采用负载电流检测控制方式的单相并联混合型有源电力滤波器

1、第21卷第4期2002年10月电工电能新技术Vol.21,No.4Oct.2002采用负载电流检测控制方式的单相并联混合型有源电力滤波器王跃,杨君,王兆安,苏晓勃,曾志东(西安交通大学,陕西西安710049)摘要:首先分析了采用原有的电源电流检测控制方式时单相并联混合型有源电力滤波器的工作原理,说明了该控制方式存在的不足,在此基础上提出一种新的控制方式负载电流检测控制方式。研制了相应的实验样机,进行了实验研究。结果验证了采用新控制方式时单相并联混合型有源电力滤波器的有效性,并且阐明其具有比电源电流检测控制方式更好的谐波补偿性能。关键词:谐波;有源电力滤波器;检测;负载电流中图分类号:TM461

2、文献标识码:A文章编号:100323076(2002)04200292041引言有源电力滤波器(ActivePowerFilterAPF)通过小相等、谐波,有源滤波器的容量将很大,而且还存在着绝缘、器件的容量和开关频率等问题。无源-有源混合型滤波器是一种新型的滤波模式。这种滤波器充分利用了无源滤波器和有源滤波器各自的优势,消除它们各自的弊端。为了降低成本,减小电磁干扰(EMI)及损耗,并尽量减小有源滤波器的容量,应采用无源-有源混合滤波方式。除上述优点外,还能解决绝缘问题,并获得最佳投资方案。因此,采用混合型滤波器是一种理想的滤波方案源电流检测控制方式123补偿效果,有必要在并联混合型APF中

3、引入新的控制方式。的工作原理,提在此基础上研制了一台并联混合型APF实验样机,并进行了相应的实验研究。实验结果表明,并联混合型APF引入新控制方式时,其谐波补偿效果比采用电源电流检测控制方式的并联混合型APF更好,从而证明了本文所提出的负载电流检测控制方式的正确性和有效性。2电源电流检测控制方式系统的拓扑结构如图1所示,将APF与无源滤波器串联混合使用。谐波和无功主要由无源滤波器补偿,而APF的作用是改善无源滤波器的滤波特性,可抑制电网阻抗对无源滤波器的影响,以及抑制电网与无源滤波器之间可能发生的谐振,从而极大地改善无源滤波器的性能。图2给出了采用电源电流检测控制方式(旧控制方式)的并联混合型

4、APF等效电路。下文分析中,ZS表示电源等效阻抗,US代表电源电压,ILf和ILh分别是负载电流IL的基波和谐波分量,ISf和ISh。以往有关并联混合型APF的研究,大都采用电425。该控制方式虽然能同时补偿负载谐波电流产生的电源电流畸变和电网电压畸变引起的谐波电流,但是它在放大倍数较低时补偿效果不好,而放大倍数高时,稳定性较差,且容易产生振荡。为了克服该控制方式的缺点,改善谐波收稿日期:2002206203基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(59737140);2001年台达电力电子科教发展基金资助项目作者简介:王跃(19722),男,辽宁籍,博士生,研究方向为谐波抑制、无功补偿及电力电

5、子技术应用;杨君(19682),男,云南籍,副教授,博士,研究方向为谐波抑制、无功功率补偿、电能质量控制技术等电力电子技术在电力系统中的应用。© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 30电工电能新技术第21卷载电流。而有源电力滤波器则同样被控制成一个电流控制电压源来改善整个滤波回路的特性,下面对其进行详细分析。与前面的分析类似,图3为系统的等效电路图。此时,有源滤波器被控制成受控电压源。图1单相混合型有源电力滤波器Fig.1Single2phasehybr

6、idactivepowerfilter图3负载电流检测控制方式的等效电路图Fig.3Equivalentcircuitadoptingcontrolapproachofloadcurrentdetection在不接有源滤波器(即KL=0)时,同检测电网谐波电流的控制方法一样,负载谐波电流ILh由无源图2电源电流检测控制方式的等效电路Fig.2Equivalentcircuitadoptingcontrolapproachsupply,S和ZF。(2)CKLILh,只考虑对ILh的补偿特性时,假设电源电压US为正弦。电源电流的谐波分量ISh和连接点处谐波电压UTh由以下二式给出:ISh=ZF-K

7、LILhZS+ZF工作时,控制产生一个KS倍于ISh的电压。对谐波,APF等效为阻值KS的电阻,而对基波,阻值为零。从图2可得ISh=ILh+ZS+ZF+KSZS+ZF+KS(3)(4)(1)UTh=VSh-ZSISh=(ZK)ZILhZS+ZF当KSµ|ZS|,ISh比不加APF时明显减少。当KS足够大时,ISh0。通过控制APF让KS充分大,就能使电源电流不含谐波,成为正弦电流。3Uc由式(3)可知,若能控制KL为一复数,使其和无源滤波器的谐波阻抗ZF相等,就可以使电源谐波电流近似为零。由式(2)还看出,有源电力滤波器与采用电源电流检测控制方式时一样不承受基波电压,这使得有源滤波

