【文章內容簡介】 響應跟蹤指令電流的變化,需要在有源濾波器設計中選用速度快的開關器件；此外根據所設計的有源濾波器的容量及其實際補償要求來選擇適宜的開關器件,提供適宜的開關頻率和死區(qū)時間。在實際工程運用中主要是采用GTO、IGBT,綜合其性能比較,GTO多用于100kVA以上的大容量APF的主電路,但是其工作頻率低,對較高次諧波補償效果差；對于100kVA以下的中小容量APF主電路電力電子器件一般選擇IGBT,其工作頻率比GTO高,對較高次諧波補償效果好；新型開關器件IGCT可靠性高,損耗小,所需的外圍電路簡單,但是目前市場價格較高,大大增加了系統(tǒng)成本,所以其暫時還沒有廣泛使用。本文設計的系統(tǒng)主要是針對小容量的有源濾波器補償,故選擇IGBT作為主電路的電力電子器件,選用三菱公司產品PM50RLA120的IPM模塊作為參考。有源濾波器容量為: （28）其中E:相電壓,22OV；Ic:補償電流有效值。本文所設計的主電路選用三菱公司產品PM50RLA120的IPM模塊提供的IGBT作為參考功率器件,其額定電流為50A,考慮其有2倍的裕度,則最大瞬間補償流為25A,則其電流有效值為最大值的l/,近乎18A,則該有源濾波器容量為：=3*220*18=。 主電路的功率器件選用三菱公司產品PM50RLA120的IPM模塊,根據其推薦的相關工作參數(shù)見下表25,則根據實際補償要求選擇=10KHz,。表25 功率器件相關工作參數(shù)設置直流母線VccPN之間的電壓800V驅動電壓VD加在驅動電源側V輸入“開”電壓VCIN加在信號輸入端≤V輸入“關”電壓Vcin加在信號輸入端≥V載波頻率fpwm輸入信號頻率≤20KHz死區(qū)時間Td防止上下臂直接短路≥μs 直流側儲能電容電壓的穩(wěn)定值認及其允許的波動范圍的選取是整個系統(tǒng)補償性能的品質因素最關鍵的步驟之一。山于補償電流是高頻開關作用產生的,Uc越小,則Uc等級越低,開關器件上的電壓應力就越低,成本也就相應降低了；開關動作的同時,除了產生補償電流,同時還伴隨產生開關紋波。要使其對補償電流的影響減小,就需要電容電壓與相電壓峰峰值的比值越低,即電容電壓盡可能低。另外,為了保證在一個工頻周期內感性負載電流有正負變化,則需要Uc相電壓峰峰值。其次,根據PWM原理,其調制比一般不大于75%,并且考慮相應的裕度。再者,Uc最小應大于相電壓峰峰值的3倍才可以保障電流跟蹤響應足夠快速,即Uc3*220V=660V,因此,取Uc=800V。在APF進行補償時,Udc在一定范圍內上下波動,直流側電容在APF工作時不斷地充電放電,其作用就是緩沖這些波動,為電壓型逆變器提供一個穩(wěn)定的直流電壓。電容容量越大,則允許認的波動范圍越小,系統(tǒng)的補償性能越好。 (29)其中是C允許的最大能量脈動,λ是電壓脈動，根據具體的補償要求確定上述參數(shù),綜合考慮本文選用儲能電容為4900μF。 交流側電感是APF實現(xiàn)補償功能正常工作必不可缺的參數(shù)之一,它的主要作用是平衡主電路中各點的電壓,調整補償電流的相位,使其在降低補償電流中的毛刺紋波,能夠快速跟蹤指令電流,滿足所需的補償效果。 補償電流跟蹤指令電流的效果取決于電感電流的動態(tài)指標dic/dt，通常動態(tài)變化率與補償效果是成正比的；但是動態(tài)變化率dic/dt越大,會在補償電流中伴隨產生很大的紋波電流,對補償效果造成影響,最適宜的參數(shù)值,所以電感的選擇應該綜合考慮上述因素。通常考慮指令電流最大變化率。指令電流最大變化率與補償參考電流的經驗公式為: (210) 上式中,f為電源頻率,且: （211） 式中,為指令電流的有效值。 本章小結本章首先介紹了并聯(lián)型有源電力濾波器的基本結構與工作原理。然后針對電流型諧波源，比較了并聯(lián)型和串聯(lián)型有源電力濾波器在補償原理上的差異，說明了并聯(lián)型有源電力濾波器能更方便的補償電流型諧波源。最后介紹了有源濾波器主電路結構及其相關參數(shù)設計。第三章 有源濾波器的諧波電流檢測技術 電力系統(tǒng)中諧波檢測是諧波問題研究的關鍵步驟之一,是研究諧波問題的出發(fā)點。