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1、 电力新技术论文电力技术论文：有源电力滤波器并网技术的研究摘要:针对有源电力滤波器并网中可能出现的稳定时间长、电流冲击大以及直流侧的电压波动大等问题,首先设计了并联混合有源电力滤波器(shunt hybrid active power filter, SHAPF)装置,然后在Matlab71Simulink63中进行了仿真,并对并网时电源电流、变换器输出的补偿电流和直流侧电容电压波形进行了观察,确认问题存在的同时对电流冲击、电压波动产生的原因进行了分析,提出采用在电压过零时合上开关、在无源滤波器与电网之间串联1个电阻以及采用电流递增的方法解决问题,最后通过仿真验证了方法的正确性,电流冲击及电压
2、波动都能得到较好的抑制。关键词：有源电力滤波器电压波动电流冲击随着电力电子装置的广泛使用,电力系统的谐波和不对称问题日益严重,必须对其进行抑制和补偿。谐波抑制和无功补偿的一个重要趋势是采用有源电力滤波器1。有源电力滤波器作为改善电能质量的一项新技术,在工业发达国家得到高度重视和日益广泛的应用。在我国,三相大功率并联型有源电力滤波器还处于研究和实验阶段,至今仍未有正式产品应用于工业实际。随着有源滤波器研究的深入,有源滤波器的并网技术成为有源滤波器实用化的关键之一。在有源电力滤波器并网技术的研究中,电路趋于稳定所需要的时间、并网时可能产生的电流冲击、直流侧的电压波动等都是需要研究的对象。若有源电力
3、滤波器从并网到稳定的时间过长,则会影响滤波器的滤波效果;若电流冲击过大,导致电网电流也会产生较大的冲击;直流的电压波动若超出允许的范围,对功率器件的安全会造成威胁。所以,有源电力滤波器并网技术的研究对保证有源电力滤波器安全平稳启动并顺利投入工作非常有必要。1、 并联混合有源电力滤波器电路的参数设计及仿真为建立合理的仿真模型,得到较为真实有效的仿真结果,为样机研制和试验打下基础,需要合理设计并联混合有源电力滤波器(shunt hybridactive power filter, SHAPF)中的各种电路参数。并联混合有源电力滤波装置的结构如图1所示,主要包括无源滤波器组、逆变器输出滤波器和逆变电
4、路,其中,由于该设计额定电压等级较低,取消了耦合变压器。这几部分的设计决定了滤波器的容量和效果,是整个设计工作的主要部分。本文设计的滤波器规格为:输入380V三相电压,补偿谐波电流额定值15A。在Matlab71Simulink63中进行仿真,其中主电路结构如图2所示。接入点三相电压为380V,频率为50Hz,短路容量为500kVA,系统电阻Rs和系统电感Ls分别为003、092mH。且004s时投入有源滤波器。负载为感容滤波的三相不可控整流电路,负载容量50kW,电阻R1、R2均为12,电感L2、电容C2分别为1mH、50F,在0s时投入R1,在06s时投入R2,以观察系统的动态响应性能,如
5、图3所示。无源滤波器组如图4所示。其中5次单调谐滤波器电感L5、电容C5和电阻R5分别取677mH、60F和0530;7次单调谐滤波器电感L7、电容C7和电阻R7分别取348mH、60F和0383;高通滤波器电感Lh、电容Ch和电阻Rh分别取1mH、100F和32。逆变电路及其控制环路结构如图5所示。Lf、Cf和Rf分别为01mH、20F和4,直流侧采用2个10mF电容并联。 谐波电流控制环路系数Kc取009,直流侧电压控制系数KP取002,直流侧电压参考值设为450V。在有源电力滤波器接入电网时,直流侧电容通过逆变桥中与主开关器件反并联的二极管充电,并采用相应控制,使直流侧电压未达到450V
