基于補(bǔ)償特性的并聯(lián)型有源電力濾波器直流側(cè)電壓取值分析_百度文

1、：基于補(bǔ)償特性的并聯(lián)型有源電力濾波器直流側(cè)電壓取值分析趙國(guó)鵬，林少伯，韓民曉，（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京市；新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華北電力大學(xué)，北京市）摘要：并聯(lián)型有源電力濾波器直流側(cè)電壓值直接影響諧波補(bǔ)償特性，文中分析了直流側(cè)電壓的取值對(duì)補(bǔ)償特性的影響。首先，分別在單相和三相系統(tǒng)中，針對(duì)典型的晶閘管整流加阻感負(fù)載為系統(tǒng)負(fù)載的負(fù)載電流，通過對(duì)等效電路的分析，得出完全補(bǔ)償諧波時(shí)所需的直流側(cè)電壓理論最小值；然后，當(dāng)直流側(cè)電壓小于理論最小值時(shí)，考慮在正弦脈寬調(diào)制方法下，通過仿真曲線，給出了補(bǔ)償后電源電流總諧波畸變率（）與直流側(cè)電壓之間的定量關(guān)系，這些曲線為直流側(cè)電壓的選擇提供了參

2、考。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所述直流側(cè)電壓值選取方法的正確性。關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；直流側(cè)電壓；諧波特性；補(bǔ)償特性收稿日期：；修回日期：。中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（）；新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題資助項(xiàng)目。引言并聯(lián)型有源電力濾波器（）作為一種先進(jìn)的諧波電流補(bǔ)償器應(yīng)用廣泛。包含一個(gè)電壓型逆變器，直流電壓環(huán)控制其直流側(cè)電壓為一個(gè)恒定值，這個(gè)恒定的直流側(cè)電壓值對(duì)諧波的補(bǔ)償特性影響很大。要想得到滿意的補(bǔ)償效果，直流側(cè)電壓值必須足夠高；但是直流側(cè)電壓越高，對(duì)半導(dǎo)體器件的耐壓要求也就越高，同時(shí)損耗也越大。在實(shí)際應(yīng)用中，希望盡量降低直流側(cè)電壓值。直流側(cè)電壓值的選取非常重要，需要詳細(xì)分析。

3、文獻(xiàn)詳細(xì)分析了直流側(cè)電壓對(duì)次和次諧波的補(bǔ)償特性的影響，但對(duì)含有多次諧波的系統(tǒng)沒有詳細(xì)分析。針對(duì)直流側(cè)電壓的近似選擇方法，文獻(xiàn)選取直流側(cè)電壓為（標(biāo)幺值）；文獻(xiàn)提出變流器輸出電壓必須小于直流側(cè)電壓值的一半，電源電壓的增加會(huì)導(dǎo)致變流器飽和，進(jìn)入非線性工作區(qū)。文獻(xiàn)給出了輸出電壓的矢量圖，得出了在空間矢量脈寬調(diào)制（）控制方法時(shí)最大輸出電壓矢量，進(jìn)而可以分析直流側(cè)電壓最小值，該方法在實(shí)際分析直流側(cè)電壓取值問題時(shí)非常有用，但需進(jìn)一步分析直流側(cè)電壓低于這個(gè)理論最小值時(shí)補(bǔ)償特性與直流側(cè)電壓的關(guān)系。已有文獻(xiàn)對(duì)直流側(cè)電壓與諧波補(bǔ)償特性之間的關(guān)系缺乏詳細(xì)的定量分析。本文分析了直流側(cè)電壓與諧波補(bǔ)償特性之間的定量關(guān)系，從

4、而給出典型負(fù)載下的直流側(cè)電壓理論最小值，同時(shí)給出當(dāng)直流側(cè)電壓低于這個(gè)理論最小值時(shí)，補(bǔ)償后電源電流總諧波畸變率（）與直流側(cè)電壓值之間的關(guān)系。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及分析方法分種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：?jiǎn)蜗嘞到y(tǒng)和三相系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖分別如圖和圖所示。其中：為電源電壓；（取，）為電源相電壓；和為負(fù)載電流；和為電源電流；和為輸出電流；為直流側(cè)電壓 。圖單相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 圖三相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第卷第期年月 日在單相等效電路（三相系統(tǒng)中假設(shè)三相對(duì)稱）中，逆變器輸出電壓如式（）所示：（）式中：為電源電壓；為逆變器輸出電壓；為補(bǔ)償電流的諧波部分。逆變器最大輸出電壓（）與直流側(cè)電壓的關(guān)系如式（）所示：（）式中：?jiǎn)蜗嘞到y(tǒng)時(shí)，三相系統(tǒng)調(diào)制時(shí)；調(diào)制

