具有無功補償功能的并聯(lián)型有源電力濾波器研究

1、第26卷第6期2004年12月黑龍江電力技術(shù)論壇具有無功補償功能的并聯(lián)型有源電力濾波器研究崔勇,朱東柏,劉驥(哈爾濱理工大學,黑龍江哈爾濱150040)摘要:闡述了基于數(shù)字信號處理器(DSP)的有源電力濾波器硬件電器設計方法。提出了一種新型的有源電力濾波器(APF)電流檢測和控制方法,在補償諧波電流的同時可進行無功補償。經(jīng)PSCAD軟件仿真實驗的結(jié)果表明,這種新型的電流檢測和控制方法是準確有效的。關鍵詞:有源濾波;無功補償;DSP中圖分類號:TM933.1文獻標識碼:A文章編號:1002-1663(2004)06-0403-04Studyonactivepowerwavefilterinpar

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

3、tisshownthatthenewcurrentmeasurementandcontrolmethodareaccurateandeffectivethroughsoftwaresimulationtestofPSCAD.KeyWords:activepowerfilter;reactivepowercompensation;digitalsignalprocessor隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展,電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,大量的電力電子變流裝置越來越廣泛地應用到廠礦、交通、通信及家用電器設備中,使電網(wǎng)中的諧波污染愈來愈嚴重,同時由于大多數(shù)電力電子裝置的功率因數(shù)很低,進而也大大降低了電網(wǎng)的供電質(zhì)量。因此

4、,消除諧波污染及提高功率因數(shù)已經(jīng)成為當前電力運行與生產(chǎn)部門的重大課題。有源電力濾波器能夠?qū)ψ兓闹C波和無功電流進行快速的動態(tài)跟蹤補償,且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響,因而該設備是替代傳統(tǒng)無源濾波及無功補償裝置的現(xiàn)代新概念電力設備。1983年,日本學者赤木泰文(H.Akagi)首先收稿日期:2004-03-16。提出了有源電力濾波器的概念,其最初構(gòu)想是從補償對象中檢測出諧波電流,由電力電子裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等、相位相反的補償電流注入系統(tǒng),從而消除諧波電流,達到抑制諧波的目的。20世紀80年代以來,隨著大中功率全控型半導體器件的成熟,有源電力濾波器得以迅速發(fā)展。與傳統(tǒng)的無源濾波相比,有源

5、濾波具有明顯的優(yōu)勢:a.不僅能抑制高次諧波,還可以抑制閃變,補償無功,有一機多能的特點;b.濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響,沒有與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險;c.具有較強的自適應能力,可自動補償變化的諧波。作者簡介:崔勇(1977-),男,現(xiàn)攻讀哈爾濱理工大學高電壓與絕緣技術(shù)專業(yè)碩士學位。403© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. Vol.26,No.6HeilongjiangElectricPowerDec.20041有源電力濾波器的工作原理1.1電流信號的檢

6、測補償電流ic是由有源電力濾波器產(chǎn)生的脈寬調(diào)制(PWM)電壓U1施加在輸出電抗L1上產(chǎn)生的。由于Ls要遠遠小于Zx和Lx,所以,ic與電流電流i疊加,消除其中的諧波和無功電流。補償電流ic與PWM電壓U1之間的關系為:U1=L1電流信號的檢測算法已發(fā)展出多種,影響最大的是瞬時無功功率法。該方法是建立在電壓對稱的三相系統(tǒng)上,因此,在處理三相系統(tǒng)不對稱和單相系統(tǒng)時,必須人為構(gòu)成三相電壓對稱系統(tǒng),故計算復雜。本文采用了一種新穎的有源濾波及無功補償控制算法,該算法易于實現(xiàn)有源濾波和無功補償二者合一,特別適用于單相系統(tǒng),是一種更為實用的控制算法。設負載電流為:t-n)=if+ih(1)iL=Insin(

7、n式(1)中,if是負載電流的基波電流分量,ih是諧波電流分量。if還可以進一步分解為有功電流分量ip和無功電流分量iq,即:ip=I1cossint1iq=I1sin1costdt(4)由式(4)可知,要產(chǎn)生準確的補償電流ic,需要有源電力濾波器提供相應的PWM電壓U1。電流的微分運算可以在程序中進行,也可以讓電流信號在采樣前通過硬件電路進行微分。下面以微分電路為例,論述補償電流產(chǎn)生方法。通過微分電路后的負載電流iL與原負載電流iL的關系為:iL=Kdt(5)1分別為基波電流幅值與相角。式中,I1、式(1)分別乘以與電源電壓同頻同相的正弦函數(shù)2sint可得中間構(gòu)造函數(shù)g1、g2:g1=I1c

8、os1-I1cos(2t-t1)sin()g2=11t-t1)+2ihcos(3)(3)中的直流分量可以構(gòu)造基可以看出,由式(2)、波電流if或有功電流ip。只補償諧波電流時,有源電力濾波器輸出的補償電流為:ic=iL-if式中,K為微分電路調(diào)整系數(shù)。設原負載電流為:-niL=sin(nnIn(t-n)K(6),人為構(gòu)造、余弦信號與式(6)相乘,經(jīng)低通濾波后可得到其直流分量:-1g1=K1cosg2=K1sin1-由此可以構(gòu)造出微分變換后的基波電流if為:I1(cos1cost+sin1sint)if=K()dt(7)=Kdt微分后的有功電流ip為:=K同時補償諧波和無功電流時,有源電力濾波器

