電力新技術(shù)論文電力技術(shù)論文有源電力濾波器并網(wǎng)技術(shù)的研究

1、電力新技術(shù)論文電力技術(shù)論文：有源電力濾波器并網(wǎng)技術(shù)的研究摘要:針對有源電力濾波器并網(wǎng)中可能出現(xiàn)的穩(wěn)定時間長、電流沖擊大以及直流側(cè)的電壓波動大等問題,首先設(shè)計(jì)了并聯(lián)混合有源電力濾波器(shunt hybrid active power filter, SHAPF)裝置,然后在Matlab71Simulink63中進(jìn)行了仿真,并對并網(wǎng)時電源電流、變換器輸出的補(bǔ)償電流和直流側(cè)電容電壓波形進(jìn)行了觀察,確認(rèn)問題存在的同時對電流沖擊、電壓波動產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析,提出采用在電壓過零時合上開關(guān)、在無源濾波器與電網(wǎng)之間串聯(lián)1個電阻以及采用電流遞增的方法解決問題,最后通過仿真驗(yàn)證了方法的正確性,電流沖擊及電壓波

2、動都能得到較好的抑制。關(guān)鍵詞：有源電力濾波器電壓波動電流沖擊隨著電力電子裝置的廣泛使用,電力系統(tǒng)的諧波和不對稱問題日益嚴(yán)重,必須對其進(jìn)行抑制和補(bǔ)償。諧波抑制和無功補(bǔ)償?shù)囊粋€重要趨勢是采用有源電力濾波器1。有源電力濾波器作為改善電能質(zhì)量的一項(xiàng)新技術(shù),在工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到高度重視和日益廣泛的應(yīng)用。在我國,三相大功率并聯(lián)型有源電力濾波器還處于研究和實(shí)驗(yàn)階段,至今仍未有正式產(chǎn)品應(yīng)用于工業(yè)實(shí)際。隨著有源濾波器研究的深入,有源濾波器的并網(wǎng)技術(shù)成為有源濾波器實(shí)用化的關(guān)鍵之一。在有源電力濾波器并網(wǎng)技術(shù)的研究中,電路趨于穩(wěn)定所需要的時間、并網(wǎng)時可能產(chǎn)生的電流沖擊、直流側(cè)的電壓波動等都是需要研究的對象。若有源電力濾

3、波器從并網(wǎng)到穩(wěn)定的時間過長,則會影響濾波器的濾波效果;若電流沖擊過大,導(dǎo)致電網(wǎng)電流也會產(chǎn)生較大的沖擊;直流的電壓波動若超出允許的范圍,對功率器件的安全會造成威脅。所以,有源電力濾波器并網(wǎng)技術(shù)的研究對保證有源電力濾波器安全平穩(wěn)啟動并順利投入工作非常有必要。1、 并聯(lián)混合有源電力濾波器電路的參數(shù)設(shè)計(jì)及仿真為建立合理的仿真模型,得到較為真實(shí)有效的仿真結(jié)果,為樣機(jī)研制和試驗(yàn)打下基礎(chǔ),需要合理設(shè)計(jì)并聯(lián)混合有源電力濾波器(shunt hybridactive power filter, SHAPF)中的各種電路參數(shù)。并聯(lián)混合有源電力濾波裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括無源濾波器組、逆變器輸出濾波器和逆變電路

4、,其中,由于該設(shè)計(jì)額定電壓等級較低,取消了耦合變壓器。這幾部分的設(shè)計(jì)決定了濾波器的容量和效果,是整個設(shè)計(jì)工作的主要部分。本文設(shè)計(jì)的濾波器規(guī)格為:輸入380V三相電壓,補(bǔ)償諧波電流額定值15A。在Matlab71Simulink63中進(jìn)行仿真,其中主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。接入點(diǎn)三相電壓為380V,頻率為50Hz,短路容量為500kVA,系統(tǒng)電阻Rs和系統(tǒng)電感Ls分別為003、092mH。且004s時投入有源濾波器。負(fù)載為感容濾波的三相不可控整流電路,負(fù)載容量50kW,電阻R1、R2均為12,電感L2、電容C2分別為1mH、50F,在0s時投入R1,在06s時投入R2,以觀察系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能,如圖

