新型高压大容量混合有源电力滤波装置的研究

摘 要:提出一种新颖的高压大容量混合型有源电力滤波电路(HAPF)｡无源支路在补偿无功功率的同时还可以滤除因非线性负载产生的特征谐波电流｡有源部分通过耦合变压器与基波串联谐振电路并联构成串联谐振注入式混合有源滤波器｡详细介绍该新型结构的基本工作原理,分析其谐波补偿特性及谐振抑制特,并对其有源部分的参数设计进行研究｡依此方法为某矿厂研制了高压大容量混合型有源电力滤波装置,运行结果表明该装置能很好的满足工程需要｡

关键词:谐波抑制;无功补偿;参数设计;有源电力滤波器

中图分类号:TM13文献标识码:A

1 引 言

随着电力电子器件在工业中的广泛应用,电网的谐波污染问题日趋严重｡谐波不仅影响电气设备的正常工作,还给电网的安全经济运行带来隐患[1-2]｡目前,消除谐波的方法主要有无源滤波器(PPF)､有源滤波器[3](APF)和混合型滤波器[4-7](HAPF)｡PPF的滤波特性由电网阻抗与滤波支路阻抗的比值决定,并受电网系统参数的影响很大｡APF虽能克服PPF存在的缺陷,但受其开关器件容量和成本等方面的限制,无法独立挂载在大功率高压电网运行｡而HAPF兼顾了两者的长处,初期投资小,性价比高,能满足高压大容量系统实用化的要求,是目前工程应用中主要采用的形式[8]｡

文章以高压大容量系统谐波治理为目的,针对某矿厂电解整流电源的具体工况,研制了一种高压大容量混合型有源电力滤波装置｡运行结果表明,该装置很好的满足了工程的整体需要｡由于目前国内有源滤波器的工程应用实例很少,因此该套装置的设计方法对其它HAPF的工程应用可起到一定的指导和借鉴作用｡

2 注入式有源电力滤波装置的结构原理

2.1 主电路结构

该结构以电压型逆变器(VSI)作为其有源部分,以多组单调谐滤波器组成的无源滤波器作为其无源部分｡有源部分通过耦合变压器与基波串联谐振电路并联构成串联谐振注入式混合有源滤波器｡整个补偿装置与电网并联｡电压型逆变器为基于自关断器件的脉宽调制PWM逆变器,直流端为一大电容,VSI的输出端接有输出滤波器,以此来滤除开关器件通断造成的高频毛刺｡注入支路由电容C1､电感L1和电容CF构成,其中电容C1和电感L1构成在基波频率谐振电路｡这样利用C1和L1的基波谐振原理,使有源电力滤波器既不承受基波电压也不承受基波电流,从而极大地减小了有源电力滤波器的容量,降低有源谐波补偿系统的投资,提高性能价格比,达到APF实用化及谐波抑制的目的｡

计算技术与自动化2007年6月第26卷第2期常 春:新型高压大容量混合有源电力滤波装置的研究

图1 系统结构图

2.2 滤波原理分析

д个补偿装置的单相等效电路如图2所示｡谐波负载被看作一个谐波电流源iL,uS为系统电源电压,有源部分被控制为一个理想的受控电流源｡图中,LS为电网等效电感,CF､C1､L1､CP､LP分别为注入支路及无源滤波器组的电感和电容｡ZSh､ZPh､ZCF､Z1分别为电网阻抗､无源部分阻抗､注入电容阻抗､C1和L1的串联阻抗｡

由图2(b), 并根据基尔霍夫定律可写出如下方程:

若将有源部分等效为一个受控电流源:

式中,iSh为电网支路电流的谐波分量,K为控制放大倍数｡解该方程组得:

从式(6)可以看出,当iLh､uSh为一定时,如果增大K,iSh将减小｡当值足够大时,大部分负载谐波将流入无源滤波器,达到了很好的滤波效果｡而且,当不考虑系统电压畸变引起的谐波电流时,即令uSh=0:

从式(4)可以看出,对于iSh而言,图3和图2(a)是等效的,其中Z=KZ1ZPhZCF+Z1+ZPh由图3可看出,补偿装置的有源部分相当于在电网支路串联了一个可控的谐波阻抗,当Z足够大时,流入电网的谐波电流将会很小,接近于0,起到抑制谐波电流的作用;同时可以抑制无源部分与电网阻抗间的并联谐振｡

3 仿真结果

为了进一步验证本文提出的滤波装置的可行性,本节进行了仿真分析｡

3.1 谐波补偿特性分析

定义式(4)为谐波源谐波抑制函数,利用Matlab软件对其进行幅频特性分析｡以此来讨论本文提出的注入式混合型有源滤波装置的谐波补偿特性｡

图4给出了滤波装置在不同的控制放大倍数情况下谐波源谐波抑制函数的幅频特性曲线,系统等效电感的取值为LS=0.3mH｡

图4 不同K值时谐波源谐波抑制函数幅频特性[JZ)]