9、輸出的補償電流為:ic=iL-ip1.2補償電流的產(chǎn)生I1cos1icostp=K(sint)(8)=Kdtdt(7)代入式(4)得:只補償諧波時,將式(5)、=KU1=L1(有源電力濾波器工作時,可根據(jù)要求補償諧波電流或同時補償諧波和無功電流,其補償?shù)刃щ娐啡鐖D1所示。圖1中,Es為電源電壓,Ls是電源的阻抗,Lx是末端線路阻抗,Zx為負載。ii)-dtdt(9)=(iL-if)K(8)代同時補償諧波和無功功率時,將式(5)、入式(4)得:U1=L1(圖1APF補償?shù)刃щ娐?-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月黑龍江電力(10)可知,求出微分變換后的補償由式(9)、電流,可通過調(diào)整微分電路參數(shù)K得到有源電力濾波器需要產(chǎn)生的PWM電流電壓U1。根據(jù)PWM原理,脈寬W計算式為:W=Udn-1(11)個方波信號經(jīng)過整形,形成DSP的中斷脈沖,使整個電流檢測和控制電路以mfs的采樣頻率工作。b.電流采樣部分由電流互感器、低通濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器組成,其中低通濾波器的作用是隔離電流中的高頻干擾信號。c.承擔電流檢測計算、PWM控制信號產(chǎn)生任務的DSP芯片為美國德州儀器公司的T

11、MS320C32,該處理器以40MHz的外部時鐘運行,芯片中特殊設計的硬件乘法器和流水線指令系統(tǒng)保證了系統(tǒng)工作的實時性。d.狀態(tài)開關決定了該裝置的工作方式,當開關斷開時,裝置以有源慮波和無功補償方式運行;當開關導通時,裝置僅以有源濾波方式運行。e.PWM逆變器部分由IGBT驅(qū)動電路、IGBT橋、電容器、輸出電抗器L1、變壓器T組成,將補償電流注入電網(wǎng)中。式中,Ud為逆變器直流電壓,T為一個工頻周期,n為一個工頻周期內(nèi)的采樣點數(shù)。根據(jù)上述補償電流控制算法,可以得出實際DSP控制系統(tǒng)軟件流程圖,如圖2所示。該算法可以在T1公司為其DSP系列產(chǎn)品提供的開發(fā)軟件平臺CodeComposer中實現(xiàn),具體

12、編程采用C語言與匯編語言混合編程的方法實現(xiàn)。3有源濾波及無功補償仿真結(jié)果根據(jù)本文提出的電流檢測和控制算法,用電力系統(tǒng)仿真軟件PSCAD。當只,。圖4(a),其21,。此時理論上需要的補償電流波形如圖4(b)所示。有源電力濾波器按照前述的電流控制算法工作,得到補償?shù)暮蟮碾娏鞑ㄐ稳鐖D4(c)所示,該電流波形與圖4(a)中理論基波電流波形基本吻合。同時補償諧波和無功電流時,同樣應用本文的算法,采用PSCAD軟件進行仿真,得到結(jié)果如圖5所示。圖5(a)為補償前電網(wǎng)電流波形,圖中正弦波形是基波電流中的有功電流分量。此時所需的補償電流波形如圖5(b)所示,其中包含諧波電流和無功電流分量。補償后電流波形,如

13、圖5(c)所示,可以看出電網(wǎng)電流中的諧波和無功電流得到了有效補償。圖2有源電力濾波器控制算法軟件流程圖2以DSP為核心的檢測及控制電路圖3是以DSP芯片為核心的硬件電路結(jié)構(gòu)框圖。圖3中電路分5個部分:a.過零同步電路產(chǎn)生與電源電壓u同頻同相的方波信號,鎖相環(huán)配以分頻器產(chǎn)生m倍于電源電壓頻率fs的方波信號。這兩圖3有沾電力濾波器硬件電路結(jié)構(gòu)框圖405© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. Vol.26,No.6HeilongjiangElectricPowe

14、rDec.2004(b)補償電流波形(a)補償前電流波形)5APF同時補償諧波和無功電流的仿真結(jié)果(b)根據(jù)本文中論述的電流檢測算法和電流控制算法設計的有源電力濾波器實驗樣機已在哈爾濱理工大學設計完成,現(xiàn)在處于實驗調(diào)試階段。4結(jié)束語有源濾波器是柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)中的重要設備,許多其他的柔性輸電設備都與有源濾波器的原理存在相似之處。因此,根據(jù)其原理還可以進一步開發(fā)其他新一代電力產(chǎn)品,如消弧線圈、具有更優(yōu)良性能的限流電抗器、連續(xù)可調(diào)阻抗、電源變換器等,具有廣闊的發(fā)展?jié)摿Α?c)補償后電流波形圖4APF補償諧波的仿真結(jié)果參考文獻:1AKAGIH.NewtrendsinactivefiltersforpowerconditioningJ.IEEETrans.onIndustryApplications,1996,32(6):1312-1322.2王兆安,楊君,劉進軍.諧波抑制和無功功率補償M.北京:機械工業(yè)出版社,1998.3顧建軍,劉漢奎,徐殿國.并聯(lián)型有源濾波器數(shù)字化控制系統(tǒng)的研究J.電工技術(shù),2002,(10):24-29.4顏曉慶,楊君,王兆安.并聯(lián)混合型電力有源濾波器的研究J.電力電子技術(shù),1998,(4):4-6.5CHATTERJEEK,FERNANDESBG,DUBEYGK