有源電力濾波器課程設(shè)計

綜述隨著大容量電力電子裝置在高壓交流電力系統(tǒng)中日益廣泛的應(yīng)用，諧波和無功等問題嚴重地威脅著系統(tǒng)自身的安全穩(wěn)定運行。針對10~35kV高壓交流電力系統(tǒng)，國內(nèi)外目前主要采用無源電力濾波器來抑制諧波并補償無功功率。無源電力濾波器具有諸多的缺陷，難以達到理想的性能。受功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的約束，有源電力濾波器常規(guī)方案的應(yīng)用限制在低壓交流電力系統(tǒng)。提出一種基于基波磁通補償?shù)拇?lián)型有源電力濾波器新原理，通過電力電子變換器的控制，使串聯(lián)變壓器對基波呈現(xiàn)很小的一次側(cè)漏阻抗，對諧波呈現(xiàn)很大的勵磁阻抗。通過電力電子變換器的控制，變壓器一次側(cè)呈現(xiàn)連續(xù)無極可調(diào)的電抗。借鑒基波磁通補償理論及磁通可控的可調(diào)電抗器原理，根據(jù)串并聯(lián)的對偶特性，本文提出一種新型的基于阻抗可控的并聯(lián)混合型有源電力濾波器。在電力電子變換器的控制下，變壓器對諧波電流呈現(xiàn)近似為零的低阻抗，從而輸導(dǎo)電力系統(tǒng)中的諧波電流，同時對基波電流呈現(xiàn)連續(xù)無極可調(diào)的電抗，與無源電力濾波器相結(jié)合，實時補償系統(tǒng)的無功功率。通過變壓器隔離降壓，確保該濾波器安全、可靠、穩(wěn)定地工作。1工作原理1.1變壓器的結(jié)構(gòu)變壓器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其一次側(cè)AX與二次側(cè)ax的匝數(shù)分別為W1、W2，變比k=W1/W2，一次側(cè)與二次側(cè)的互感為M。一次側(cè)繞組的電阻為r1，自感為L11。變壓器采用非晶態(tài)合金鐵心，為了確保變壓器工作在B-H曲線的線性區(qū)，鐵心開有氣隙。利用電壓型逆變器向變壓器二次側(cè)繞組中注入補償電流i2且滿足i2=-α*∑i1(n)-β*i1(1)式中：α為諧波補償系數(shù)；∑i1(n)為實時檢測的變壓器一次側(cè)諧波電流；β為基波補償系數(shù)；i1(1)為實時檢測的變壓器一次側(cè)基波電流。1.2諧波抑制原理從AX端看，變壓器n次諧波電壓方程為ù1(n)=（r1+jWnL11）/ì1(n)+jWnMì2(n)若α滿足諧波補償條件α=L11/M則從AX端看，變壓器對諧波電流的等效阻抗為ZAX(n)=ù1(n)/ì1(n)=r1通常r1可忽略，因此，在滿足諧波補償條件時，變壓器對諧波電流呈現(xiàn)近似為零的低阻抗。諧波等效電路如圖2所示。高壓交流電力系統(tǒng)的系統(tǒng)阻抗相對較大，由于變壓器在電力電子變換器的控制下能夠?qū)χC波電流呈現(xiàn)近似為零的低阻抗，因而對高壓交流電力系統(tǒng)的諧波電流具有很好的抑制能力。1.3無功功率補償原理從AX端看，變壓器基波電壓方程為ù1(1)=（r1+jW1L11）/ì1(1)+jW1Mì2(1)由于r1可忽略，從AX端看，變壓器對基波電流的等效電抗為XAX(1)=ù1(1)/ì1(1)=W1（L11-βM）變壓器對基波電流的等效電抗與基波補償系數(shù)β的關(guān)系如圖3所示。由圖3可見，通過實時調(diào)節(jié)基波補償系數(shù)β的大小，可以使得變壓器對基波電流呈現(xiàn)連續(xù)無極可調(diào)的電抗，與無源電力濾波器相結(jié)合，能夠?qū)崟r地補償高壓交流電力系統(tǒng)的無功功率。