【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 化,需要在有源濾波器設(shè)計(jì)中選用速度快的開(kāi)關(guān)器件；此外根據(jù)所設(shè)計(jì)的有源濾波器的容量及其實(shí)際補(bǔ)償要求來(lái)選擇適宜的開(kāi)關(guān)器件,提供適宜的開(kāi)關(guān)頻率和死區(qū)時(shí)間。在實(shí)際工程運(yùn)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(duì)較高次諧波補(bǔ)償效果差；對(duì)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(duì)較高次諧波補(bǔ)償效果好；新型開(kāi)關(guān)器件IGCT可靠性高,損耗小,所需的外圍電路簡(jiǎn)單,但是目前市場(chǎng)價(jià)格較高,大大增加了系統(tǒng)成本,所以其暫時(shí)還沒(méi)有廣泛使用。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要是針對(duì)小容量的有源濾波器補(bǔ)償,故選擇IGBT作為主電路的電力電子器件,選用三菱公司產(chǎn)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(bǔ)償電流有效值。本文所設(shè)計(jì)的主電路選用三菱公司產(chǎn)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(bǔ)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(chǎn)品PM50RLA120的IPM模塊,根據(jù)其推薦的相關(guān)工作參數(shù)見(jiàn)下表25,則根據(jù)實(shí)際補(bǔ)償要求選擇=10KHz,。表25 功率器件相關(guān)工作參數(shù)設(shè)置直流母線VccPN之間的電壓800V驅(qū)動(dòng)電壓VD加在驅(qū)動(dòng)電源側(cè)V輸入“開(kāi)”電壓VCIN加在信號(hào)輸入端≤V輸入“關(guān)”電壓Vcin加在信號(hào)輸入端≥V載波頻率fpwm輸入信號(hào)頻率≤20KHz死區(qū)時(shí)間Td防止上下臂直接短路≥μs 直流側(cè)儲(chǔ)能電容電壓的穩(wěn)定值認(rèn)及其允許的波動(dòng)范圍的選取是整個(gè)系統(tǒng)補(bǔ)償性能的品質(zhì)因素最關(guān)鍵的步驟之一。山于補(bǔ)償電流是高頻開(kāi)關(guān)作用產(chǎn)生的,Uc越小,則Uc等級(jí)越低,開(kāi)關(guān)器件上的電壓應(yīng)力就越低,成本也就相應(yīng)降低了；開(kāi)關(guān)動(dòng)作的同時(shí),除了產(chǎn)生補(bǔ)償電流,同時(shí)還伴隨產(chǎn)生開(kāi)關(guān)紋波。要使其對(duì)補(bǔ)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(gè)工頻周期內(nèi)感性負(fù)載電流有正負(fù)變化,則需要Uc相電壓峰峰值。其次,根據(jù)PWM原理,其調(diào)制比一般不大于75%,并且考慮相應(yīng)的裕度。再者,Uc最小應(yīng)大于相電壓峰峰值的3倍才可以保障電流跟蹤響應(yīng)足夠快速,即Uc3*220V=660V,因此,取Uc=800V。在APF進(jìn)行補(bǔ)償時(shí),Udc在一定范圍內(nèi)上下波動(dòng),直流側(cè)電容在APF工作時(shí)不斷地充電放電,其作用就是緩沖這些波動(dòng),為電壓型逆變器提供一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓。電容容量越大,則允許認(rèn)的波動(dòng)范圍越小,系統(tǒng)的補(bǔ)償性能越好。 (29)其中是C允許的最大能量脈動(dòng),λ是電壓脈動(dòng)，根據(jù)具體的補(bǔ)償要求確定上述參數(shù),綜合考慮本文選用儲(chǔ)能電容為4900μF。 交流側(cè)電感是APF實(shí)現(xiàn)補(bǔ)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(diǎn)的電壓,調(diào)整補(bǔ)償電流的相位,使其在降低補(bǔ)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(bǔ)償效果。 補(bǔ)償電流跟蹤指令電流的效果取決于電感電流的動(dòng)態(tài)指標(biāo)dic/dt，通常動(dòng)態(tài)變化率與補(bǔ)償效果是成正比的；但是動(dòng)態(tài)變化率dic/dt越大,會(huì)在補(bǔ)償電流中伴隨產(chǎn)生很大的紋波電流,對(duì)補(bǔ)償效果造成影響,最適宜的參數(shù)值,所以電感的選擇應(yīng)該綜合考慮上述因素。通?？紤]指令電流最大變化率。指令電流最大變化率與補(bǔ)償參考電流的經(jīng)驗(yàn)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(jié)本章首先介紹了并聯(lián)型有源電力濾波器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理。然后針對(duì)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(bǔ)償原理上的差異，說(shuō)明了并聯(lián)型有源電力濾波器能更方便的補(bǔ)償電流型諧波源。最后介紹了有源濾波器主電路結(jié)構(gòu)及其相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)。第三章 有源濾波器的諧波電流檢測(cè)技術(shù) 電力系統(tǒng)中諧波檢測(cè)是諧波問(wèn)題研究的關(guān)鍵步驟之一,是研究諧波問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)。