6、前,不输出PWM信号;当达到450V后,逆变桥开始正常工作。2、 仿真中并网时所出现的问题为研究并网时所出现的问题,现以并网时的电源电流、变换器输出的补偿电流、直流侧电容电压波形为研究对象。图6至图8分别为SHAPF仿真所得到的并网时直流侧电容电压波形、电源三相电流波形与变换器输出的三相补偿电流波形。SHAPF仿真中,在005s时将有源电力滤波器并入电网,直流侧电容通过逆变桥中与主开关器件反并联的二极管充电,并采用相应控制,使直流侧电压未达到450V前,不输出PWM信号;当达到450V后,逆变桥开始正常工作。从图6可以看出,018s时,电压达到了450V,逆变器开始正常工作,即电容器的充电时间
7、约为013s,变压器开始稳定工作的时间约为024s,即有源电力滤波器从并入电网的瞬间到可以稳定工作的时间为019s。005018s时,电容器在充电,直流侧的电压呈上升趋势,当上升到450V时,逆变桥开始工作。此时,直流侧电容电压并非一直维持在450V,而是产生了电压波动,仿真中的电压波动最大值达470V。从图7可以看出,005s时,在有源电力滤波器并入电网的瞬间,电源电流产生了冲击,冲击电流的最大值达到了135A,约为电流稳态运行时的25倍。从图8可以看出,005018s时的补偿电流为直流侧电容充电时的电流,018s后,即逆变器开始工作后,并联型有源电力滤波器的补偿电流指令包含两部分,即实际谐
8、波补偿电流和维持直流侧电压恒定的基波电流。补偿电流在005s有源电力滤波器并网瞬间产生了冲击电流,冲击电流的最大值达到75A,约为电流稳定时的15倍。在018s逆变器开始工作后,补偿电流又一次发生冲击,冲击电流最大值约为75A,约为稳定运行时的15倍。3、 并网问题的原因与解决方法31并网瞬间电流冲击的原因与解决方法311电流冲击的原因由SHAPF的结构与电气模型可以看出,SHAPF交流侧的电感很小,直流侧又只有电容器,当有源滤波器并网瞬间,电容器在瞬态时可以看成是短路的,所以电源电流会产生冲击电流。而此时的补偿电流是给直流侧的电容充电的充电电流,所以在并网的瞬间,补偿电流也会产生冲击。312
9、解决方法冲击电流的大小由很多因素决定,如输入电压大小、输入阻抗、电源内部输入电感等。输入电压越小,输入阻抗越大,电源内部的输入电感越大, 则冲击电流越小,因为电源内部的输入电感已经无法改变,所以从输入电压与输入阻抗着手。为了减小并网瞬间的电流冲击,可在电压过零时合上开关,使有源滤波器并入电网,即减小了输入电压;也可串联电阻,在并网初期较短时间内串联1个电阻,即增加了输入阻抗。3121在电压过零时合上开关分别检测三相电压,在电压过零点时合上开关。用这种方法进行仿真,仿真中没有采用特定的模块去检测过零点,而且将U、V、W三相并网的时间分别设定为005s、0056 67s和0063 33s,在投入的
10、时刻, U、V、W三相的电压都恰好为零。图9至图11分别为采用上述方法仿真后并网时直流侧电容电压波形、电源的三相电流波形、变换器输出的三相补偿电流波形。从图9至图11可以看出,与未采用任何方法时相比,采用上述方法后,直流侧电容的预充电时间没有明显延长,但有效地减小了冲击电流。冲击电流的最大值约为70A,与未采用此方法时的冲击电流最大值135A相比降低了近50%,同时补偿电流中已经不存在冲击电流。该方法效果较好,但要增加一定的检测装置,并且检测装置发出的检测信号与开关动作之间会有延时,所以实际应用中还会有一定的冲击电流。3122串联电阻在无源滤波器与电网之间串联1个电阻,如12所示。串联电阻后,
