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1、电力有源滤波器控制技术的发展北方交通大学汤枉鹏王良王立文内容提要本文介绍了电力有源滤波器的几种典型的控制方法,分析了它们各自的殊点。认 为提高有源滤波器的谐波抑制性能和降低有源滤波器的损耗是指导控制技术发展的两个主要因素。关键词?有源滤波器,谐波抑制,控制方法,数 学分析。一、引言当整流 器等非线性负载接至交流 电 源时,交流 电流将变成含有高次谐波的畸变电流。这种高次谐波电流与电 源 阻抗 相互作用,使电压波形产生畸变,影响电网及其他用电设备正常运行。即使各个装置产生高次谐波量不大,但当装置的使用数量增加时,由于高次谐波的叠加,会达到不 可忽视的程度。因此在各个领域已大量使用这类非线性负载的
2、今天,抑制高次谐波已成为一项重要的研究课题。至今,电力系统还是采用并联无源滤波器来减小高次谐波。然而,无 源滤波器所存在的许多问题妨碍了它的实际应用效果。如图?所示,无源滤波器在特 定频率下呈低阻抗,从而减少 了流入电网的高次谐波电流。源滤波器存在的问题? !电源阻抗影 响无源滤波 器的谐波抑制性能# !电网电流的频率波动或无源滤波器参数不稳定对 无源滤 波器的抑 制效果 有影响。 !当谐波电流增大时会发生过载。为解决上述无 源滤波器所存在的间题,近年来采用%口卜?急甲图?无 源滤波 器 的荃本原 理从原理 上看,无源滤波器的谐波抑制性能取决于 电源阻抗和无 源滤波器阻抗的比值。无二、电力有源
3、滤 波器的基本结构电力有源滤波器的主电路是 一个%2变流器,按其直 流侧储能元件的不 同可分为机车 电传动?(?年 第期电压型和电流型两 种,如图#所示。起高次谐波抑制作用的电力变流器的运行状态 既不 同于通常的整 流状态,也 不 同于 通常的逆变状态,而是处 于一种“波形控制状态”,控制比较复杂。必必 讲 件件件件件件件件。的三角波调制直流电抗器 电 流,将调制后的脉冲串作为 电力有源滤波器的实际输出 电流。这种控制方法的谐波抑制效果与三角形载波的频率有很大关系。为了获得较好的谐波抑制效果,必须提高载波频率,但这样又增加了变流器的开关损耗,同时也不会出现完全消除谐波的理 想情况。图#单相%2
4、变流 器 的基本结构!电压型,!电流型关于上述两种电力有源滤波器的控制方法已有很多仁#一“,下面将 介绍几种典型的控制方法。 刁刁 ! 川?图载波调制法的工作原 理三、电力有源滤波器的控制方 法一!电流 型 电力有源滤波器的控制方法?,载波 调制法载波调制法的工作原理如图所示。用补偿电流的参考值作为控制信号,用频率较高#,多脉冲%, ,1 1 1 ; ; ; 以以以韭韭且 转拱毛 怕琳冲波形 三位,图多脉冲%2 控制原理飞。电网 电流的谐 波分量可 用傅氏级数表万 !二、戮刃” 。,卜功!与这些谐波分量相对 应的补偿电流脉? 川笋夕如 图所示。各个脉冲序列的蓬波成分与要消除的相应的谐波 电流成
5、分相?寸。例川要消除第。次谐波电流1二,则脉冲序列几的旅波幅值#机车电传动?(?年第期和相位与几应完全相同。设脉冲幅值为9。,那 么脉冲宽 度#尸。可由下式求得?扛 会,7“汀。 二#尸。二#,昌 月二下月,9。二变换成与变流 器状态相对应的三值脉 冲序列。文献用数字仿真方法对载波调制法和多脉冲%次绪坡 加。?只?公拐公 !犯!#矛!二%刀夹电中。气飞中,玩7 功一价81.347功:2功8128347 功一必,1.34几必2功:17)。/用这种方法可以把所有的合成脉冲序列:/?。1曲线如图!所示。其中,表示负载电流基波分量的幅值,?。表示滤波器直 流侧电流。从图!可以看出,多脉冲法 对次谐波的
6、抑制能力在/几#8时要明显 优于载波调制法,对 8次谐 波的抑制能力在#,/?。%的范围内也比较好。8余弦同步控制法余弦同 步控制法是日本东京 大 学的。 ;7 ; =3;等人于 年提出的。这种控制方法实质 上是 对多脉冲控制法的一种改进方法。主要用于对动态谐波电流的抑制。其基本思 想是将脉冲,分成正交的两个分量3飞和3”几,如图所示。这两个分量 分别由两 个喂机车电传动 年第冬期肠?4一3、 0 , 变流器产生,这样可以减少求解功。这一复杂运算,并且3:、3犷这 些脉冲模式的开关点可以用余弦交截法确定。这样减小了求解脉冲开关点的时向,提高了 电力有源滤波器的动态响应速度。该方法的具体推导过程
