有源电力滤波器系统指定次谐波补偿的研究.pdf
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1、 建 藐电乞 。 _ _ _ _ _I t 13 UI LDl NG 2 r a1 z 年第 3 期 I ELE C1 - Rl Cl TY 有源电力滤波器系统指定次谐波补偿的研究 李 刚 ( 南京亚派科技 实业有限公 司 ,南京市 2 1 0 0 0 0 ) S t u d y o n Ha r mo n i c Co mp e n s a t i o n f o r De s i g n a t e d Ti m e s for Ac t i v e Po we r F i l t e r S y s t e m L i Ga n g ( ( N a n j i n g A P E X S
2、 c i e n c eT e c h n o l o g y C o ,L t d ,N a n j i n g 2 1 0 0 0 0 ,C h i n a ) Ab s t r a c t T h e o p e r a t i n g p rin c i p l e o f t h e t h r e e- p h a s e f o u r wi r e a c t i v e p o we r fi l t e r( AP F )i s i n t r o d u c e d Ac c o r d i n g t o t h e a p p l i c a t i o n c h
3、a r a c t e ris t i c s o f APF i n t h r e e p h a s e fou r wi r e s y s t e m a n d o n t h e b a s i s o f t h e i n s t a n t a n e o u s r e a c t i v e p o we r 山e o r y a n d t h e t h e o r y o f t r i a n g u l a r wa v e c o mp a r i s o n a n d c o n t r o l , me t h o d s o f d e s i g
4、n a t i n g t h e t i me s o f h a r mo n i c c o mp e n s a t i o n f o r AP F c u r r e n t i S d e e p l y s t u d i e d T h e e f f e c t i v e n e s s a n d c o r r e c t n e s s o f t h i s me t h o d a r e v e rifie d b y t h e r e s u l t o f s i mu l a t i o n a n d e x pe r i me n t Ke y w
5、o r d s Ac t i v e p o we r fi l t e r T h r e e p ha s e f o u r wi r e s y s t e m Ha r mo n i c c o mp e n s a t i o n S i mu l a t i o n a n d e x p e rime n t 摘 要 介 绍三相 四线 有 源电 力滤 波器 ( A P F ) 的 工作原 理 针 对 三相 四线制 系统 中 A P F的应 用特 点 。基 于 瞬 时无功理 论和 三 角波 比较 控 制理论 ,对 A P F电流 的指 定次谐 波补偿 方法进行深入研 究。仿 真
6、和 实验 结果均验证 了这种方法的有效性和正确性 。 关键词 有 源电力滤波器 三相 四线制 谐 波补 偿仿真和 实验 随着 电力 电子装置 的广泛使用 ,电网谐 波污染 日 趋 严重 。采 用 有源 电力 滤 波器( A c t i v e P o w e r F i l t e r , A P F )对电网谐波进行有效补偿越来越受到重视 。 有 源电力滤波器( A P F )的基本 原理是从补偿 对 象 中检测出谐波电流 ,由有源电力滤波器产生大小相 等 、极性相反的补偿电流与其抵消 ,保证 电网侧只含 有 基波 电流 。谐 波 电流 的检 测 和补偿 电流 产生 的 P WM控 制策 略
7、决 定有源 电力滤波 器的整体 性能 。基 于 瞬时无 功功率 理论 的一 系列 谐波 电流 检i 受 0 法 ,如 P q 算法 、 一 i 算 法和 d q 算 法 ,能够提取 电流 中 的各 次谐波 电流分量之 和 ,得 到 了广泛 的应用 , 。 而 三角波 比较控制方 法 ,输 出 电压 中所含谐 波量少 , 并 且器 件 的开 关频率 固定 ,在 A P F的实 际工 程 系统 中也得 到了广泛 的应用 】 。 在实际的三相四线电力 系统 中 ,电流不仅含有正 序分量 ,还含有负序分量和零序分量。本 文基于 瞬时 无 功功率 理论 。对 A P F指定 次谐波 电流 的检测 在 三