5、比。直流側(cè)電壓取值分析直流側(cè)電壓對(duì)補(bǔ)償特性的影響分析分為種情況：一種情況是當(dāng)完全補(bǔ)償時(shí)的直流側(cè)電壓理論最小值分析；另一種情況是直流側(cè)電壓在小于理論最小值時(shí)補(bǔ)償后電源電流分析。在圖和圖中，晶閘管整流加阻感負(fù)載作為系統(tǒng)負(fù)載；在圖中，負(fù)載電流波形為方波；在圖中，負(fù)載電流波形在換相角小于°時(shí)等效為梯形波，和分別為相負(fù)載電流和輸出電流 。圖負(fù)載電流和輸出電流指令（單相系統(tǒng)）（ ）圖負(fù)載電流和輸出電流指令（三相系統(tǒng)）（）單相系統(tǒng)直流側(cè)電壓分析當(dāng)完全補(bǔ)償電源諧波電流時(shí)，對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行傅里葉分解可得諧波分量，進(jìn)而得出輸出電流指令，如式（）所示：，（）電感兩端電壓值如式（）所示：，（）當(dāng)只考慮前次諧波

6、時(shí)，前次諧波的有效值可表示為式（）。通過數(shù)學(xué)軟件可求出逆變器輸出電壓，再根據(jù)式（）可得直流側(cè)電壓理論最小值，如式（）所示。，）（）（）（）式中：（）為電源電壓；為電源電流與電源電壓的相位差。設(shè)標(biāo)幺值基準(zhǔn)為。為了工程應(yīng)用方便，引入?yún)?shù)，式（）就可表示為式（）所示的標(biāo)幺值形式：（）（）由式（）可知，直流側(cè)電壓值與電源電壓和電流之間的相位差有關(guān)，也與輸出電流有效值有關(guān)。根據(jù)式（）可得直流側(cè)電壓理論最小值與的關(guān)系，如圖所示 ，圖中給出了典型的相位角下的曲線。利用圖可讀出直流側(cè)電壓理論最小值。曲線轉(zhuǎn)折處是電感兩端電壓的峰值起主導(dǎo)作用與電源電壓起主導(dǎo)作用之間的轉(zhuǎn)折位置。圖直流側(cè)電壓理論最小值與的關(guān)系（單相

7、系統(tǒng)）當(dāng)直流側(cè)電壓小于理論最小值時(shí)，調(diào)制方法是非線性調(diào)制方法，調(diào)制波限幅，針對(duì)這種情況，進(jìn)行理論分析較為繁雜，本文利用仿真軟件，得出不同直流側(cè)電壓下的一組曲線，根據(jù)這個(gè)曲線可以判斷直流側(cè)電壓值與補(bǔ)償特性之間的關(guān)系。不同的和有不同的補(bǔ)償效果（見附錄圖），本文用一些 典型值來分析問題?？梢钥闯?，當(dāng)直流側(cè)電壓降到，（）電源電壓峰值以下時(shí)，電源電流呈現(xiàn)先變小后變大的趨勢(shì)，原因是在相同直流側(cè)電壓、不同輸出電流情況下，調(diào)制波的基波部分都達(dá)到了限幅值；而隨著輸出電流的增大，輸出的諧波電流和基波電流同時(shí)增大，但輸出諧波電流與輸出基波電流的比值是先減小后增大，因此曲線呈現(xiàn)先變小后變大的趨勢(shì)。三相系統(tǒng)直流側(cè)電壓分

8、析在控制情況下，由圖可得在區(qū)間內(nèi)負(fù)載電流為：（）（）（）式中：為換相角。在區(qū)間內(nèi)進(jìn)行傅里葉分解，可得式（）。輸出電流與的關(guān)系如式（）所示。·（）（），）（）與輸出電流有效值有關(guān)，即（）（）其中（），） （），）（）設(shè)（）的最大值為（），根據(jù)的值并利用數(shù)學(xué)軟件可得式（）的值。圖給出了（）和的關(guān)系，根據(jù)圖可得（）。圖（）和的關(guān)系（）直流側(cè)電壓值如式（）所示，標(biāo)幺值形式如式（）所示。（）（）（）（）（）（）當(dāng)輸出諧波電流為時(shí)，直流側(cè)電壓近似為電源相電壓有效值的倍。典型的和值下的直流側(cè)電壓理論最小值與的關(guān)系見附錄圖，根據(jù)該圖可以選擇直流側(cè)電壓理論最小值。當(dāng)直流側(cè)電壓小于理論最小值時(shí)，本文利用