11、冲击电流会减小,但是联的电阻也会产生功率损耗,所以在投入较短的间后需断开电阻,既可达到减小冲击电流的目的,也可降低功率损耗2。对串联电阻的方法进行仿真,取R=5,005s时投入电阻,并在01s后切除电阻。图1至图15为采用串联电阻方法仿真后并网时直流电容电压波形、电源三相电流波形、变换器输出相补偿电流波形。从图13可以看出,采用串联电阻方法后,直流侧电容的预充电时间有所延长,直流侧电容电压到达450V时的时间约为019s,这是并网初期电流减小所导致的。由图14、图15可以看出,采用串联电阻方法后与未采用任何方法时相比,并网瞬间电源电流的冲击电流也同样大大减小,最大值为70A,且补偿电流已经没有
12、了冲击电流。与电压过零时投入滤波器的方法相比,串联电阻方法的结构更为简单,但是延长了直流侧电容的预充电时间。32预充电结束后的电流冲击与电压波动分析及解决方法在预充电结束后,即直流侧电容电压Udc达到450V后,逆变桥开始正常工作。在直流侧电压到达450V之前,补偿电流为电容的充电电流,在直流侧电压到达450V之后,并联型有源电力滤波器的补偿电流指令包含两部分,即实际谐波补偿电流和维持直流侧电压恒定的基波电流。在预充电结束后018s时,实际谐波补偿电流指令的突然加入会对补偿电流产生冲击。从电网看,有源滤波器可看作一个可控的三相交流电压源。假设半导体为理想开关,SU,SV,SW分别代表三相桥臂的
13、开关函数。S*=1代表对应的桥臂上管导通、下管关断。S*=0代表对应的下管导通、上管关断。可得CdUdc/dt = SUiU+SViV+SWiW(1)式中:C为电容;iU、iV、iW分别为三相桥臂电流。由式(1)可以看出,当补偿电流发生突变时,也会引起直流侧电容电压的波动3-4。为避免预充电结束后补偿电流的冲击电流和电容电压波动较大,采用电流递增法。电流递增法为在系统接收到启动信号及PWM开始工作后,将实际谐波电流指令逐步增加到补偿电流中。运用该控制方法时,设置一个函数t(k)在预充电结束的瞬间置零,并在此后的k段时间内线性上升到1,将此函数与实际谐波补偿电流指令相乘,加入到谐波补偿电流中。在
14、采用电流递增法进行仿真时,设预充电结束瞬间为018s,同时将函数设为t/(01),即在预充电结束的01s内使谐波电流指令逐步加到补偿电流中。图16、图17分别为采用电流递增法后的直流侧电容电压波形和变换器输出的三相补偿电流波形。从图16、图17可以看出,电容电压在到达450V后波动很小,而补偿电流的电流冲击也大大减小,且冲击电流的最大值由原来的75A降低到50A,所以电流递增法的效果还是比较显著的。4、结论a)观察和分析仿真中并网时所出现的各种问题,如预充电时间比较长,电流冲击,电压波动等。b)提出解决以上问题的方法:首先在电压过零时合上开关,然后在无源滤波器与电网之间串联上一个电阻,最后采用
15、电流递增法。c)通过仿真验证解决方法的正确性,发现电流冲击、电压波动都能得到抑制。参考文献:1罗安电网谐波治理和无功补偿技术及设备M.北京:中国电力出版社,2006LUO AnTechnique and Equipment of Harmonic Control andReactive Power Compensation for Power Grid M. Beijing:China Electric Power Press,20062程汉湘,顾媛媛,刘艺并联型电力有源滤波器的启动特性研究J.电气应用,2007,26(3):53-56CHENG Han-xiang, GU Yuan-yuan, LIU YiThe Start-upCharacteristic Research of Shunt Active Power Filter J.Electrotechnical Application,2007,26(3):53-563耿攀,戴珂,方昕,等大容量并联型有源电力滤波器的软启动技术J.通信电源技术,2006,23(1):12-15GENG Pan, DAI Ke, FANG Xin, et alSoft Start UpTechnique