7、如下设电网电流的谐波分量为刀3+1,则刀3+1)艺,+12艺,。+1);, ,+1.34”?+2,+10 9.尹。+1一变流 器和伞变流器的脉宽分别为百百百己己3 3 3 3 3 3 3 3 3 。夕545耐二一,兀吕?4二,丁一窿;。+1】?。#;。+1】 /?。成%/二;。+1/?。%/二5,。),汀 昌?4咨下一%,+1。1 1 1一一9成。+1/?。成%/二。+1】 /?。%/二!11险法几厅传停由图1可得#,二拾一,9二毋2尸、即09一49).349。09 .49二一.344。由式! 1、 1可以推得1广广一 一令?。“。,口 ?;。+1:#成% 。:兀;。+1/?。成%/二;,1/
8、?。%/二一“”“之。才1/了。%/二一十,。:。才,、,#、/二图脉冲分解; 1第, 次等效的脉冲波形: 1第。次脉冲波形:61第4次脉 冲波形09 .49之冬 式1代 入式1得 了里%一汀二8卜一,2夸宏1“1 “11另外,第4次脉冲序列艺几中 的8次 分 最为;98+1) 万二 4圣一9。:、口,二。?!7 岛。 约 9变二立9。,。 ,!9。“二用同样的方 法可莲 发 得0一变流 器的 等值%2 波形。从以上 推导结果可以看出,相 角 州,口#!与参考信号幅值, !之间存在着余弦关系,因此%2脉冲的开关 点 可以用余弦交截法 确定。图示 出了余弦 交截法确定%2脉冲开关点的原理。化的动
9、态谐波 电流 具有较好的抑制作用,谐扮之 抑制率在( 3以上。,优化注 入法多脉冲控制法和余弦同步控制法 具有较好 的谐波抑制性能,然而由于在确定%+二。扭!9 3# 3一比比比汗阵附睐比六匕3六喊咄9未补偿#?#亏)?弓 !二#?之(啪冰咪汁附比嵘津斗?比冲? ? ? ? ? 伟 ? ? ? ? 1 ? ? ? + ? 1 山 9 ? 陈才瓜担垅译)?弓!二()9!图?3补偿前、后电 网电流的频谱# 4机车电传 动? ( (?年第期由于要补偿有源滤波器的损耗,故基波电流有所增加。定义为基波 电流增加率。则6?一9。刀 ?!?)!如果9。恒定,且已知各谐 波分量的幅值,那 么根据式 ?#!、?
10、_!、?!就 可以求得开关函数 3 !,即 可以确定% 、呈2一仑口 )拭东宾一 。匀 / 0片+ 一川 、 门可自0已0其中扒。表示补偿有源滤波器损耗的功率。在仅抑制高次谐波的场合厂)一,厂)一:在需要抑制高次谐波 同时又要工1补偿无功的场合厂二一扒妊)一取2乙1犷鱼 1控制方法一般有两种基本的控制方式。第一种方法载波比较法1是将放大7,倍后的电流误差信号与三角波信号相比较,决定脉冲开关信号,如图;1所示。? :, 8 /?: :10,?() 仁#, 01,:?,: : ; ?15: ;.?:9 ?亡月亡: / ,6:1= :%15 五; :一,:?1 1 1 10。1=:%9?: ;,9
11、98/ ?玉 9:10,?34 )仁./一?2;),%6;2=20=?/01)/=/+10/10.1/ = / =90/= 20=?/01)/=/ +10/ (.,4 5 仁#;1;=/2;01= 2= 2一0;01= 2; 8;=21/123?/01)/=+10/ 至0= 286/ /0 ;01 ;01= 2 ,/ / = ,%4 56仁5789一:;?/2/ /01=2.。0 =? :; = 21/1 12;01= 28?/01)/=/+10= ;22 / /0 = 21/,%4 5 56%4!? ;31,/0;?=)/= /2;0= 1230;01/29/01=2# ./ /0123,%455仁%。陆廷信等有源型 高 次谐 波抑制无功补偿装置计算机仿 真及实验 研究电气传动,%4 5 4,的讥车电传功%44 %年第期
