三相四級(jí)制有源電力濾波器的研究

三相四級(jí)制有源電力濾波器的研究

1瞬時(shí)值基礎(chǔ)上的三元電路時(shí)效無(wú)功率理論近年來(lái)，無(wú)功率補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題越來(lái)越受到重視。在對(duì)變化的無(wú)功功率和諧波進(jìn)行快速動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和抑制時(shí),建立在平均值基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)無(wú)功功率理論已難以適應(yīng)。80年代由赤木泰文(H.Akagi)提出了建立在瞬時(shí)值基礎(chǔ)上的三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論引起諸多研究者的注意,并在許多方面得到了成功的應(yīng)用。該理論突破了傳統(tǒng)的以平均值為基礎(chǔ)的功率定義,系統(tǒng)地定義了瞬時(shí)無(wú)功功率、瞬時(shí)有功功率等瞬時(shí)功率量。借助于該理論,可以得到諧波和無(wú)功電流的瞬時(shí)檢測(cè)方法,這大大地推動(dòng)了有源電力濾波器技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。瞬時(shí)無(wú)功功率理論是建立在三相三線制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上。然而,在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中,三相四線制系統(tǒng)是非常普遍的。但該理論有一定的局限性,主要是系統(tǒng)中存在著零序電流分量。如何將瞬時(shí)無(wú)功功率理論引伸到三相四線制系統(tǒng)中來(lái),這也是國(guó)內(nèi)外許多專家和學(xué)者所關(guān)心的問(wèn)題,并為之做了大量的工作。2電流的ia、ia、i對(duì)于三相四線制系統(tǒng),由于其含有零線電流,在進(jìn)行坐標(biāo)變換時(shí),不再是一正交的平面α-β坐標(biāo)系,而是含有0軸的三維坐標(biāo)系,即要在α-β-0坐標(biāo)系進(jìn)行變換,以電壓矢量為例,如圖1所示,有這里ua、ub、uc是系統(tǒng)相電壓,對(duì)于電流ia、ib、ic也有對(duì)應(yīng)的關(guān)系和矢量圖成立。即則瞬時(shí)有功功率p、瞬時(shí)無(wú)功功率q和零序功率p0在α-β-0坐標(biāo)系的表達(dá)式為由式(3)可以看出,三相瞬時(shí)功率可以表達(dá)為下面的形式p3?(t)=uaia+ubib+ucic=uαiα+uβ?iβ+u0i0=pa(t)+pb(t)+pc(t)=pα(t)+pβ(t)+p0(t)=p(t)+p0(t)(4)這里,p=pα+pβ是瞬時(shí)有功功率,而p0=u0i0是瞬時(shí)零序功率。式(4)表明,在使用α-β-0坐標(biāo)變換時(shí)零序功率部分可以從系統(tǒng)中分離出來(lái)。q由于只取決于α-β成分,故并不包括系統(tǒng)的零序分量。對(duì)于正序和負(fù)序分量,只與瞬時(shí)功率p、q有關(guān),電壓或電流中的零序分量對(duì)p、q兩者均無(wú)影響。3評(píng)估電流發(fā)生電路應(yīng)用于三相四線制系統(tǒng)的有源電力濾波器系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。圖中,負(fù)載為諧波源,產(chǎn)生諧波及三相不平衡電流,零線有電流流過(guò)。有源電力濾波器由指令電流運(yùn)算電路、電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路及主電路四部分組成。其中后三部分共同構(gòu)成了并聯(lián)型有源電力濾波器的補(bǔ)償電流發(fā)生電路。其基本工作原理是:通過(guò)檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象(即圖中負(fù)載)的電壓與電流,經(jīng)指令電流運(yùn)算電路計(jì)算得出補(bǔ)償電流的指令信號(hào),該信號(hào)經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路放大,得出補(bǔ)償電流。補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波及無(wú)功電流相抵消,最終得到期望的電源電流。三相四線制系統(tǒng)與三相三線制系統(tǒng)的區(qū)別在于存在零線。因而用于三相四線制系統(tǒng)中有源電力濾波器與用于三相三線制中的相比,根本的區(qū)別在于對(duì)三相電流中零序分量的處理。有源電力濾波器由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩部分組成,對(duì)于前一部分,要求在三相四線制的情況下仍要準(zhǔn)確快速地形成指令電流,也就是檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象中的諧波、基波負(fù)序、零序等電流分量;而對(duì)于后一部分,則要求根據(jù)指令電流信號(hào)正確地產(chǎn)生補(bǔ)償電流。