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有源滤波器补偿前后负载谐波电流变化的定量分析

2022-11-18 来源:易榕旅网
电气传动 2012年 第42卷 第1O期 ELECTRIC DRIVE 2012 Vo1.42 No.10 有源滤波器补偿前后负载谐波 电流变化的定量分析 高健 ,张艳军。,卓放 ,易皓 (1.太原理工大学机械工程学院,山西太原030024; 2.西安交通大学电气工程学院,陕西西安710049) 摘要:在有源电力滤波器的现场应用中,存在这样一种现象,即待治理网络的负载侧电流谐波含量经补偿 后会发生增大,而这一现象在大功率谐波治理场合显得尤为明显。为了解释这一现场实际现象,建立了有源 滤波器补偿系统的简化模型,并通过理论分析推导出了补偿前后负载谐波电流变化关系,进而对其进行了定 量分析。通过仿真和实验再现了这一现象,并验证了理论分析的合理性。 关键词:有源滤波器;负载电流;定量分析 中图分类号:TM464 文献标识码:A Quantitative Analysis of Load Current Harmonics Variation:with/Without Active Power Filter Compensation GAO Jian ,ZHANG Yan—jun ,ZHUO Fang ,YI Hao (1.School of Mechanical Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,Shanxi,China; 2.School of Electrical Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,Shaanxi,China) Abstract:In practical field of active power filter(APF),there is a phenomenon that the load current har— monics of treated system would become larger when APF switched on,and it would be much more serious in high—power applications.In order to explain such phenomenon,a model of APF system was established, through which the variation relationship of load current harmonics,in the condition of with or without APF, were deduced tO make the relate quantitative analysis.Finally the simulation and experiment were carried out tO reappear the phenomenon and verify the reasonability of theoretical analysis. Key words:active power filter;load current;quantitative analysis 1 引.fi口- 有源滤波器作为一种新型的谐波抑制装置, 偿后增大的这一现象。 2 系统结构 并联型有源滤波器结构图如图1所示。图2 为指令电流检测控制框图,应用瞬时无功功率理 论。图1中i (忌一a,b,c)为负载电流,i 为电源 电流, 矗为指令电流,i 为变流器输出电流, 为 可以动态地补偿谐波,并克服无源滤波器的缺点, 具有很大的应用前景_】 ]。近年来,学者们对有 源滤波器进行了深入的研究,提出了许多种有源 滤波器拓扑和控制策略『5 ]。然而,基于检测负 载谐波电流的并联型有源滤波器 由于其结构简 单,对系统谐波电流开环控制,不存在稳定性问题 等优点而在工业场合得到广泛应用。 电源电压,U五为直流侧电压指令,Ua。为直流侧电 压,z ,z ,Z。 为电源内阻抗。有源滤波器通过 指令检测电路检测负载的谐波电流,与直流侧电 压控制电流共同作为指令电流,通过电流闭环控 本文通过建立基于检测负载谐波电流的并联 型有源滤波器系统的简化模型,对此模型进行理 论分析,定量地给出了补偿前后负载谐波电流的 关系,定性并定量地解释了负载谐波电流经过补 制及PWM控制使有源滤波器输出谐波电流,补 偿电源中的谐波电流,最终使电源电流中不含有 谐波电流。 作者简介:高健(1962一),女,工程师,Email:jane_g95@163.conl 40 高健,等:有源滤波器补偿前后负载谐波电流变化的定量分析 电气传动 2012年 第42卷 第10期 图1系统结构框图 Fig.1 Block diagram of system configuration 图2指令电流检测框图 Fig.2 Block diagram of reference current calculation 3 简化模型的理论分析 将有源滤波器看作理想的受控电流源i ,并 将负载看作带内阻 的谐波电流源i 。[9 ,图1 所示的系统模型可以简化为图3。有源滤波器产 生与负载谐波电流i 大小相等、方向相反的补偿 电流i ,系统电流i 就为无畸变的正弦电流,实 现滤波功能。按电源电压U 有畸变的一般情况 下,只考虑谐波分量,那么对任意次谐波分量等效 电路如图4所示。