8、 相 四线制系统 中的应用进行 了研究 。并使用三角波 比 较控制方法产生补偿谐波 电流 。 1 三相 四线有源 电力滤波器工作原 理 8 - 三相 四线 A P F采用 电容 中点式 的 主 电路 拓 扑结 构 ,由三 桥臂逆变 电路 构成 ,如 图 1 所 示 。图中 、 , , 6 、 为 A P F输 出的三相 电流 ;t s s b 、 。 为系统 三 相 电流 ; 6 、, 2 为非线 性负 载三 相 电流 ; 为 A P F输 出的 中性线 电流 ; 为非线性 负 载 中性 线 电流 ;I s 为 系统 中性 线 电流 ;U a 、U b 、U c 为系统 三 相 电压 ;V V
9、 V 分 别为 三相 主 电路各 桥臂 中 点 与 中性线 间 的电压 ;V S a 、 分 别 为 A P F在 三 相接入点 的电压 ;L L b 、L 。 为连接 电感 ;L g a 、L a b 、 为并 网电感 ;C a 、C b 、C c 为滤波电容 ;M 、u 。 分 作者信 息 李刚 ,男 ,南京亚派科技实业有限公 司 ,研发工程师 ,研发二部主管。 4 0 _ M a r I ! : 1 4 8 h t t p : W WW j z d q n e t c n 图 1 三相 四线 电容 中点式有源 电力滤波器系统示意图 F i g 1 S c h e ma t i c d i
10、 a g r a m o f t h r e e p h a s e f o u r - wi r e c a p a c i t o r mi d p o i n t t y p e a c t i v e p o we r fi l t e r s y s t e m 别 为 电容 C 和 C 的电压 ;I c 、厶 分 别为 流 经 电容 C 、C 的电流。三相 电源的 中性线与直 流侧母线 中点 测出指定次谐波 电流 的正 、负序分 量。设三相 负 载 电流为 吐 。 、 五 ,按照对称分 量法将 其分解 为 : i , n + s i n (n o ) t + n+ ) n 1 +
11、s in (n w t + ) iL : 。 i n 一 前 + ) n=1 J + i n ( + 前 + ) n =l j iL : i n (n o ) f + + ) n =l J + 厶 一 i n ( n o) f 一 丌 + ) ( 1 ) n = l 式 中 : 电网基 波角频率 : 、 电流 中对应 于 n次 谐波 的正 序 、负序分量 的有效 值 ; 、 n次 谐 波 的正序 、负 序分 量 的相位 角。 图 2为指定次谐波正序分量 检测 的原理 图。其 中 为 L 相 电网 电压 , tL b 、i 为 负 载 电 流 , 、 相连为 中性线 电流提供通道 。由于中性线的
12、存在 ,流 经 连 接 电 感 的 电 流 、 、 , 厂 c 之 和 并 不 为 零 。 也 就 为 由变 换 矩 阵 及 其 反 变 换 矩 阵 , 。 : 、 6 : 、 一 4- 为 是说 中性线 电流必然通过 电容器 流向负荷中性线 ,其 作用 的结果就是升高某一 电容 电压 、降低 另一电容 电 压 。因此 电容中点式三相 四线有源 电力 滤波器的控 制包括谐波 电流的检测 、补偿 电流 的产生 、直流侧 电 容 电压 的恒定 控制和平衡控制三部分 内容 。 2 基 于瞬 时无 功功 率理 论 的指 定次 谐 波 电 流检 测方法 2 1 指定次谐波正序分量 的检 测 基于瞬时无功
13、功率理论 的指定 次谐波 电流检测方 法的原理和传统 的检测基波 电流的方法一样 都是将 被测的 电流转换成直流分量 和交 流分量之和 ,再用低 通 滤波器将其直流分量滤 出 ,然后 反变换得到需要提 取 的分量 I l 1 。 在三相 四线系统 中 ,剔 除零序 分量后 就只需要检 检测得到 的指 定次正序谐波 电流 。P L L为 电网相 电压 锁相环 ,L P F为低通滤波器 。 图 2指定次谐波正序分量检测的原理图 Fi g 2 S c he ma t i c di a g r a m o f p o s i t i v e s e qu e nc e c omp o ne n t d
14、 e t e c t i o n o f d e s i g n a t e d t i me s h a r mo n i c :、 争 s i s in (o) 一 号 百 ) sin (o) + 号 订 ) s n s 一 号 百 ) s + 号 订 ) - c o s oJ t s ( o) t - 号 啊 ) _ c o s ( ) ( 2 ) 41 壹 照皇 曼鎏曼 堡 蔓堂鎏 堡堕 一 圭 一 上Jl h t t p:1 | WWW z d q,n e t C B 1 4 9 建 裁电乞。 IIlII_l BUI L DI NG Z口 1 2 年第 3 期 1 ELE CTF I