5、3所示。無源濾波器組如圖4所示。其中5次單調(diào)諧濾波器電感L5、電容C5和電阻R5分別取677mH、60F和0530;7次單調(diào)諧濾波器電感L7、電容C7和電阻R7分別取348mH、60F和0383;高通濾波器電感Lh、電容Ch和電阻Rh分別取1mH、100F和32。逆變電路及其控制環(huán)路結(jié)構(gòu)如圖5所示。Lf、Cf和Rf分別為01mH、20F和4,直流側(cè)采用2個10mF電容并聯(lián)。 諧波電流控制環(huán)路系數(shù)Kc取009,直流側(cè)電壓控制系數(shù)KP取002,直流側(cè)電壓參考值設(shè)為450V。在有源電力濾波器接入電網(wǎng)時,直流側(cè)電容通過逆變橋中與主開關(guān)器件反并聯(lián)的二極管充電,并采用相應(yīng)控制,使直流側(cè)電壓未達(dá)到450V前

6、,不輸出PWM信號;當(dāng)達(dá)到450V后,逆變橋開始正常工作。2、 仿真中并網(wǎng)時所出現(xiàn)的問題為研究并網(wǎng)時所出現(xiàn)的問題,現(xiàn)以并網(wǎng)時的電源電流、變換器輸出的補(bǔ)償電流、直流側(cè)電容電壓波形為研究對象。圖6至圖8分別為SHAPF仿真所得到的并網(wǎng)時直流側(cè)電容電壓波形、電源三相電流波形與變換器輸出的三相補(bǔ)償電流波形。SHAPF仿真中,在005s時將有源電力濾波器并入電網(wǎng),直流側(cè)電容通過逆變橋中與主開關(guān)器件反并聯(lián)的二極管充電,并采用相應(yīng)控制,使直流側(cè)電壓未達(dá)到450V前,不輸出PWM信號;當(dāng)達(dá)到450V后,逆變橋開始正常工作。從圖6可以看出,018s時,電壓達(dá)到了450V,逆變器開始正常工作,即電容器的充電時間約

7、為013s,變壓器開始穩(wěn)定工作的時間約為024s,即有源電力濾波器從并入電網(wǎng)的瞬間到可以穩(wěn)定工作的時間為019s。005018s時,電容器在充電,直流側(cè)的電壓呈上升趨勢,當(dāng)上升到450V時,逆變橋開始工作。此時,直流側(cè)電容電壓并非一直維持在450V,而是產(chǎn)生了電壓波動,仿真中的電壓波動最大值達(dá)470V。從圖7可以看出,005s時,在有源電力濾波器并入電網(wǎng)的瞬間,電源電流產(chǎn)生了沖擊,沖擊電流的最大值達(dá)到了135A,約為電流穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的25倍。從圖8可以看出,005018s時的補(bǔ)償電流為直流側(cè)電容充電時的電流,018s后,即逆變器開始工作后,并聯(lián)型有源電力濾波器的補(bǔ)償電流指令包含兩部分,即實(shí)際諧波

8、補(bǔ)償電流和維持直流側(cè)電壓恒定的基波電流。補(bǔ)償電流在005s有源電力濾波器并網(wǎng)瞬間產(chǎn)生了沖擊電流,沖擊電流的最大值達(dá)到75A,約為電流穩(wěn)定時的15倍。在018s逆變器開始工作后,補(bǔ)償電流又一次發(fā)生沖擊,沖擊電流最大值約為75A,約為穩(wěn)定運(yùn)行時的15倍。3、 并網(wǎng)問題的原因與解決方法31并網(wǎng)瞬間電流沖擊的原因與解決方法311電流沖擊的原因由SHAPF的結(jié)構(gòu)與電氣模型可以看出,SHAPF交流側(cè)的電感很小,直流側(cè)又只有電容器,當(dāng)有源濾波器并網(wǎng)瞬間,電容器在瞬態(tài)時可以看成是短路的,所以電源電流會產(chǎn)生沖擊電流。而此時的補(bǔ)償電流是給直流側(cè)的電容充電的充電電流,所以在并網(wǎng)的瞬間,補(bǔ)償電流也會產(chǎn)生沖擊。312解