3.1補(bǔ)償電流指令信號(hào)在三相四線制系統(tǒng)中,由于三相電流之和不為零,因此基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流檢測(cè)方法不可直接應(yīng)用。為解決在三相四線制系統(tǒng)中瞬時(shí)檢測(cè)諧波電流的問(wèn)題,這里作者提出了一種零線電流分離法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題,即先求出其零序電流分量,將零序電流分量從各相電流中剔除,除去零序分量后的三相電流可以利用三相三線制情況下的檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè),進(jìn)而求出三相四線制系統(tǒng)中的諧波、基波負(fù)序、零序在內(nèi)的補(bǔ)償電流指令信號(hào)。同時(shí)算出的零線電流反極性后作為零線補(bǔ)償電流的指令信號(hào)。指令電流運(yùn)算電路的原理圖如圖3所示。圖中C3/2=2/3???√[10?1/23√/2?1/2?3√/2]C3/2=2/3[1-1/2-1/203/2-3/2]C=[sinωt?cosωt?cosωt?sinωt]C=[sinωt-cosωt-cosωt-sinωt]而C-1、C2/3則是對(duì)應(yīng)的逆變換。負(fù)載電流ia、ib、ic由電流霍耳測(cè)出,在零線電流分離電路中,首先計(jì)算三相電流的零序電流分量iziz=ia+ib+ic(5)然后,將各相電流中的零序分量分離,去除零序電流后的三相電流分別為i′a、i′b、i′c,即則i′a、i′b、i′c中只含有正序分量和負(fù)序分量,分別為且有i′a+i′b+i′c=0(8)此時(shí)零線電流iN為iN=ia+ib+ic=3iz(9)對(duì)于i′a+i′b+i′c,用文獻(xiàn)介紹的基于瞬時(shí)無(wú)功功率的檢測(cè)方法,得出其中的基波正序分量如下將此基波正序分量與ia、ib、ic相減,即可得出三相電流中包含諧波、基波負(fù)序、零序在內(nèi)的補(bǔ)償指令電流ica*、icb*、icc*。同時(shí)將計(jì)算出的零線電流iN反極性后作為零序補(bǔ)償電流的指令信號(hào)。3.2電源側(cè)的零線電流的控制在三相四線制系統(tǒng)中,有源電力濾波器除了要對(duì)三相電流進(jìn)行諧波補(bǔ)償外,還要對(duì)零線電流進(jìn)行抑制,消除電源側(cè)的零線電流。對(duì)零線電流的抑制可以有多種形式,這里采用了一種控制上相對(duì)簡(jiǎn)單的方法,主電路在結(jié)構(gòu)上采用四橋臂的結(jié)構(gòu)方式,即對(duì)零線電流的補(bǔ)償由第四對(duì)橋臂完成,由它來(lái)產(chǎn)生零線電流的補(bǔ)償電流iCN,iCN與iLN大小相等、方向相反、兩者相消,從而抵消電源側(cè)的零線電流。主回路的結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示。3.3諧波電流的檢測(cè)直流側(cè)電壓的變化由有源電力濾波器與電網(wǎng)之間的能量流動(dòng)所決定。由于有源電力濾波器除了器件和線路損耗外,沒(méi)有其他負(fù)載消耗能量,直流側(cè)只有一個(gè)儲(chǔ)能電容,因此,當(dāng)有源電力濾波器吸收有功功率大于線路和器件的損耗時(shí),其直流側(cè)電壓升高,反之,而直流側(cè)電壓下降。只有當(dāng)有源電力濾器器吸收的有功功率等于線路和開關(guān)器件的損耗功率時(shí),其直流側(cè)電壓才保持不變。有源電力濾波器是吸收有功功率還是發(fā)出有功功率,是由其補(bǔ)償電流的基波分量與基波電壓之間的相位來(lái)決定的。當(dāng)基波電壓與基波電流同相時(shí),有源電力濾波器吸收有功功率;當(dāng)基波電壓與基波電流反相時(shí),有源電力濾波器發(fā)出有功功率。為使直流側(cè)電壓保持一定,在圖3的諧波電流檢測(cè)電路中增加了直流電壓反饋控制環(huán)節(jié)。直流電壓的給定值Ud*與反饋值Ud比較之后的偏差,經(jīng)PI調(diào)節(jié)器,與檢測(cè)電路中算出的iˉiˉp相加。這樣,得到的基波電流ia1f、ib1f、ic1f中就加入的基波電流成分,表示為Δiaf、Δibf和Δicf,它們與負(fù)載電流相減后,使電流指令ica*、icb*、icc*中也含有額外的基波成分。由于指令中含有基波成分,從而使有源電力濾波器在生成所需要的諧波電流的同時(shí),提供一定的基波電流。這個(gè)基波電流與電源的基波電壓相作用,控制有源電力濾波器的能量流動(dòng),以維持直流側(cè)電容電壓Ud的恒定。4評(píng)估系統(tǒng)組成利用所研制的有源電力濾波器裝置對(duì)圖4所示的諧波源負(fù)載進(jìn)行了補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。諧波源由一個(gè)帶電感性負(fù)載的三相二極管整流橋和帶電阻性負(fù)載的一個(gè)單相二極管整流橋組成。圖5給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯鲇性措娏V波器投入前三相電流不對(duì)稱,波形畸變嚴(yán)重,且零線中存在較大電流。而有源電力濾波器補(bǔ)償后的三相電源電流波形對(duì)稱,且為正弦,零線電流基本消除。本文討論了三相四線制電路在不同條件下的瞬時(shí)功率