考文献2分析了有 源电力滤波器在非理想条件下电流滞环控制，参考文献3 研究了新型注入式混合有源滤波器的数学模型及电流控制 方法，文献4分析了并联有源滤波器的最优电压滞环电流控 制和有源滤波器滞环电流控制的矢量方法，对不同电流跟踪 方式apf连接电感选取与设计进行了研究。并且对有源电力 滤波器中连接电感的特性分析及优化

3、进行了分析。但对有源 电力滤波器直流侧电容的参数如何确定涉及的文献较少。本 文根据瞬时无功理论分析了用于不同补偿目的时有源滤波 变流器交直流侧能量的流动关系，给出了变流器的有功损耗 和瞬时有功功率交流分量是引起电压波动的原因，以三相不 可控负载为例给出了电容值选取的具体计算方法。2 apf工作原理及能量流动分析有源电力滤波器（apf ）的组成分为两部分。第一部分 电路系统是指令运算，第二部分电路系统是补偿电流。系统 的主要电路包含pwm变流器，缓冲电路，直流侧电容电路， 交流侧电感几部分组合而成。控制系统组成分为三部分。第 一部分为指令运算，第二部分为电流跟踪，第三部分为驱动 电路。apf的主

4、电路是通过6组开关器件来进行控制的，通 过这些开关器件的通断组合来决定主电路的工作状态。如果忽略各部分的损耗其交流侧的瞬时有功功率将全部传递到直流侧。即交直流侧的能量交换主要取决于瞬时有功 功率p,从而引起直流电压波动。假设电源提供的瞬时有功 和瞬时无功功率为ps和qs，滤波器提供的瞬时有功和瞬时 无功功率为pa和qa ,负载的瞬时有功和瞬时无功功率为 pl和ql。当只补谐波时负载所需的瞬时有功和无功率的交 流分量由滤波器提供。此时电源只需提供负载所需的瞬时有 功和无功率的直流流分量，即对应电流的基波分量。有源滤 波器提供负载所需的瞬时有功和无功率的交流分量。由于瞬 时无功只在交流侧三相之间进

5、行，在apf交直流侧进行交换 的能量只有瞬时有功交流的分量，其平均值为零。当只补无 功时负载所需的瞬时无功率分量由滤波器提供，有功分量由 电源提供。此时apf交直流侧没有能量交换。当同时补偿谐 波和无功时，负载所需的瞬时无功功率由滤波器提供，负载 所需的瞬时有功功率交流分量由滤波器提供，瞬时有功功率 直流分量又电源提供。在apf交直流侧进行交换的能量只有 瞬时有功交流的分量。3补偿电容值的计算电容电压的波动主要是由能量交换引起。在忽略变流器等损耗的情况下，在只补无功时交直流侧能量交换为零，电 容值提供直流电压，容值可为零；对于其他两种情况，有源 电力滤波交直流侧能量交换为负载的瞬时有功的交流分

6、量。虽然其平均值为零，但是其将会引起直流侧电压的波动。假设电源电压无畸变，电源电压三相电压，且负载电流为三相电流，由瞬时无功理论可求得负载的瞬时有功功率和瞬时无功率。电容的 c 值由关系式j%pdt=0.5xcx(udc+audc)2-0.5xcxudc2 确定。4仿真与实验结果分析利用matlab/simulin进行仿真。直流电容电压的仿真图如图所示，仿真模型负载选用相电压220v三相不可控负载。采用ip-iq法产生指令电流，利用三角波比较法使输出电流跟 踪指令电流，直流侧电容电压的稳定采用pi调节，kp=8 ,ki=0.01o时间每格为10mso通过具体的实验测量，得到的 电源电流的thd

7、值也从25%下降到4.8%。实测直流电容电 压波形中，电压每格20乂采用10:1霍尔)时间每格为4ms。 从直流电容电压波形图分析中可以看到周期性的波动，其上 下波动的变化范围在±5v,如果直流电容电压是900v的话， 测量的纹波为0.55%。由以上的测量结果可以看出本系统对 直流环节具有较好的控制效果，其直流波动指标可以满足要 求。5结论对于有源电力滤波而言，要想取得良好的补偿效果，除 了需要先进的算法和控制策略外，其电容参数的选取同样重 要。本文根据有源电力滤波的原理与数学模型分析了直流电 容电压和电网电压的关系，得出了直流电容电压的确定原 则；根据瞬时无功理论分析了只补谐波或者只补无功和两者 同时补偿时有源滤波交直流侧能量的流动关系，给岀了变流器的有功损耗和瞬时有功功率交流分量是引起电压波动的 主要原因；以三相不可控负载为例给岀了电容值选取的计算 方法；最后通过仿真和实验利对直流电容参数的确定进行了验证，电容的波动小于5v ,补偿后电流的thd值小于5% ,取得了理想的效果。参考文献:王兆安，杨君等谐波抑制和无功功率补偿m.北京: 机械械工业出版，1998.2徐君，徐德洪并联有源滤波器非理想条件电流滞环控 制分析j,电力电子技术，2007,41 ( 1 ): 60-63.3