9、決方法沖擊電流的大小由很多因素決定,如輸入電壓大小、輸入阻抗、電源內(nèi)部輸入電感等。輸入電壓越小,輸入阻抗越大,電源內(nèi)部的輸入電感越大, 則沖擊電流越小,因?yàn)殡娫磧?nèi)部的輸入電感已經(jīng)無法改變,所以從輸入電壓與輸入阻抗著手。為了減小并網(wǎng)瞬間的電流沖擊,可在電壓過零時合上開關(guān),使有源濾波器并入電網(wǎng),即減小了輸入電壓;也可串聯(lián)電阻,在并網(wǎng)初期較短時間內(nèi)串聯(lián)1個電阻,即增加了輸入阻抗。3121在電壓過零時合上開關(guān)分別檢測三相電壓,在電壓過零點(diǎn)時合上開關(guān)。用這種方法進(jìn)行仿真,仿真中沒有采用特定的模塊去檢測過零點(diǎn),而且將U、V、W三相并網(wǎng)的時間分別設(shè)定為005s、0056 67s和0063 33s,在投入的時

10、刻, U、V、W三相的電壓都恰好為零。圖9至圖11分別為采用上述方法仿真后并網(wǎng)時直流側(cè)電容電壓波形、電源的三相電流波形、變換器輸出的三相補(bǔ)償電流波形。從圖9至圖11可以看出,與未采用任何方法時相比,采用上述方法后,直流側(cè)電容的預(yù)充電時間沒有明顯延長,但有效地減小了沖擊電流。沖擊電流的最大值約為70A,與未采用此方法時的沖擊電流最大值135A相比降低了近50%,同時補(bǔ)償電流中已經(jīng)不存在沖擊電流。該方法效果較好,但要增加一定的檢測裝置,并且檢測裝置發(fā)出的檢測信號與開關(guān)動作之間會有延時,所以實(shí)際應(yīng)用中還會有一定的沖擊電流。3122串聯(lián)電阻在無源濾波器與電網(wǎng)之間串聯(lián)1個電阻,如12所示。串聯(lián)電阻后,沖

11、擊電流會減小,但是聯(lián)的電阻也會產(chǎn)生功率損耗,所以在投入較短的間后需斷開電阻,既可達(dá)到減小沖擊電流的目的,也可降低功率損耗2。對串聯(lián)電阻的方法進(jìn)行仿真,取R=5,005s時投入電阻,并在01s后切除電阻。圖1至圖15為采用串聯(lián)電阻方法仿真后并網(wǎng)時直流電容電壓波形、電源三相電流波形、變換器輸出相補(bǔ)償電流波形。從圖13可以看出,采用串聯(lián)電阻方法后,直流側(cè)電容的預(yù)充電時間有所延長,直流側(cè)電容電壓到達(dá)450V時的時間約為019s,這是并網(wǎng)初期電流減小所導(dǎo)致的。由圖14、圖15可以看出,采用串聯(lián)電阻方法后與未采用任何方法時相比,并網(wǎng)瞬間電源電流的沖擊電流也同樣大大減小,最大值為70A,且補(bǔ)償電流已經(jīng)沒有了