8、器的容量很小,完全取决于滤波回路频偏的大小。负载电流检测控制方式(新控制方式)与旧控制方式的主要区别是APF输出电压指令的形成方式不同。电压指令不是通过检测电源电流间接获得,而是直接检测负载谐波电流获得。工作时,并联混合型APF相当于受控电压源,串联在无源滤波支路,用于滤除负载的谐波电流。312谐波电压指令的计算采用旧控制方式时,APF输出电压指令应为=KSISh。该控制方式的优点是既能补偿负载谐波电压产生的IS畸变,也能补偿电网电压畸变引起的IS畸变。不过其补偿效果取决于KS的大小。虽然KS越大补偿效果越好,但是,如果KS取得太大,则控制系统不稳定。为了保证控制系统的稳定性,不得不将KS取小

9、,所以采用旧控制方式的并联混合型APF补偿效果不理想。3负载电流检测控制方式311工作原理根据上面的分析,负载电流检测控制方式的并联混合型APF输出电压指令应为UC=KLILh。因此,需要对ILh进行检测,这可以通过基于时域的谐在负载电流检测控制方法中,与电源电流检测控制方式所不同的是指令运算电路的输入信号为负© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第4期王跃,等:采用负载电流检测控制方式的单相并联混合型有源电力滤波器时谐波电流。(5)31波检测方法而得到

10、。一般电网瞬时电流iS可以分解为:iS(t)=ip(t)+iq(t)+ih(t)式中ip(t)为瞬时基波有功电流,iq(t)为瞬时基波无功电流,ih(t)为瞬时谐波电流。设电网电压为uS(t)=UScost,而含有谐波的周期性非正弦电网电流可以用傅里叶级数表示,即式(5)可进一步写成:图4基于时域的谐波检测算法Fig.4Time2domainharmonicsdetectionmethodis(t)=Ipcost+Iqsint+n=2Icos(nt+)hn(6)4实验研究基于前述负载电流检测控制方式和并联混合型APF的主电路结构,研制了一台单相并联混合型APF的实验样机,并用它来进行了对直流侧

11、带有大式(6)中电网电流iS可以测出,而cost是与电网电压同相位的正弦量。如能分离出ip(t),iq(t),则应补偿的谐波电流也可得出。将式(6)的两边同乘以cost则有iscost=Ip(1+cos2t)+Isin2t+22qn=2)电感的单相桥式整流电路进行谐波补偿的实验研究。为了便于对比,分别采用两种控制方式进行了实验,另一种基于Icos(n+1)t+t+nn+cos(n-1)2h式(7)Ip例,基波频率之差的低通滤波器可得到Ip2,若再将输出结果扩大1倍,使之输出Ip,这样可求出瞬时基波有功电流:ip(t)=Ipcost(8)图5补偿前电源电流波形Fig.5Supplycurrent

12、beforecompensation为了求瞬时基波无功电流,可以在式(6)的两t,得:边同乘以sinis(t)sint=Ipsin2t+I(1-cos2t)+22qn=2Isin(n+1)t+t+n-sin(n-1)n2h(9)式(9)中相当于直流分量的那一项与Iq成比例,采用同样方法可以得到Iq,并求出瞬时基波无功电流:iq(t)=Iqsint(10)图6补偿前电源电流频谱Fig.6Spectrumofsupplycurrentbeforecompensation从而得到瞬时谐波电流:ih(t)=is(t)-ip(t)+iq(t)=is(t)-if(t)(11)算法的框图见图4。图中,锁相环

13、(PLL)用来产生与电源电压同相位的正弦信号,这样当电压畸变时,该检测算法也能准确地测出电网电流中的瞬图5、图6给出了未补偿时流入电网的电流波形及其频谱。记录采用的是HIOKI公司的3193功率分析仪。并联混合型APF投入后,采用旧控制方式并取KS为9时,电流波形及其频谱如图7、图8© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 32电工电能新技术第21卷所示。而图9、图10分别是投入采用新控制方式的并联混合型APF后的电流波形及其频谱。从图中可以看出,两种控制方

14、式均能使补偿后电流波形谐波含量大大减少,但是采用新控制方式时谐波补偿效果更好。分别从投入前的25108%、14190%降为13175%、4156%。而采用新的控制方式,3次、5次谐波则分别降为2146%、1117%。由此可以看出,并联混合型APF采用新控制方式时,其补偿效果有明是提高。图10补偿后电源电流及其频谱(新控制方式)图7补偿后电源电流波形(旧控制方式)Fig.7Supplycurrentaftercompensation(adoptingpreviouscontrolapproach)Fig.10Spectrumofsupplycurrentaftercompensation(nov