对图4进行电路分析可以得: g一 一 Zsh+ZLh 么sh十ZIsh ㈩十^ 、  iLh—i h+ h (2) 若有源滤波器对负载谐波能完全补偿,那么 i h一0 (3) 将式(3)代入式(1)、式(2)得 iLh—i h— I 0h+(己,。h/ZI h) (4) I oh= l h一(Ush/zI h) (5) 图3系统简化模型 Fig.3 System simplified model 图4系统谐波等效电路 Fig.4 System harmonic equivalent circuit 如图5所示,在未加上有源滤波器时,电源电 流与负载电流中的谐波分量相等,根据对电路的 分析可以得到: g’Lhb 一z s 一— —工 一===  ㈣Lb  将式(5)代人式(6)可以得: iLh一(1+ L,sh)・iL (7) 由式(4)、式(7)合并转化为有效值得  I7 I h 一 I|hn==(1+十等 ÷)・IL (8) 式(7)表示了补偿前后负载谐波电流的关系, 可以看出补偿后的负载谐波电流是补偿前的(1+ z /Z )倍,显然补偿后的负载谐波电流大于补 偿前的负载谐波电流,也就是说负载谐波电流经 过补偿后被放大了,放大程度由电源内阻抗 和 负载等效内阻抗z 的比值决定。电流源型负载 的内阻Z 相对于电源内阻Z 比较大,it 略微比 i 大一些;而电压源型负载的内阻相对于电源内 阻 比较小, “远大于i ,甚至是后者的几倍。 所以,并联有源滤波器适用于补偿电流源型负载 而不适用于补偿电压源型负载。当负载为不控整 流桥带RL负载时,负载电流在补偿前后放大现 象在要补偿的负载谐波较小时并不太明显,随着 负载谐波容量的增大,这一现象才引起人们的关 注和重视;当负载为不控整流桥带RLC或RC负 载时,这一现象比较容易被发现。 图5未加有源滤波器的系统谐波等效电路 Fig.5 System harmonic equivalent circuit without APF 4仿真和实验研究 4.1仿真及结果分析 采用Matlab/Simulink仿真软件对图1系统 进行了仿真。电源线电压为380 V,频率为50 Hz;电源内阻抗为R 一0.1 Q,L =0.05 mH;负 载为三相不控整流桥带RCL负载,R 一1 Q, L 一0.2 mH,C 一1 mF。仿真时间为0.2 S,在 0.1 S时投入有源滤波器来观察有源滤波器投入 前后负载谐波电流的变化情况。 图6为系统仿真波形图。图6中的波形由上 至下分别为公共连接点电压U cc,负载电流 , 41 垦 01 第42卷 第10期 高健,等:有源滤波器补偿前后负载谐波电流变化的定量分析 分析;图7b为负载电压和负载电流波形;图 7c~图7f为负载电流在5次、7次、l1次和13次 的FFT分析。图8为并联型有源滤波器投入后 对应的实验波形。 电源电流i ,有源滤波器输出电流i 。在0.1 S时 投入有源滤波器,有源滤波器输出相应的谐波电 流,电源电流i。和公共连接点出的电压U cc得到 了有效的补偿,负载电流i 在投入瞬间增大。表 1为并联有源滤波器投入前后系统参数的对照 表。并联有源滤波器投入后,电源电流i 的 THD由投入前的21.11减小至3.03,公共连接 点电压UPcc的THD由原来的4.79减小至2.67, 可见此有源滤波器具有较好的滤波效果。 /\八/\/、八/^\/^\./\/^\. 4()0 L— —— —— — ——J-——L_—J——J_——Lj 一 !凸:凸△:凸 △△ 凸 凸 凸12 要一 △△△△△△△△△ § 卜———  o ————一 M—— 广■赢 M 图6系统仿真波形 表1 有源滤波器投入前后系统参数对照表 before and after APF switched on 负载电流/A 电源电流/A 公共连接点电压/V 5次 62.61/73.49 62.61/4.85 7.97/0.62 7次 19.41/23.29 19.41/4.44 2.88/O.64 11次 7.08/10.93 7.o8/1.66 1.41/o.32 13次 5,73/7.76 5.73/1.53 l,30/0.33 1 7次 3.39/3.93 3.39/1.28 0.98/0.36 1 9次 2.58/3.26 2.58/1.56 0.81/0.49 总有效值 380.98/398.87 380.98/322.48 197. ̄2/193.84 THD 21.11/24.29 21.11/3.03 4.79/2.67 表1表明有源滤波器投入后,负载电流的有效 值由投入前的380.98 A增大到393.87 A,各次谐 波电流也有不同程度的增大。以5次谐波为例,有 源滤波器投入后,5次谐波电流由投入前的62.61 A增大到73.49 A,即ILh5=1.171L 。由Matlab 测得l Zs 1—0.101,l ZI_h5 l一0.623,代人式(8)可以 计算出J,|h 一1.161L ,计算值与实验测量值基本 吻合,证明了式(7)和式(8)的正确性。 4.2实验及结果分析 本实验在某厂利用50 kV・A的并联型有源 滤波器进行谐波治理的工业现场进行。电网电压 为380 V,电网频率为50 Hz,负载为整流桥带卷 包机负载。图7为并联型有源滤波器未投入时的 实验波形。其中图7a为负载电压在5次时FFT 42 图7有源滤波器未投入时实验波形 Fig.7 Experiment results when APF switched off VOLTS/AMPS/HERTZ 381.7 v2 1 4CF 500Hz 1 6CF 71 OAz 乇 : (0 图8有源滤波器投入后的实验波形 Fig.8 Experiment results when APF switched on 高健,等:有源滤波器补偿前后负载谐波电流变化的定量分析 电气传动 2012年 第42卷 第1O期 电力出版社,1988. 