9、仿真軟件，得出不同直流側(cè)電壓下的一組曲線，見附錄圖。圖中不同的和有著不同的補(bǔ)償效果，根據(jù)這組曲線可以判斷直流側(cè)電壓值與補(bǔ)償特性之間的關(guān)系?？梢钥闯?，當(dāng)為°時(shí)，在電流增大時(shí)理論最小值不是近似為，原因是為°時(shí)將負(fù)載電流波形等效為梯形波有一些誤差。仿真和實(shí)驗(yàn)為了驗(yàn)證所得的結(jié)論，本文進(jìn)行 了仿真研究。單相系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖所示，負(fù)載為二極管整流加阻感負(fù)載，逆變器電感為，電源相電壓有效值為，輸出相電流有效值為，調(diào)制比為，應(yīng)用了三角波調(diào)制方法。在圖中，當(dāng)完全補(bǔ)償前次諧波時(shí)，直流側(cè)電壓理論最小值為。在仿真中，當(dāng)直流側(cè)電壓為時(shí)，補(bǔ)償后電源電流為（考慮次到次諧波），近似為，仿真驗(yàn)證了所得結(jié)論的

10、正確性。圖在直流側(cè)電壓理論最小值時(shí)的補(bǔ)償結(jié)果（單相系統(tǒng)）（）·研制與開發(fā)·趙國(guó)鵬，等基于補(bǔ)償特性的并聯(lián)型有源電力濾波器直流側(cè)電壓取值分析圖給出了一組仿真結(jié)果，仿真結(jié)果近似與理論值相等，仿真結(jié)果中的電源電流小于。仿真驗(yàn)證了式（）所得結(jié)果的正確性，根據(jù)式（），如果已知輸出電流有效值，則可得直流側(cè)電壓理論最小值 。圖仿真結(jié)果與理論值比較（二極管整流加阻感負(fù)載的單相系統(tǒng)）（）為了驗(yàn)證式（），本文進(jìn)行了仿真研究。在三相系統(tǒng)中，逆變器電感為，電源相電壓有效值為，輸出電流有效值為，調(diào)制比為，應(yīng)用了三角波比較控制。在圖中，換相角°。根據(jù)式（），完全補(bǔ)償時(shí)直流側(cè)電壓為。仿真結(jié)果顯示

11、在直流側(cè)電壓下，為（考慮次到次諧波），與理論值近似相等，仿真驗(yàn)證了結(jié)論。圖給出了三相系統(tǒng)仿真值與理論值的比較，仿真值與理論值近似相等 。圖在直流側(cè)電壓理論最小值時(shí)的補(bǔ)償結(jié)果（三相系統(tǒng)）（）·廣告 ·圖仿真結(jié)果與理論值比較（三相系統(tǒng)）（）在圖中，當(dāng)直流側(cè)電壓小于理論最小值時(shí)，補(bǔ)償后電源電流實(shí)驗(yàn)值與理論值近似相等，由于系統(tǒng)延時(shí)和開關(guān)頻率的影響，實(shí)驗(yàn)值與理論值有一些誤差，這也說明理論值是理想實(shí)驗(yàn)條件下的值，實(shí)驗(yàn)值可以很接近這個(gè)理論值，本文得出的直流側(cè)電壓與補(bǔ)償特性之間的關(guān)系曲線是所能達(dá)到的最佳補(bǔ)償效果 。圖直流側(cè)電壓與補(bǔ)償特性的實(shí)驗(yàn)和理論比較結(jié)語本文分析了直流側(cè)電壓與諧波補(bǔ)償特性

12、之間的定量關(guān)系。分別在單相和三相系統(tǒng)中，得出了完全補(bǔ)償諧波時(shí)直流側(cè)電壓理論最小值；當(dāng)直流側(cè)電壓小于理論最小值時(shí)，利用仿真曲線，得出了補(bǔ)償后電，（ ）源電流與直流側(cè)電壓的關(guān)系，這個(gè)理論關(guān)系曲線是理想實(shí)驗(yàn)條件下的值，實(shí)際系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)值可以很接近這個(gè)理論值，這些曲線對(duì)有源電力濾波器直流側(cè)電壓的選取及所能達(dá)到最佳補(bǔ)償效果的評(píng)估具有重要參考價(jià)值。附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（：）。參考文獻(xiàn)黎燕，羅安大功率低成本新型混合型有源濾波器設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)自動(dòng)化，（）：，（）：常亮亮，涂春鳴，羅安，等具有諧波抑制功能的綜合電能質(zhì)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電力系統(tǒng)自動(dòng)化，（）：，（）：譚甜源，樂健，阮江軍基于自適應(yīng)濾波器的動(dòng)態(tài)諧波電流預(yù)測(cè)方法電力系統(tǒng)自動(dòng)化，（）：，（）：王小偉，趙偉，涂春鳴，等雙諧振注入式混合有源電力濾波器及控制方法電力系統(tǒng)自動(dòng)化，（）：，（）：，：，：，（）：，（）：，：，（）：趙國(guó)