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摘 要：有源电力滤波器电容参数选取直接影响到补偿的效果,但目前对电容参数的选取却存在一定盲目性.本文根据有源电力滤波的原理给出了直流电容电压的确定原则,根据瞬时无功理论分析了交直流侧能量的流动关系,得出了变流器的有功损耗和瞬时有功功率交流分量是引起电压波动的原因.最后通过仿真和实验对直流电容参数的确定进行了验证.
关 键 词：有源电力滤波器直流电容参数能量流动瞬时无功理论
1概述
电力电子技术的应用改善了电力系统的性能,但是也带来了电网中谐波的污染问题.随着人们对电力环境优化要求的提高,对谐波进行治理的技术也成为人们研究的热点.电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意.当时在德国,由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变.1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文.
有源电力滤波器是治理谐波的最优产品.参考文献[1]中提出了有源电力滤波的瞬时无功理论,参考文献[2]分析了有源电力滤波器在非理想条件下电流滞环控制,参考文献[3]研究了新型注入式混合有源滤波器的数学模型及电流控制方法,文献[4]分析了并联有源滤波器的最优电压滞环电流控制和有源滤波器滞环电流控制的矢量方法,对不同电流跟踪方式APF连接电感选取与设计进行了研究.并且对有源电力滤波器中连接电感的特性分析及优化进行了分析.但对有源电力滤波器直流侧电容的参数如何确定涉及的文献较少.本文根据瞬时无功理论分析了用于不同补偿目的时有源滤波变流器交直流侧能量的流动关系,给出了变流器的有功损耗和瞬时有功功率交流分量是引起电压波动的原因,以三相不可控负载为例给出了电容值选取的具体计算方法.
2APF工作原理及能量流动分析
有源电力滤波器（APF）的组成分为两部分.第一部分电路系统是指令运算,第二部分电路系统是补偿电流.系统的主要电路包含PWM变流器,缓冲电路,直流侧电容电路,交流侧电感几部分组合而成.控制系统组成分为三部分.第一部分为指令运算,第二部分为电流跟踪,第三部分为驱动电路.APF的主电路是通过6组开关器件来进行控制的,通过这些开关器件的通断组合来决定主电路的工作状态.
如果忽略各部分的损耗其交流侧的瞬时有功功率将全部传递到直流侧.即交直流侧的能量交换主要取决于瞬时有功功率P,从而引起直流电压波动.假设电源提供的瞬时有功和瞬时无功功率为pS和qS,滤波器提供的瞬时有功和瞬时无功功率为pA和qA,负载的瞬时有功和瞬时无功功率为pL和qL.当只补谐波时负载所需的瞬时有功和无功率的交流分量由滤波器提供.此时电源只需提供负载所需的瞬时有功和无功率的直流流分量,即对应电流的基波分量.有源滤波器提供负载所需的瞬时有功和无功率的交流分量.由于瞬时无功只在交流侧三相之间进行,在APF交直流侧进行交换的能量只有瞬时有功交流的分量,其平均值为零.当只补无功时负载所需的瞬时无功率分量由滤波器提供,有功分量由电源提供.此时APF交直流侧没有能量交换.当同时补偿谐波和无功时,负载所需的瞬时无功功率由滤波器提供,负载所需的瞬时有功功率交流分量由滤波器提供,瞬时有功功率直流分量又电源提供.在APF交直流侧进行交换的能量只有瞬时有功交流的分量.
3补偿电容值的计算
电容电压的波动主要是由能量交换引起.在忽略变流器等损耗的情况下,在只补无功时交直流侧能量交换为零,电容值提供直流电压,容值可为零；对于其他两种情况,有源电力滤波交直流侧能量交换为负载的瞬时有功的交流分量.虽然其平均值为零,但是其将会引起直流侧电压的波动.
假设电源电压无畸变,电源电压三相电压,且负载电流为三相电流,由瞬时无功理论可求得负载的瞬时有功功率和瞬时无功率.电容的C值由关系式∫%pdt等于0.5×C×(Udc+△Udc)2-0.5×C×Udc2确定.
4仿真与实验结果分析
利用Matlab/Simulin进行仿真.直流电容电压的仿真图如图所示,仿真模型负载选用相电压220V三相不可控负载.采用ip-iq法产生指令电流,利用三角波比较法使输出电流跟踪指令电流,直流侧电容电压的稳定采用PI调节,KP等于8,Ki等于0.01.时间每格为10ms.通过具体的实验测量,得到的电源电流的THD值也从25%下降到4.8%.实测直流电容电压波形中,电压每格20V（采用10:1霍尔）,时间每格为4ms.从直流电容电压波形图分析中可以看到周期性的波动,其上下波动的变化范围在±5V,如果直流电容电压是900V的话,测量的纹波为0.55%.由以上的测量结果可以看出本系统对直流环节具有较好的控制效果,其直流波动指标可以满足要求.
5结论
对于有源电力滤波而言,要想取得良好的补偿效果,除了需要先进的算法和控制策略外,其电容参数的选取同样重要.本文根据有源电力滤波的原理与数学模型分析了直流电容电压和电网电压的关系,得出了直流电容电压的确定原则；根据瞬时无功理论分析了只补谐波或者只补无功和两者同时补偿时有源滤波交直流侧能量的流动关系,给出了变流器的有功损耗和瞬时有功功率交流分量是引起电压波动的主要原因；以三相不可控负载为例给出了电容值选取的计算方法；最后通过仿真和实验利对直流电容参数的确定进行了验证,电容的波动小于5V,补偿后电流的THD值小于5%,取得了理想的效果.