三相四级制有源电力滤波器的研究

三相四级制有源电力滤波器的研究

1瞬时值基础上的三元电路时效无功率理论近年来，无功率补偿的问题越来越受到重视。在对变化的无功功率和谐波进行快速动态补偿和抑制时,建立在平均值基础上的传统无功功率理论已难以适应。80年代由赤木泰文(H.Akagi)提出了建立在瞬时值基础上的三相电路瞬时无功功率理论引起诸多研究者的注意,并在许多方面得到了成功的应用。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义,系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。借助于该理论,可以得到谐波和无功电流的瞬时检测方法,这大大地推动了有源电力滤波器技术的发展与应用。瞬时无功功率理论是建立在三相三线制系统的基础上。然而,在工业现场中,三相四线制系统是非常普遍的。但该理论有一定的局限性,主要是系统中存在着零序电流分量。如何将瞬时无功功率理论引伸到三相四线制系统中来,这也是国内外许多专家和学者所关心的问题,并为之做了大量的工作。2电流的ia、ia、i对于三相四线制系统,由于其含有零线电流,在进行坐标变换时,不再是一正交的平面α-β坐标系,而是含有0轴的三维坐标系,即要在α-β-0坐标系进行变换,以电压矢量为例,如图1所示,有这里ua、ub、uc是系统相电压,对于电流ia、ib、ic也有对应的关系和矢量图成立。即则瞬时有功功率p、瞬时无功功率q和零序功率p0在α-β-0坐标系的表达式为由式(3)可以看出,三相瞬时功率可以表达为下面的形式p3ϕ(t)=uaia+ubib+ucic=uαiα+uβ?iβ+u0i0=pa(t)+pb(t)+pc(t)=pα(t)+pβ(t)+p0(t)=p(t)+p0(t)(4)这里,p=pα+pβ是瞬时有功功率,而p0=u0i0是瞬时零序功率。式(4)表明,在使用α-β-0坐标变换时零序功率部分可以从系统中分离出来。q由于只取决于α-β成分,故并不包括系统的零序分量。对于正序和负序分量,只与瞬时功率p、q有关,电压或电流中的零序分量对p、q两者均无影响。3评估电流发生电路应用于三相四线制系统的有源电力滤波器系统原理结构图如图2所示。图中,负载为谐波源,产生谐波及三相不平衡电流,零线有电流流过。有源电力滤波器由指令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路及主电路四部分组成。其中后三部分共同构成了并联型有源电力滤波器的补偿电流发生电路。其基本工作原理是:通过检测补偿对象(即图中负载)的电压与电流,经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号,该信号经补偿电流发生电路放大,得出补偿电流。补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功电流相抵消,最终得到期望的电源电流。三相四线制系统与三相三线制系统的区别在于存在零线。因而用于三相四线制系统中有源电力滤波器与用于三相三线制中的相比,根本的区别在于对三相电流中零序分量的处理。有源电力滤波器由指令电流运算电路和补偿电流发生电路两部分组成,对于前一部分,要求在三相四线制的情况下仍要准确快速地形成指令电流,也就是检测出补偿对象中的谐波、基波负序、零序等电流分量;而对于后一部分,则要求根据指令电流信号正确地产生补偿电流。3.1补偿电流指令信号在三相四线制系统中,由于三相电流之和不为零,因此基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法不可直接应用。为解决在三相四线制系统中瞬时检测谐波电流的问题,这里作者提出了一种零线电流分离法来解决这个问题,即先求出其零序电流分量,将零序电流分量从各相电流中剔除,除去零序分量后的三相电流可以利用三相三线制情况下的检测方法进行检测,进而求出三相四线制系统中的谐波、基波负序、零序在内的补偿电流指令信号。同时算出的零线电流反极性后作为零线补偿电流的指令信号。指令电流运算电路的原理图如图3所示。图中C3/2=2/3−−−√[10−1/23√/2−1/2−3√/2]C3/2=2/3[1-1/2-1/203/2-3/2]C=[sinωt−cosωt−cosωt−sinωt]C=[sinωt-cosωt-cosωt-sinωt]而C-1、C2/3则是对应的逆变换。负载电流ia、ib、ic由电流霍耳测出,在零线电流分离电路中,首先计算三相电流的零序电流分量iziz=ia+ib+ic(5)然后,将各相电流中的零序分量分离,去除零序电流后的三相电流分别为i′a、i′b、i′c,即则i′a、i′b、i′c中只含有正序分量和负序分量,分别为且有i′a+i′b+i′c=0(8)此时零线电流iN为iN=ia+ib+ic=3iz(9)对于i′a+i′b+i′c,用文献介绍的基于瞬时无功功率的检测方法,得出其中的基波正序分量如下将此基波正序分量与ia、ib、ic相减,即可得出三相电流中包含谐波、基波负序、零序在内的补偿指令电流ica*、icb*、icc*。同时将计算出的零线电流iN反极性后作为零序补偿电流的指令信号。3.2电源侧的零线电流的控制在三相四线制系统中,有源电力滤波器除了要对三相电流进行谐波补偿外,还要对零线电流进行抑制,消除电源侧的零线电流。对零线电流的抑制可以有多种形式,这里采用了一种控制上相对简单的方法,主电路在结构上采用四桥臂的结构方式,即对零线电流的补偿由第四对桥臂完成,由它来产生零线电流的补偿电流iCN,iCN与iLN大小相等、方向相反、两者相消,从而抵消电源侧的零线电流。主回路的结构原理图如图4所示。3.3谐波电流的检测直流侧电压的变化由有源电力滤波器与电网之间的能量流动所决定。由于有源电力滤波器除了器件和线路损耗外,没有其他负载消耗能量,直流侧只有一个储能电容,因此,当有源电力滤波器吸收有功功率大于线路和器件的损耗时,其直流侧电压升高,反之,而直流侧电压下降。只有当有源电力滤器器吸收的有功功率等于线路和开关器件的损耗功率时,其直流侧电压才保持不变。有源电力滤波器是吸收有功功率还是发出有功功率,是由其补偿电流的基波分量与基波电压之间的相位来决定的。当基波电压与基波电流同相时,有源电力滤波器吸收有功功率;当基波电压与基波电流反相时,有源电力滤波器发出有功功率。为使直流侧电压保持一定,在图3的谐波电流检测电路中增加了直流电压反馈控制环节。直流电压的给定值Ud*与反馈值Ud比较之后的偏差,经PI调节器,与检测电路中算出的i¯i¯p相加。这样,得到的基波电流ia1f、ib1f、ic1f中就加入的基波电流成分,表示为Δiaf、Δibf和Δicf,它们与负载电流相减后,使电流指令ica*、icb*、icc*中也含有额外的基波成分。由于指令中含有基波成分,从而使有源电力滤波器在生成所需要的谐波电流的同时,提供一定的基波电流。这个基波电流与电源的基波电压相作用,控制有源电力滤波器的能量流动,以维持直流侧电容电压Ud的恒定。4评估系统组成利用所研制的有源电力滤波器装置对图4所示的谐波源负载进行了补偿实验。谐波源由一个带电感性负载的三相二极管整流桥和带电阻性负载的一个单相二极管整流桥组成。图5给出了实验结果。可以看出有源电力滤波器投入前三相电流不对称,波形畸变严重,且零线中存在较大电流。而有源电力滤波器补偿后的三相电源电流波形对称,且为正弦,零线电流基本消除。本文讨论了三相四线制电路在不同条件下的瞬时功率