2實驗電路結(jié)構(gòu)2.1主電路結(jié)構(gòu)圖4為基于阻抗可控的并聯(lián)混合型有源電力濾波器的實驗電路結(jié)構(gòu)圖。主電路中，US為系統(tǒng)電壓，ZS為系統(tǒng)阻抗。T為線性變壓器，與諧波源及無源電力濾波器相并聯(lián)。Lf為逆變器輸出電感，在變壓器漏感較大的情況下，Lf可省去。為了確保逆變器對指令電流的實時跟蹤，采用IGBT作為功率半導(dǎo)體開關(guān)器件。Ud為逆變器直流母線電壓。L與C為無源電力濾波器的電感與電容，無源電力濾波器主要功能為補償容性無功電流，兼濾除部分諧波電流。諧波源為帶阻感負載的二極管全橋不控整流器。2.2控制電路結(jié)構(gòu)控制電路包括指令電流運算和補償電流控制2部分。指令電流運算單元實時檢測變壓器一次側(cè)的電流，根據(jù)電力系統(tǒng)無功功率補償?shù)囊?，得到變壓器二次?cè)補償電流的指令信號。補償電流控制單元將指令電流信號與反饋電流信號相比較，其誤差通過PI調(diào)節(jié)器，再與三角載波信號比較，得到PWM信號，驅(qū)動逆變器中的IGBT開關(guān)。提出一種指令電流運算方法如圖5所示。其中，i1（t）=∑Incos(nwt+ψn)，(low-passfilter,LPF)為低通濾波器，用于提取信號的直流分量，Amsin(ωt+ψ)與Amcos(ωt+ψ)為控制電路產(chǎn)生的幅值實時調(diào)節(jié)、與電網(wǎng)同頻率、相位任意的正余弦，ic*為補償電流的指令信號。一次側(cè)電流與余弦信號相乘，得到i1（t）*Amcos(wt+ψ)=（Am／2）∑In{cos[(n+1)wt+ψ+ψn]+cos[(n-1)wt+ψn-ψ]}經(jīng)過LPF得到直流分量（Am／2）I1cos(ψ1-ψ)再與余弦信號相乘，得到i1p，（Am2／2）I1cos(wt+ψ)cos(ψ1-ψ)=（Am2／4）I1[cos(wt+ψ1)+cos(wt+2ψ-ψ1)]一次側(cè)電流與正弦信號相乘，得到i1（t）*Amsin(wt+ψ)=（Am／2）∑In{sin[(n+1)wt+ψ+ψn]-sin[(n-1)wt+ψn-ψ]}經(jīng)過LPF得到直流分量（-Am2／2）I1sin(ψ1-ψ)再與正弦信號相乘，得到i1p，（-Am2／2）I1sin(wt+ψ)sin(ψ1-ψ)=（Am2／4）I1[cos(wt+ψ1)-cos(wt+2ψ-ψ1)]由式(8)與(10)可以得到指令電流ic*=-L11／M（i1-i1p，-i1q,）=-L11／M[(1-Am2／2)I1[cos(wt+ψ1)+∑Incos(nwt+ψn)]=-L11／M[∑i1(n)+(1-Am2／2)i1(n)]比較式(1)、(3)與(11)可知，指令電流滿足諧波補償條件。通過實時調(diào)節(jié)正余弦信號的幅值A(chǔ)m，可實時改變基波補償系數(shù)β的大小。Am與β的關(guān)系為Am=3實驗與結(jié)果分析為了證明上述理論分析的正確性，根據(jù)圖4所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計了一套實驗裝置。系統(tǒng)電壓為110V，系統(tǒng)側(cè)串聯(lián)5mH的電感。變壓器的變比為1：1，一次側(cè)繞組的自感為92mH，一次側(cè)繞組與二次側(cè)繞組的互感為91.69mH，二次側(cè)繞組的自感為92mH，諧波補償系數(shù)α=1.0033。無源電力濾波器參數(shù)為L=14.11mH，C=240μF。半導(dǎo)體開關(guān)器件為SEMIKRON公司的NPN型IGBTSKM300GB123D。采用TDS2002型數(shù)字示波器記錄了實驗波形，并采用了2533E型交流數(shù)字功率計測量了各種工況下實驗數(shù)據(jù)。