由图7和图8对比可以看出,有源滤波器投 入后电压总畸变率由原来的7.8 降到了4.5 , 其中5次谐波电压从28 V降到了16.3 V。电压 波形得到改善,电能质量明显好转。但5次、7 次、11次和13次谐波分别上升了1.6 A,1.8 A, 0.2 A,0.2 A,负载电流的THD也由原来的 23.5 9/6上升到26.8 9/5。此实验再现了待治理网 络的负载侧电流谐波含量经补偿后会发生增大这 一[3] 罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京:中 国电力出版社,2006. 74] Akagi H.New Treends in Aetive Filters for Power Condi— tioning[J].IEEE Trans.on IA,1996,32(6):1312—1322. [53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):87—90. E63 Li Dayi。Chen Qiaofu,Jia Zhengchun,et a1.A Novel Ac— tive Power Filter with Fundamental Magnetic Flux Corn— 现象,表明了上文理论分析的合理性。 pensationEJ].IEEE Trans.on Power Deli,2004,19(2): 799—805. 5 结论 本文通过对有源滤波器补偿前后负载电流的 定量分析,发现负载谐波电流在有源滤波器投入 I-7]唐欣,罗安,涂春鸣.新型注入式混合有源滤波器的研究 03.电工技术学报,2004,19(11):50—55,60. [8]童立青,钱照明,彭方正.有源滤波器电路拓扑研究综述 [J].电力电子技术,2009,43(1O):2—4, 后放大的程度由电源内阻抗和负载等效阻抗的比 值决定的。对负载谐波电流经过有源滤波器补偿 后增大这一现象进行了解释。 参考文献 -193张轩,刘进军,王兆安.不同负载特性下并联有源滤波器补 偿特性的量化分析[c]∥中国电工技术学会电力电子学会 第十一届学术年会,杭州,2008:126—13O. [1O]王群,姚为正,刘进军,等.谐波源与有源电力滤波器的补偿 特性[刀.中国电机工程学报,2001,21(2):16—20. E1] 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. 丽百两 丽T=丽 [23 吴竞昌,孙树勤,宋文南,等.电力系统谐波[M].北京:水利 修改稿日期:2012—05—14 (上接第30页) 的一个电感的绝缘做成了分级绝缘,从而大幅度 降低了电感的制造成本。 本文以斩波频率200 Hz为例进行计算,如果 保持设备的体积和重量基本不变,降低斩波频率, 可以降低开关的损耗,这也是一种技术上的选择。 参考文献 图8 M=一I12.8“H时输出电压波形 Fig.8 The output voltage wave when M 一1 12.8 uH [1]机车电传动编辑部.高速列车轻量化技术[J].机车电传 动。2004(4):1—2. E2] 贺以燕,郭振岩,赵良云.不燃油与难燃油及其变压器的发 5 结论 通过本文的分析,可以得到以下结论。 1)通过改进直流斩波器输出侧滤波器的电路 结构,在保持电容值不变的情况下,可以把电感值 降到原来的32 ,这也意味着储能电感的重量可 以大幅度的减轻,体积可以大幅度的缩小。 展EJ].变压器,2000,37(8):4-7. osser R,Schmidt H,Leghissa M,et a1.Development of [3] SchlHigh Temperature Superconducting Transformer for Rail— way Applicati0ns[J].IEEE Transactions on Applied Super— conductivity,2003,13(2):2325—2330. [4] Tommy K,Staffan N,Stefan O.Design Considerations for a Medium Frequency Transformer in a Line Side Power 2)电路改进后,和电力电子开关相连接的电 感上的电流可以工作在连续模式的临界条件下, Conversion SystemiC]?}2004 35th Annual IEEE Power E— leetronics Specialists Conference,2004:704—710. erner M.New Transformerless Topology for AC—fed [5] St这为电力电子开关的软开通提供了条件。 3)电感由原来的1个变为2个,和电力电子 Traction Vehicles Using Multi—star Induction Motors[J]. EPE Journal,2000(10):45—53. 开关相连接的电感的绝缘强度要求高,而和负载 相连的电感的绝缘强度要求低,这实际上把以前 福百 丁 c玎 修改稿日期:2012—04—18 43 

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