對于實際電力系統(tǒng)中有源電力濾波器設計來說,在指令電流運算電路中,要求快速準確地檢測出負載電流中包含的諧波分量及無功分量,作為電網中后續(xù)有效補償電能質量的前提,電力系統(tǒng)中實際測量方法主要以下幾種方法: 模擬帶通或帶阻濾波器諧波檢測法 這是最早采用的諧波檢測方法,用于分離檢測信號中負載電流的某一頻率分量,雖然電路結構簡單,補償效果易于控制,成本不高,但是由于濾波器對元件參數(shù)十分敏感,受外界干擾影響較大,現(xiàn)在已經很少使用； 基于傅里葉變換的諧波檢測法[6] 基于傅里葉變換的諧波檢測法是根據離散傅里葉變換(DFT)過渡到快速里葉變換(FFT)的原理構成,該方法只適用于平穩(wěn)信號,用FFT獲取各次諧波信號的幅值、頻率及相位,易實現(xiàn),功能多。但存在著頻帶混疊和頻譜泄漏等問題,不能完成檢測工作,針對這些缺點有以下幾種改進方案:表31 基于傅里葉變換的諧波檢測法的特點比較檢測方法特點加窗插值法通過加窗減少頻譜泄漏，通過插值消除柵欄效應引起的誤差。該方法可減少泄漏，有效地抑制諧波之間的干擾和雜波及噪聲的干擾，從而可以精確測量到各次諧波電壓和電流的幅值相位。修正理想采樣頻率法主要思想是對每個采樣點進行修正，得到理想采樣頻率下的采樣值。該方法不需要添加任何硬件，實時性好，適合在線測量，但它與前兩種方法相比較誤差稍大一些，只能減少50%的泄漏雙峰譜線修正算法用距諧波點最近的兩個離散頻譜幅值估計出待求諧波幅值，并用多項式逼近法獲得頻率和幅值修正的計算公式，能有效降噪與減少頻譜泄露準同步采樣法有效地抑制諧波對測量參數(shù)的影響及減小未完全同步產生的誤差獲得較高的測量精度。但是這種算法需要處理數(shù)據量非常大，實時性不夠理想，而且相位誤差較大?；谒矔r無功功率理論的諧波檢測法基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法最早是于1983年由日本學者赤木泰文()提出,基于此理論有源濾波器研究是現(xiàn)今最廣泛使用的諧波檢測方法。該方法實用性好,延時小,可以同時檢測諧波并且補償無功；但是控制電路相對復雜,計算量大。目前基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法主要有pq法、pqr法、dq法、ipiq法四種,其特點比較如表32所示。檢測方法特點基于abc/αβ靜止參考坐標變換的諧波檢測方法pq法僅適用于三相三線平衡正弦電壓的供電系統(tǒng),當三相系統(tǒng)不平衡或電源源電壓波形畸變時,諧波檢測結果誤差很大,并且沒有補償無功。pqr法適用于三相不平衡的供電系統(tǒng),能檢測在三相不平衡情況下的諧波電流?；谕絽⒖甲鴺俗儞Q的方法dq法適用于電網電壓畸變和不對稱的供電系統(tǒng),實時性好,可檢測基波電流、無功和諧波分量,但對電路主要部件的參數(shù)依賴性大。ipiq法在電壓波形畸變時仍然可以正常工作,準確檢測出對稱三相電路的諧波，實時性較好,當只需測量諧波時可省去鎖相環(huán)電路。表32 基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法的特點比較[1]設三相電路網側電壓的瞬時值為ea、eb、ec,瞬時電流為ia、ib、ic,將它們變換到αβ兩相正交坐標系可得兩相瞬時電壓、和兩相瞬時電流值、為: （31） （32）式中， （33）在圖31所示的αβ平面上,、和、可分別旋轉合成為電壓矢量e和電流矢量i： (34) (35)其中,、分別為電壓矢量的模與幅角,、小件分別為電流矢量的模和幅角。圖31 αβ正交坐標系下的電壓/電流矢量圖則三相電路瞬時有功電流ip,為矢量i在矢量e及其法線上的投影,即: （36）三相電路瞬時無功電流凡為矢量iq在矢量e及其法線上的投影,即: （37）在上兩式中,為e與i之間的夾角。 如圖32所示,基于瞬時無功功率理論的ipiq法的是利用PLL產生一個與A相網側電壓ea同相的正/余弦信號sinωt和cosωt,根據以上理論可計算得出ip、iq,經LPF濾波后得到直流分量、 經過反變換可得到各相基波正序分量、分別與電流ia、ib、ic相減即可得到各相的諧波電流分量iah、ibh、ich。圖32 法檢測諧波電流框圖基波正序分量、由下式計算可得: (38) 在上式中,C為轉換矩陣,為轉換矩陣的逆矩陣,其值為： (39) 根據以上瞬時無功功率理論的分析,構建ipiq諧波電流檢測方法的仿真圖需要考慮以下三方面: 直流側電壓控制 根據能量守恒,三相三線制電網的有功功率可看作從電源側直接傳遞給了負載和APF。若不考慮APF開關損耗,則直流側電容電壓會受到流入APF的有功功率的影響而發(fā)生變化,因此調