基于單位功率因數(shù)控制策略的有源電力濾波器

1、基于單位功率因數(shù)控制策略的有源電力濾波器 李建林1，支勇2，劉兆1，張仲超1 (1浙江大學(xué)，浙江 杭州 310027） (2山西省黃河萬(wàn)家寨水利樞紐有限公司，山西 太原 030002） 1 引言 隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置得到了廣泛應(yīng)用，然而這些裝置自身功率因數(shù)很低，不僅給電力系統(tǒng)帶來(lái)了嚴(yán)重的諧波污染，也給電網(wǎng)帶來(lái)額外負(fù)擔(dān)并影響供電質(zhì)量。為此，電力有源濾波器已經(jīng)成為電力電子技術(shù)應(yīng)用的重要發(fā)展方向。HAkagi等人提出的瞬時(shí)無(wú)功理論1，為有源濾波器的研究奠定了理論基礎(chǔ)；Depenbrock等則將單位功率因數(shù)控制策略應(yīng)用到有源濾波器中2。本文針對(duì)三相系統(tǒng)分析了單位功率因數(shù)控制策略

2、的基本思想及其相應(yīng)的控制方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：按此策略設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以抑制整流器產(chǎn)生的諧波，消除了整流器負(fù)載對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。 2 基本原理34 單位功率因數(shù)控制策略的目的是使非線性負(fù)載和并聯(lián)的濾波器等效為一電阻性負(fù)載，從而使電網(wǎng)的負(fù)載電流為與電網(wǎng)電壓同相的正弦波，功率電網(wǎng)數(shù)為1（單位功率因數(shù)）。本文提出了按此策略設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中Vsi（電網(wǎng)電壓）為理想正弦電壓而且三相平衡，可表示為 Vsi(t)=Vssint(i1) i=1,2,3 （1） 圖1 有源電力濾波器實(shí)驗(yàn)原理圖 式中：Vs為電網(wǎng)電壓有效值。 負(fù)載電流iLi可表示為 iLi=Insinnt(i1)n i=1,2,3 （

3、2） 式中：In代表基波和各次諧波電流的有效值； n代表基波和各次諧波電流的初相角。 補(bǔ)償電流ici可表示為 ici=I1cos1sint(i1)iLi(t) i=1,2,3 （3） 式中：I1為負(fù)載電流iLi的基波分量的有效值。 Lf=VsiVconi （4） 將式（3）代入式（4）中就可求出保證單位功率因數(shù)所需要的逆變器輸出電壓Vconi(t)，Vconi(t)是通過(guò)對(duì)Vdc/2進(jìn)行調(diào)制得到。當(dāng)正常工作時(shí)，isi應(yīng)成為與Vsi同相的正弦波，可表示為 isi(t)=Issint(i1) i=1,2,3 （5） 式中：Is為網(wǎng)側(cè)電流有效值。 電網(wǎng)的負(fù)載電流是與電網(wǎng)電壓同相的正弦波，功率因數(shù)為1

4、（單位功率因數(shù)），式（5）中Is可從整個(gè)系統(tǒng)的有功功率流動(dòng)中獲得。檢測(cè)APF直流側(cè)電容電壓，濾除紋波，得到電容平均電壓，將電壓設(shè)定值減去電容電壓，差值送入PI控制器，PI控制器的輸出就是網(wǎng)側(cè)電流的幅值。該幅值與相電壓同相的三相單位正弦信號(hào)相乘后，便可得到理想的參考電流信號(hào)，然后與整流側(cè)電流相減便可得到所需的調(diào)制信號(hào)，系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。 圖2 基于UPF控制策略的系統(tǒng)框圖 3 實(shí)驗(yàn)研究 針對(duì)圖1所示系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，逆變器的功率器件選用西門(mén)子的IGBT模塊BSM50GB12DN，每個(gè)模塊中有兩個(gè)額定電壓1200V，額定電流50A的IGBT管。系統(tǒng)基本參數(shù)： 輸入電壓80V； 直流側(cè)電壓15

5、0V； 逆變器輸出濾波電感Lf=3mH； 整流器負(fù)載RL=25； L=0.3mH。 實(shí)驗(yàn)波形如圖3圖6所示。 圖3 未補(bǔ)償時(shí)A相電源電壓與負(fù)載電流波形 圖中：1電源電壓80V/div 2負(fù)載電流4A/div 圖4 并有源濾波器后A相指令電流與負(fù)載電流波形 圖中：1A相指令電流2A/div 2負(fù)載電流4A/div 圖5 并有源濾波器后A相補(bǔ)償電流與電源電流波形 圖中：1補(bǔ)償電流4A/div 2電源電流5A/div 圖6 并有源濾波器后A相負(fù)載電流與電源電流波形 圖中：1負(fù)載電流5A/div 2電源電流5A/div 圖3所示為未補(bǔ)償時(shí)A相電源電壓和A相負(fù)載電流波形，由波形可以看出負(fù)載電流中含有嚴(yán)重

6、的諧波分量。圖3中僅給出一相的波形，其它兩相的波形相同，相位依次相差120。圖4為并有源濾波器后A相負(fù)載電流和有源電力濾波器的指令電流波形。圖5為A相有源濾波器實(shí)際產(chǎn)生的補(bǔ)償電流和補(bǔ)償后的電源電流；圖6為A相負(fù)載電流和補(bǔ)償后的電源電流波形,由圖5，圖6可以看出補(bǔ)償后的電源電流基本上為一正弦波，實(shí)現(xiàn)了有效補(bǔ)償諧波及無(wú)功電流的目的。 4 結(jié)語(yǔ) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文所研究的裝置可以補(bǔ)償和抑制整流器帶感性負(fù)載對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，從而驗(yàn)證了理論分析的正確性和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可行性。 作者簡(jiǎn)介 李建林(1976),男，浙江大學(xué)博士研究生。從事有源電力濾波器，開(kāi)關(guān)電源等方面的研究。 支勇（1976），男，山西省黃河萬(wàn)家寨水利樞紐有限公司助理工程師，從事電站建設(shè)等方面的研究； 劉兆燊（197