从图4中可以看出,当K=0,即补偿装置只投无源部分时,只对固定频率的谐波及高次谐波有较大的抑制作用｡当投入有源部分后,从图中可以看出,所有频率段的幅频特性都被下压,谐波抑制效果有了很大的改善,流入系统的谐波电流很小｡图中分别给出了控制放大倍数K=10､K=20时的谐波源谐波抑制函数的幅频特性曲线,可见,随着K值的增大,系统的谐波抑制效果越好｡因此,本文提出的滤波装置具有良好的谐波补偿性能｡

3.2 抑制谐振性能分析

HAPF不但具有良好的谐波补偿性能,还能对无源支路和系统等效阻抗之间的谐振起到一定的抑制作用｡我们仍然利用(4)式所表示的谐波源谐波抑制函数,在三维空间中作出它的幅频特性,并由此来讨论补偿装置抑制谐波谐振的性能｡

只投无源部分时,谐波源谐波抑制函数的幅频特性如图5(a)所示,图5(b)给出的是投入有源部分后的幅频特性｡

由图(5)可以看出,投入有源部分后,无源支路和系统等效阻抗之间的谐振得到了很好的抑制｡

图5 不同值下的幅频特性[JZ)]

4 HAPF的研制

HAPF的设计主要包括无源支路､有源部分和控制器设计等方面的内容｡HAPF无源部分参数设计的主要依据系统需要的无功补偿容量和谐波含量的状况,同时结合成本因素,进行多目标的优化设计,这方面的内容已有相关的文献作了专门的探讨,因此本文将以高压大容量混合型有源滤波装置的设计为例,把重点放在有源部分参数设计上｡

有源部分的设计主要包括大功率逆变器､逆变器直流侧电容电压和容值､输出滤波器电感和电容参数的设计｡如果这些参数的设计不当,将直接影响APF的滤波性能,严重时还将导致APF因过流､过压而不能正常工作,甚至毁坏｡

4.1 逆变器直流侧电容的设计

在直流侧电容的选取方面,直流侧电容的容值越大,电压波动就越小,但电容器的成本也就越高,同时装置的体积随之增大,故在保证电压波动要求的前提下应尽量减小直流电容的值｡直流侧电容由三相全桥整流电路供电,为APF提供了一个稳定的直流工作电压Udc,免去了APF控制器对直流电压的控制,大大减少了控制算法的复杂度,同时这种结构的直流侧电压Udc不再因APF输出功率的变化而产生电压波动,提高了APF输出的稳定性和准确性｡

三相全控桥式电路直流侧电压平均值Ud为:

考虑关断浪涌冲击电压,选取直流电容额定电压值为800V｡直流侧电容的容值根据工程设计的经验[9]有以下计算公式:

式中IF为逆变器的额定输出电流方均根值(A),Ud为直流电压平均值,fmin为逆变器的最低输出频率,σ为允许直流电压频率低峰值纹波因数,KΦ为负载位移因数角Φ有关系数｡

4.2 输出滤波器的设计

有源逆变器输出电压中除了含有所需的补偿电压外,还含有因功率器件的开断所带来的高频毛刺｡因此必须用输出滤波器将逆变器工作引起的高频毛刺滤除｡

1)输出滤波器的频率:一般确定输出滤波器中电感L和电容C的谐振频率f0位于中间频段,使之满足10f

2)输出滤波器电感电容的取值:在确定输出滤波器的谐振频率后,并不能简单的按照投资费用最小法设计电容和电感的值,而需要考虑整个系统的网络阻抗｡

忽略电网和负载等阻抗的影响,可以得到上述结构等效到耦合变压器原边的单相等效电路,如图3所示｡其中:L′为逆变器输出电压,K为耦合变压器变比｡

图6所示的电路在基波频率以上只有一个谐振点,其幅频特性由谐振点向两边不断地减少｡所以在设计输出滤波器和耦合变压器时,应该把这个谐振点尽可能地设计在需要发出的主要特征谐波的中间,以便在需要发出的特征次谐波点取得较高的幅值系数,从而降低逆变器所需的电压等级｡即:

其中,ωn为理想谐振点的频率｡因此确定Lo和Co的谐振频率后,由式(7)即可获得Lo和Co的参数｡

5 工程应用

为某矿厂研制的大功率混合型有源电力滤波装置已经投入运行｡该装置无源部分由和次LC滤波器组成;注入支路的谐振频率为6次｡HAPF的具体参数见附录｡

从图7的波形图可以看出,该补偿装置投入运行后,5次､7次､11次及13次特征谐波得到很好的抑制;同时,功率因数从0.55提高到0.91｡并且,在投运过程中没有出现谐振现象｡符合无功补偿及谐波治理的标准,满足了工程需要｡

6 结 论

本文提出的高压大容量混合型有源滤波装置适用于高压系统,并具有大容量的谐波与无功补偿能力｡现场运行该套装置能够很好的抑制电网谐波,并能补偿一定的无功功率,可靠性高,抗干扰能力强,完全满足现场要求,且具有良好的经济､社会效益,应用前景广阔｡

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。