對(duì)于實(shí)際電力系統(tǒng)中有源電力濾波器設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō),在指令電流運(yùn)算電路中,要求快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出負(fù)載電流中包含的諧波分量及無(wú)功分量,作為電網(wǎng)中后續(xù)有效補(bǔ)償電能質(zhì)量的前提,電力系統(tǒng)中實(shí)際測(cè)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(cè)法 這是最早采用的諧波檢測(cè)方法,用于分離檢測(cè)信號(hào)中負(fù)載電流的某一頻率分量,雖然電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,補(bǔ)償效果易于控制,成本不高,但是由于濾波器對(duì)元件參數(shù)十分敏感,受外界干擾影響較大,現(xiàn)在已經(jīng)很少使用； 基于傅里葉變換的諧波檢測(cè)法[6] 基于傅里葉變換的諧波檢測(cè)法是根據(jù)離散傅里葉變換(DFT)過(guò)渡到快速里葉變換(FFT)的原理構(gòu)成,該方法只適用于平穩(wěn)信號(hào),用FFT獲取各次諧波信號(hào)的幅值、頻率及相位,易實(shí)現(xiàn),功能多。但存在著頻帶混疊和頻譜泄漏等問(wèn)題,不能完成檢測(cè)工作,針對(duì)這些缺點(diǎn)有以下幾種改進(jìn)方案:表31 基于傅里葉變換的諧波檢測(cè)法的特點(diǎn)比較檢測(cè)方法特點(diǎn)加窗插值法通過(guò)加窗減少頻譜泄漏，通過(guò)插值消除柵欄效應(yīng)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(cè)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(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)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(shí)時(shí)性好，適合在線測(cè)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(diǎn)最近的兩個(gè)離散頻譜幅值估計(jì)出待求諧波幅值，并用多項(xiàng)式逼近法獲得頻率和幅值修正的計(jì)算公式，能有效降噪與減少頻譜泄露準(zhǔn)同步采樣法有效地抑制諧波對(duì)測(cè)量參數(shù)的影響及減小未完全同步產(chǎn)生的誤差獲得較高的測(cè)量精度。但是這種算法需要處理數(shù)據(jù)量非常大，實(shí)時(shí)性不夠理想，而且相位誤差較大。基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)法基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)法最早是于1983年由日本學(xué)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(cè)方法。該方法實(shí)用性好,延時(shí)小,可以同時(shí)檢測(cè)諧波并且補(bǔ)償無(wú)功；但是控制電路相對(duì)復(fù)雜,計(jì)算量大。目前基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)法主要有pq法、pqr法、dq法、ipiq法四種,其特點(diǎn)比較如表32所示。檢測(cè)方法特點(diǎn)基于abc/αβ靜止參考坐標(biāo)變換的諧波檢測(cè)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(dāng)三相系統(tǒng)不平衡或電源源電壓波形畸變時(shí),諧波檢測(cè)結(jié)果誤差很大,并且沒(méi)有補(bǔ)償無(wú)功。pqr法適用于三相不平衡的供電系統(tǒng),能檢測(cè)在三相不平衡情況下的諧波電流。基于同步參考坐標(biāo)變換的方法dq法適用于電網(wǎng)電壓畸變和不對(duì)稱的供電系統(tǒng),實(shí)時(shí)性好,可檢測(cè)基波電流、無(wú)功和諧波分量,但對(duì)電路主要部件的參數(shù)依賴性大。ipiq法在電壓波形畸變時(shí)仍然可以正常工作,準(zhǔn)確檢測(cè)出對(duì)稱三相電路的諧波，實(shí)時(shí)性較好,當(dāng)只需測(cè)量諧波時(shí)可省去鎖相環(huán)電路。表32 基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)法的特點(diǎn)比較[1]設(shè)三相電路網(wǎng)側(cè)電壓的瞬時(shí)值為ea、eb、ec,瞬時(shí)電流為ia、ib、ic,將它們變換到αβ兩相正交坐標(biāo)系可得兩相瞬時(shí)電壓、和兩相瞬時(shí)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(zhuǎn)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(biāo)系下的電壓/電流矢量圖則三相電路瞬時(shí)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(shí)無(wú)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(shí)無(wú)功功率理論的ipiq法的是利用PLL產(chǎn)生一個(gè)與A相網(wǎng)側(cè)電壓ea同相的正/余弦信號(hào)sinωt和cosωt,根據(jù)以上理論可計(jì)算得出ip、iq,經(jīng)LPF濾波后得到直流分量、 經(jīng)過(guò)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(cè)諧波電流框圖基波正序分量、由下式計(jì)算可得: (38) 在上式中,C為轉(zhuǎn)換矩陣,為轉(zhuǎn)換矩陣的逆矩陣,其值為： (39) 根據(jù)以上瞬時(shí)無(wú)功功率理論的分析,構(gòu)建ipiq諧波電流檢測(cè)方法的仿真圖需要考慮以下三方面: 直流側(cè)電壓控制 根據(jù)能量守恒,三相三線制電網(wǎng)的有功功率可看作從電源側(cè)直接傳遞給了負(fù)載和APF。若不考慮APF開(kāi)關(guān)損耗,則直流側(cè)電容電壓會(huì)受到流入APF的有功功率的影響而發(fā)生變化,因此調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有功