具有无功补偿功能的并联型有源电力滤波器研究

1、第26卷第6期2004年12月黑龙江电力技术论坛具有无功补偿功能的并联型有源电力滤波器研究崔勇,朱东柏,刘骥(哈尔滨理工大学,黑龙江哈尔滨150040)摘要:阐述了基于数字信号处理器(DSP)的有源电力滤波器硬件电器设计方法。提出了一种新型的有源电力滤波器(APF)电流检测和控制方法,在补偿谐波电流的同时可进行无功补偿。经PSCAD软件仿真实验的结果表明,这种新型的电流检测和控制方法是准确有效的。关键词:有源滤波;无功补偿;DSP中图分类号:TM933.1文献标识码:A文章编号:1002-1663(2004)06-0403-04Studyonactivepowerwavefilterinpar

2、allelcapableofreactivepowCUIYong(Harbin,Harbin150040,China)Abstractandcontrolmethodofanewactivepowerwavefilterareintroduced,whichiscompensatingreactivepowerwhileamendingharmonicscurrent,themethodofhard2warecircuitdesignofactivepowerwavefilterbasedondigitalsignalprocessorisalsointroducedinthepa2per.I

3、tisshownthatthenewcurrentmeasurementandcontrolmethodareaccurateandeffectivethroughsoftwaresimulationtestofPSCAD.KeyWords:activepowerfilter;reactivepowercompensation;digitalsignalprocessor随着我国经济的发展,电力电子技术的飞速发展,大量的电力电子变流装置越来越广泛地应用到厂矿、交通、通信及家用电器设备中,使电网中的谐波污染愈来愈严重,同时由于大多数电力电子装置的功率因数很低,进而也大大降低了电网的供电质量。因此

4、,消除谐波污染及提高功率因数已经成为当前电力运行与生产部门的重大课题。有源电力滤波器能够对变化的谐波和无功电流进行快速的动态跟踪补偿,且补偿特性不受电网阻抗的影响,因而该设备是替代传统无源滤波及无功补偿装置的现代新概念电力设备。1983年,日本学者赤木泰文(H.Akagi)首先收稿日期:2004-03-16。提出了有源电力滤波器的概念,其最初构想是从补偿对象中检测出谐波电流,由电力电子装置产生一个与该谐波电流大小相等、相位相反的补偿电流注入系统,从而消除谐波电流,达到抑制谐波的目的。20世纪80年代以来,随着大中功率全控型半导体器件的成熟,有源电力滤波器得以迅速发展。与传统的无源滤波相比,有源

5、滤波具有明显的优势:a.不仅能抑制高次谐波,还可以抑制闪变,补偿无功,有一机多能的特点;b.滤波特性不受系统阻抗的影响,没有与系统阻抗发生谐振的危险;c.具有较强的自适应能力,可自动补偿变化的谐波。作者简介:崔勇(1977-),男,现攻读哈尔滨理工大学高电压与绝缘技术专业硕士学位。403© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. Vol.26,No.6HeilongjiangElectricPowerDec.20041有源电力滤波器的工作原理1.1电流信号的检

6、测补偿电流ic是由有源电力滤波器产生的脉宽调制(PWM)电压U1施加在输出电抗L1上产生的。由于Ls要远远小于Zx和Lx,所以,ic与电流电流i叠加,消除其中的谐波和无功电流。补偿电流ic与PWM电压U1之间的关系为:U1=L1电流信号的检测算法已发展出多种,影响最大的是瞬时无功功率法。该方法是建立在电压对称的三相系统上,因此,在处理三相系统不对称和单相系统时,必须人为构成三相电压对称系统,故计算复杂。本文采用了一种新颖的有源滤波及无功补偿控制算法,该算法易于实现有源滤波和无功补偿二者合一,特别适用于单相系统,是一种更为实用的控制算法。设负载电流为:t-n)=if+ih(1)iL=Insin(

7、n式(1)中,if是负载电流的基波电流分量,ih是谐波电流分量。if还可以进一步分解为有功电流分量ip和无功电流分量iq,即:ip=I1cossint1iq=I1sin1costdt(4)由式(4)可知,要产生准确的补偿电流ic,需要有源电力滤波器提供相应的PWM电压U1。电流的微分运算可以在程序中进行,也可以让电流信号在采样前通过硬件电路进行微分。下面以微分电路为例,论述补偿电流产生方法。通过微分电路后的负载电流iL与原负载电流iL的关系为:iL=Kdt(5)1分别为基波电流幅值与相角。式中,I1、式(1)分别乘以与电源电压同频同相的正弦函数2sint可得中间构造函数g1、g2:g1=I1c

8、os1-I1cos(2t-t1)sin()g2=11t-t1)+2ihcos(3)(3)中的直流分量可以构造基可以看出,由式(2)、波电流if或有功电流ip。只补偿谐波电流时,有源电力滤波器输出的补偿电流为:ic=iL-if式中,K为微分电路调整系数。设原负载电流为:-niL=sin(nnIn(t-n)K(6),人为构造、余弦信号与式(6)相乘,经低通滤波后可得到其直流分量:-1g1=K1cosg2=K1sin1-由此可以构造出微分变换后的基波电流if为:I1(cos1cost+sin1sint)if=K()dt(7)=Kdt微分后的有功电流ip为:=K同时补偿谐波和无功电流时,有源电力滤波器