15、elcontrolapproachisadopted)表1网侧3次、5次谐波电流含有率Tab.1Harmonicratioofthe3andofsupplycurrentrdth(旧控制方式)补偿后(新控制方式)25108%13175%2146%5次相对谐波含量14190%4156%1117%5结论图8补偿后电源电流频谱(旧控制方式)Fig.8Spectrumofsupplycurrentaftercompensation(previouscontrolapproachisadopted)本文分析了并联混合型有源电力滤波器的工作原理,提出了一种负载电流检测控制方式。新控制方式采用基于时域的谐波

16、检测方法,能对负载谐波电流进行检测,且简单直接。在此基础上研制了一台并联混合型APF实验样机,进行了相应的实验研究,并与采用电源电流检测控制方式的APF进行了对比。实验研究表明,采用新控制方式的并联混合型APF谐波补偿效果更好,完全能够应用于实际。参考文献:1唐卓尧,任震.并联型混合滤波器及其滤波特性分图9补偿后电源电流波形(新控制方式)Fig.9Supplycurrentaftercompensation(novelcontrolapproachisadopted)析J.中国电机工程学报,2000,20(5):25229.2HirofumiAkagi.TheState2of2the2arto

17、fpowerelectronicsinJapanJ.IEEETrans.onPowerElectronics,1998,13(2):3452356.3PTCheng,SBhattacharya,DDivan.Controlofsquare2waveinvertersinhighpowerhybridactivefiltersystemsJ.IEEETrans.onInd.Applicat.,1998,34(3):4582472.(下转第63页,cont.onp.63)通过频谱分析,可得采用两种不同控制方式的并联混合型APF投入前后网侧电流中的主要谐波含量,示于表1。投入采用旧控制方式的并联混合

18、型APF后,流入电网的电流中的3次、5次谐波含量© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第4期李云阁,等:消除中性点接地系统铁磁谐振新方法63Novelschemeforsuppressingferroresonanceonneutral2groundedsystemsLIYun2ge,SHIWei,QINRui,YANGJi2lin1123(1.XianJiaotongUniversity,Xian710049,China;2.PingliangBure

19、auofElectricPowerAdministration,Pingliang744000,China;3.JingyuanPowerPlant,Baiyin730919,China)Abstract:FerroresonanceduetothesaturationofPTmagnetizingcharacteristicsisfrequentlyreportedtohappenonthebusbarsofneutral2groundedsubstations.Aschemeisproposedtosuppressit.Beforeferroresonanceislikelytohappe

20、n,severalresistorsinparallelaresimultaneouslyswitchedintothewyesecondarycircuitofthePT.Aftersometime,howev2er,theresistorsareswitchedoutofthecircuitnotallatoncebutoneatatime,toavoidexcitingferroresonanceagain.TheresistancevalueandthenumberoftheresistorsaredeterminedbyEMTPsimulation.R2V2F(resistance2

21、voltage2fre2quency)graphs,readilymadebasedonthesimulationresults,canclearlyshowthetendencyofthesuppressingeffectofvariedresistancevalues.OneadvantageoftheproposedmethodisthatR2V2Fgraphsareaconvenienttoolforengineerstodealwithferroresonantproblems.Anotheradvantageisthatthenatureofferroresonance,atpow

22、erfrequencyorfrac2tionalfrequency,canbeignored.Basedonthescheme,aprototypehasbeendevelopedbyemployingaPC,switchcards,thyristorsandresistors.Itsucceededineliminatingferroresonanceata110kVsubstation.addition,itisdem2onstratedthatthiskindofferroresonancecannotbesuppressedsecondarycircuit.Keywords:circu

23、itbreaker;electro2magnetic;E;(上接第32页,p.4SBhattacharya,DDivan,BBanerjee.ControlandreductionofterminalvoltagetotalharmonicdistortioninahybridseriesactiveandparallelpassivefiltersystemA.Proc.IEEEPESC93C.1993.7792786.5SBhattacharya,PTCheng,DDivan.Hybridsolutionsforimprovingpassivefilterperformanceinhigh

24、powerapplica2tionsJ.IEEETrans.Ind.Appl.,1997,33(3):7322747.6卓放,杨君,胡军飞,等.三相四线制有源电力滤波器主电路的结构形式与控制J.电工电能新技术,2000,19(2):126.7卓放,杨君,王兆安,等.用于三相四线制系统的有源电力滤波器研究J.西安交通大学学报,2000,34(3):87290.Single2phaseparallelhybridactivepowerfilteradoptingnovelcontrolapproachofloadcurrentdetectionWANGYue,YANGJun,WANGZhao2an,SUXiao2bo,ZENGZhi2dong(XianJi