15、 I CI TY “ = 、 手 s in f s i 一 号 ) s i + 竹 ) co s(o t s ( 一_ ; _ 耵 ) , 9 一 c o s ( H亏 仃 ) ( 3 ) 分离 n次谐 波 的正序 分量 时 ,三相 电 流与矩 阵 相乘 ,得 到 n次谐波 的瞬时正序有功分量 和无 功分量 ,即 : + n p + 凹 c 。 s ( n k ) co t + n = 1 一 s i n ( n k ) t o t + n = 1 c 。 s ( + k ) to t + n = 1 I ; j s in ( n + k ) to t + ( 4 ) 从 上式 可以看 出 :
16、当要分离 出 n次谐波 的正序分 量 时 ,只要令 k=n ,经过 低通 滤波 器处理 后 就可 以 得 到 n次谐 波 的正序 有功直 流分量 和无功 直流分 量 : n p Z g 它们是 由 n 次谐 波电流的正 序分量 产生的 因此 将 、一i n q * 反变 换 ,也就是 用矩 阵 T 与直流分量 相 乘, 就可以 计算出 三相n 次谐波电流的正序分量0、 t 如 n + 、 2 s i n 2 I n s i n r t o ) t + ) + 2 、 + n 一 了 竹 ) r t t o t + iT ) + + ) ( 6 ) 2 2指定次 谐波负序分量 的检 测 指定次谐
17、波负序分量检测的原理和检测正序分量 的原理相 同,只需要将 图 2的运算框图中 的变换矩 阵 、 变 换成 一 、 一,就 能相应 地检测 出系统 中 指定次谐波的负序分量 、i b n - 、t c n 一 : 42 一 : 一 1 5 0 h t t p: www i z dq n e t c n 一 一 V 3 r : 、 V 3 sin n + 订 )s jn ( 一 竹 ) 一 cos cos ( 订 ) s (一 盯 ) l ( 7 ) s i n c o t C OS c o t sin ( 仃 ) _ c o s ( 号盯 ) ( 一 竹 ) ( 一 了 2sin - C O
18、S 1T ) ( 一 寺竹 ) ( 一 了盯 ) ( 8 ) 2 3指定次谐 波零序 分置的检测 在三相四线制系统中三相电流的正序、负序分量 分别对称 ,而零序分量相等 ,即 : i 仳 = 0 6= :( i t 。+i 6+i L 。 ) 3 : , 0 s i n ( 删 + ) ( 9 ) n=1 为了获得指定次谐波 电流 的零序分量 ,采 用以下 方法进行提取 :设 L 相电流零序分量为 : , 0 s i n( n o ) t + ) ( 1 0) 现在需 要检测 出 次谐波 电流 ,即从式( 1 O )中 分离 出 i = o s i n ( k wt + 0 )来 , 由 式(
19、 1 0) 可知 : i 0 L =, 0 L s i n( n t o t + 0 L ) =I o t ( s i n n o ) t c o s v o L n +C o s n o ) t s i n 0 ) = A l s i n r t CD t +A 2 C O S t O ) t ( 1 1 ) 将式 ( 1 1 )代入式 ( 1 0 )可得 : A l s i n n wt +A 2 c o s n wt ( 1 2 ) 在式( 1 2 )两边同时乘 以 s i n k w t 可得 : i o L 。s in k w t = ( A 1 s i n n + A 2 c 。
20、s n ) s in Jj f n = 1 3 5 = 每( 1 一 c 。 2 k to t )+ 孚 i 2 k + 一 s i nn o ) 1( k - 2) =,“ ,( J H 2 ) + A n 2 c o s n o t )s i n k t o t ( 1 3 ) 由式 ( 1 3 )可 知 ,其 中含有直 流分量 ,采用 低通滤波器将该分量分离 出来 ,再将其 扩大 2倍 就 得 到 A 。 同理 ,在式( 1 2 )两边 同 时乘 以 C O S t + = n = E 就可 以得 到 k次谐波 电流零 序分量 的系数 A , 。 将 分别检测 到的指定 次谐 波的正序
21、、负序 和 零序分量相加 就可 以得到 三相 四线制 系统指定 次 谐波 电流 ,图 3为 算 法 的 原 理 图 。 其 中 为 L- 相 电 网 电压 ,i L 。 、 、i L 为负 载 电流 , 、 乇 、 为检测得到的指定次正序谐波电流, 、 , 、$c n 一 为检测得到的指定次负序谐波电流,io h 、 i b h 、tc h 为检测 到的指定 次谐 波正序 、负序 和零 序 电流之和 。 3补偿 电流产 生的方法 1 3 图3 三相四 线A P F 指 定次谐波 提取原理图 F i g 3 S c h e ma t i c d i a g r a m o f e x t r a
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