12、沖擊電流。與電壓過零時投入濾波器的方法相比,串聯(lián)電阻方法的結(jié)構(gòu)更為簡單,但是延長了直流側(cè)電容的預(yù)充電時間。32預(yù)充電結(jié)束后的電流沖擊與電壓波動分析及解決方法在預(yù)充電結(jié)束后,即直流側(cè)電容電壓Udc達(dá)到450V后,逆變橋開始正常工作。在直流側(cè)電壓到達(dá)450V之前,補(bǔ)償電流為電容的充電電流,在直流側(cè)電壓到達(dá)450V之后,并聯(lián)型有源電力濾波器的補(bǔ)償電流指令包含兩部分,即實(shí)際諧波補(bǔ)償電流和維持直流側(cè)電壓恒定的基波電流。在預(yù)充電結(jié)束后018s時,實(shí)際諧波補(bǔ)償電流指令的突然加入會對補(bǔ)償電流產(chǎn)生沖擊。從電網(wǎng)看,有源濾波器可看作一個可控的三相交流電壓源。假設(shè)半導(dǎo)體為理想開關(guān),SU,SV,SW分別代表三相橋臂的開

13、關(guān)函數(shù)。S*=1代表對應(yīng)的橋臂上管導(dǎo)通、下管關(guān)斷。S*=0代表對應(yīng)的下管導(dǎo)通、上管關(guān)斷?？傻肅dUdc/dt = SUiU+SViV+SWiW(1)式中:C為電容;iU、iV、iW分別為三相橋臂電流。由式(1)可以看出,當(dāng)補(bǔ)償電流發(fā)生突變時,也會引起直流側(cè)電容電壓的波動3-4。為避免預(yù)充電結(jié)束后補(bǔ)償電流的沖擊電流和電容電壓波動較大,采用電流遞增法。電流遞增法為在系統(tǒng)接收到啟動信號及PWM開始工作后,將實(shí)際諧波電流指令逐步增加到補(bǔ)償電流中。運(yùn)用該控制方法時,設(shè)置一個函數(shù)t(k)在預(yù)充電結(jié)束的瞬間置零,并在此后的k段時間內(nèi)線性上升到1,將此函數(shù)與實(shí)際諧波補(bǔ)償電流指令相乘,加入到諧波補(bǔ)償電流中。在采

14、用電流遞增法進(jìn)行仿真時,設(shè)預(yù)充電結(jié)束瞬間為018s,同時將函數(shù)設(shè)為t/(01),即在預(yù)充電結(jié)束的01s內(nèi)使諧波電流指令逐步加到補(bǔ)償電流中。圖16、圖17分別為采用電流遞增法后的直流側(cè)電容電壓波形和變換器輸出的三相補(bǔ)償電流波形。從圖16、圖17可以看出,電容電壓在到達(dá)450V后波動很小,而補(bǔ)償電流的電流沖擊也大大減小,且沖擊電流的最大值由原來的75A降低到50A,所以電流遞增法的效果還是比較顯著的。4、結(jié)論a)觀察和分析仿真中并網(wǎng)時所出現(xiàn)的各種問題,如預(yù)充電時間比較長,電流沖擊,電壓波動等。b)提出解決以上問題的方法:首先在電壓過零時合上開關(guān),然后在無源濾波器與電網(wǎng)之間串聯(lián)上一個電阻,最后采用電

15、流遞增法。c)通過仿真驗(yàn)證解決方法的正確性,發(fā)現(xiàn)電流沖擊、電壓波動都能得到抑制。參考文獻(xiàn):1羅安電網(wǎng)諧波治理和無功補(bǔ)償技術(shù)及設(shè)備M.北京:中國電力出版社,2006LUO AnTechnique and Equipment of Harmonic Control andReactive Power Compensation for Power Grid M. Beijing:China Electric Power Press,20062程漢湘,顧媛媛,劉藝并聯(lián)型電力有源濾波器的啟動特性研究J.電氣應(yīng)用,2007,26(3):53-56CHENG Han-xiang, GU Yuan-yuan, LIU YiThe Start-upCharacteristic Research of Shunt Active Power Filter J.Electrotechnical Application,2007,26(3):53-563耿攀,戴珂,方昕,等大容量并聯(lián)型有源電力濾波器的軟啟動技術(shù)J.通信電源技術(shù),2006,23(1):12-15GENG Pan, DAI Ke, FANG Xin, et alSoft Start UpTechnique for Larg