9、输出的补偿电流为:ic=iL-ip1.2补偿电流的产生I1cos1icostp=K(sint)(8)=Kdtdt(7)代入式(4)得:只补偿谐波时,将式(5)、=KU1=L1(有源电力滤波器工作时,可根据要求补偿谐波电流或同时补偿谐波和无功电流,其补偿等效电路如图1所示。图1中,Es为电源电压,Ls是电源的阻抗,Lx是末端线路阻抗,Zx为负载。ii)-dtdt(9)=(iL-if)K(8)代同时补偿谐波和无功功率时,将式(5)、入式(4)得:U1=L1(图1APF补偿等效电路)-dtdt(10)=L(iL-ip)K404© 1994-2007 China Academic Journ

10、al Electronic Publishing House. All rights reserved. 第26卷第6期2004年12月黑龙江电力(10)可知,求出微分变换后的补偿由式(9)、电流,可通过调整微分电路参数K得到有源电力滤波器需要产生的PWM电流电压U1。根据PWM原理,脉宽W计算式为:W=Udn-1(11)个方波信号经过整形,形成DSP的中断脉冲,使整个电流检测和控制电路以mfs的采样频率工作。b.电流采样部分由电流互感器、低通滤波器、A/D转换器组成,其中低通滤波器的作用是隔离电流中的高频干扰信号。c.承担电流检测计算、PWM控制信号产生任务的DSP芯片为美国德州仪器公司的T

11、MS320C32,该处理器以40MHz的外部时钟运行,芯片中特殊设计的硬件乘法器和流水线指令系统保证了系统工作的实时性。d.状态开关决定了该装置的工作方式,当开关断开时,装置以有源虑波和无功补偿方式运行;当开关导通时,装置仅以有源滤波方式运行。e.PWM逆变器部分由IGBT驱动电路、IGBT桥、电容器、输出电抗器L1、变压器T组成,将补偿电流注入电网中。式中,Ud为逆变器直流电压,T为一个工频周期,n为一个工频周期内的采样点数。根据上述补偿电流控制算法,可以得出实际DSP控制系统软件流程图,如图2所示。该算法可以在T1公司为其DSP系列产品提供的开发软件平台CodeComposer中实现,具体

12、编程采用C语言与汇编语言混合编程的方法实现。3有源滤波及无功补偿仿真结果根据本文提出的电流检测和控制算法,用电力系统仿真软件PSCAD。当只,。图4(a),其21,。此时理论上需要的补偿电流波形如图4(b)所示。有源电力滤波器按照前述的电流控制算法工作,得到补偿的后的电流波形如图4(c)所示,该电流波形与图4(a)中理论基波电流波形基本吻合。同时补偿谐波和无功电流时,同样应用本文的算法,采用PSCAD软件进行仿真,得到结果如图5所示。图5(a)为补偿前电网电流波形,图中正弦波形是基波电流中的有功电流分量。此时所需的补偿电流波形如图5(b)所示,其中包含谐波电流和无功电流分量。补偿后电流波形,如

13、图5(c)所示,可以看出电网电流中的谐波和无功电流得到了有效补偿。图2有源电力滤波器控制算法软件流程图2以DSP为核心的检测及控制电路图3是以DSP芯片为核心的硬件电路结构框图。图3中电路分5个部分:a.过零同步电路产生与电源电压u同频同相的方波信号,锁相环配以分频器产生m倍于电源电压频率fs的方波信号。这两图3有沾电力滤波器硬件电路结构框图405© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. Vol.26,No.6HeilongjiangElectricPowe

14、rDec.2004(b)补偿电流波形(a)补偿前电流波形)5APF同时补偿谐波和无功电流的仿真结果(b)根据本文中论述的电流检测算法和电流控制算法设计的有源电力滤波器实验样机已在哈尔滨理工大学设计完成,现在处于实验调试阶段。4结束语有源滤波器是柔性交流输电系统(FACTS)中的重要设备,许多其他的柔性输电设备都与有源滤波器的原理存在相似之处。因此,根据其原理还可以进一步开发其他新一代电力产品,如消弧线圈、具有更优良性能的限流电抗器、连续可调阻抗、电源变换器等,具有广阔的发展潜力。(c)补偿后电流波形图4APF补偿谐波的仿真结果参考文献:1AKAGIH.NewtrendsinactivefiltersforpowerconditioningJ.IEEETrans.onIndustryApplications,1996,32(6):1312-1322.2王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿M.北京:机械工业出版社,1998.3顾建军,刘汉奎,徐殿国.并联型有源滤波器数字化控制系统的研究J.电工技术,2002,(10):24-29.4颜晓庆,杨君,王兆安.并联混合型电力有源滤波器的研究J.电力电子技术,1998,(4):4-6.5CHATTERJEEK,FERNANDESBG,DUBEYGK