實驗分6種工況進行。工況1。不加任何濾波器，此時系統(tǒng)電壓電流的波形如圖6所示。（2）工況2。為了驗證諧波抑制原理的正確性，只加有源電力濾波器，基波補償系數(shù)β=0，此時系統(tǒng)電壓電流的波形如圖7所示。工況3。只加無源電力濾波器，此時系統(tǒng)電壓電流的波形如圖8所示。（4）工況4。同時加無源和有源電力濾波器，基波補償系數(shù)β=0，此時系統(tǒng)電壓電流的波形如圖9(a)所示。（5）工況5。同時加無源和有源電力濾波器，基波補償系數(shù)β=0.51，此時系統(tǒng)電壓電流的波形如圖9(b)所示。（6）工況6。為了更加明顯地驗證無功功率補償原理的有效性，同時加無源和有源電力濾波器，將基波補償系數(shù)β提高到0.75，此時系統(tǒng)電壓電流的波形如圖9(c)所示。對以上6種工況下的系統(tǒng)電流波形進行了傅里葉分析。6種工況下的系統(tǒng)電流總諧波畸變率和系統(tǒng)功率因數(shù)如表1所示。從以上分析可見，該濾波器不僅能夠有效地抑制諧波，通過調(diào)節(jié)基波補償系數(shù)，還能夠補償無功功率。實驗結(jié)果與理論分析相一致。表16種工況下系統(tǒng)功率因數(shù)及電流總諧波畸變率此原理用于三相交流電力系統(tǒng)時，為了適用于負載不平衡等復(fù)雜的工況(如：27.5kV鐵道牽引系統(tǒng))，可采用3個獨立的單相變壓器和單相逆變器的電路結(jié)構(gòu)；用于高壓交流電力系統(tǒng)時，由于系統(tǒng)的容量很大，為了提高有源電力濾波器的容量，變壓器需采用二次側(cè)多補償繞組的結(jié)構(gòu)。課程設(shè)計體會通過本次的課程設(shè)計，我有了很大的收獲。由于諧波對電網(wǎng)的影響使我們的一些實際運行的結(jié)果失真。通過本次的設(shè)計，我了解了作為一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，APF能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行實時補償?？梢砸种聘叽沃C波對電網(wǎng)及設(shè)備的影響。通過本次的設(shè)計，我不僅鞏固了書本上的知識，對其加深了解，更鍛煉了我的動手能力。使我能夠在進入社會之前有一次很好的鍛煉機會。在將來踏出學(xué)園后不是一個只會紙上談兵的大學(xué)生。做一個可以實戰(zhàn)型的選手。讓我對電力電子這門課程有了更大的興趣，激發(fā)了我繼續(xù)研究的興趣。我會在接下來的專業(yè)課程學(xué)習(xí)中更加的努力學(xué)習(xí)，爭取取得更大的收獲。不斷豐富自己的專業(yè)知識，武裝自己的頭腦。在此我還要感謝那些在此次設(shè)計中給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)，如果沒有他們的幫助就不能順利的完成此次設(shè)計。參考文獻[1]吳竟昌，孫樹勤，宋文南，等．電力系統(tǒng)諧波[M]．北京：水利電力出版社，1988[2]唐卓堯，任震．并聯(lián)型混合濾波器及其濾波特性分析．中國電機工程學(xué)報，2000[3]蔣斌，顏鋼鋒，趙光宙．一種單相電流檢測法的研究．電工技術(shù)學(xué)報，2000[4]李達義，陳喬夫，賈正春．基于磁通可控的可調(diào)電抗器的新原理．中國電機工程學(xué)報，2003[5]唐敏，李群湛，賀建閩．牽引變電所無功諧波綜合補償方案研究．電網(wǎng)技術(shù)，2004[6]羅安，付青，王麗娜．變電站諧波抑制與無功補償?shù)拇蠊β驶旌闲碗娏V波器．中國電機工程學(xué)報，2004[7]劉飛，鄒云屏，李輝．C型混合有源電力濾波器．中國電