三相三線(xiàn)制并聯(lián)有源電力濾波器仿真分析
電力學(xué)報左坤 李錚 吳建明 張瑞
0.引言
20世紀80年代以來(lái)，隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，非線(xiàn)性電力電子器件和裝置在現代工業(yè)中得到廣泛應用，使電力系統的非線(xiàn)性負荷明顯增加，導致諧波危害日益嚴重，諧波治理刻不容緩[1-3]。電力系統諧波抑制措施主要有三種[4]:
受端治理:即從受到諧波影響的設備或系統出發(fā),提高它們抗諧波干擾能力。
主動(dòng)治理:即從諧波源本身出發(fā),使諧波源不產(chǎn)生諧波或降低諧波源產(chǎn)生的諧波。
被動(dòng)治理：即外加濾波器,阻礙諧波源產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng),或者阻礙電力系統的諧波流入負載端。
被動(dòng)治理諧波的措施：
1.采用無(wú)源濾波器PPF(Passive Power Filter,PPF,PF)或稱(chēng)為L(cháng)C濾波器。LC濾波器[1-6]由電容元件、電感元件和電阻元件按照一定參數配置一定的拓撲結構連接而成的濾波裝置。LC濾波器是出現最早[6]，雖然存在一些較難克服的缺點(diǎn)[1-6]，但因其結構簡(jiǎn)單、設備投資少、運行可靠性較高、運行費用較低等優(yōu)點(diǎn)，因此至今仍是應用最多的濾波方法[1-6]。
2.采用有源電力濾波器APF(Active Power Filter)。有源電力濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置，它以有對于大小和頻率都變化的諧波進(jìn)行補償，其應用可克服LC濾波器等傳統諧波抑制方法缺點(diǎn)。隨著(zhù)電力電子技術(shù)水平的發(fā)展，有源濾波技術(shù)得到極大發(fā)展，在工業(yè)上已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段。
有源電力濾波器APF(Active Power Filter)是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置，它以有對于大小和頻率都變化的諧波進(jìn)行補償[4、5]。
1.有源電力濾波器基本原理
有源電力濾波器(Active Power Filter,APF)是一類(lèi)重要的電力電子在電力系統中應用的裝置，能對頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤補償，且補償特性不受系統阻抗的影響。和傳統的無(wú)源電力濾波器相比，是一種很有前途的消除或抑制負載或電網(wǎng)諧波手段。
圖1為最基本的有源電力濾波器系統構成的原理圖[4、5]。
圖1 并聯(lián)型有源電力濾波器系統構成
系統主要有兩大部分組成[5]，即指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路(由電流跟蹤控制電路、驅動(dòng)電路、和主電路三個(gè)部分組成)。其中，指令電流運算電路的主要功能是檢測出補償對象電流中的諧波電流分量，即所謂得諧波檢測電路。補償電流發(fā)生電路的作用是根據指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號，產(chǎn)生實(shí)際的補償電流。補償電流與負載電流中要補償的諧波電流相抵消，最終得到期望的電源電流。主電路目前均采用PWM變流器。
2.基于瞬時(shí)無(wú)功功率的ip-iq檢測方法
有源電力濾波器諧波檢測環(huán)節直接影響到諧波補償效果，快速、準確的檢測出諧波對有源電力濾波器整體性能至關(guān)重要。
基于ip-iq運算方式的諧波電流檢測法是由西安交通大學(xué)王兆安教授在二十世紀九十年代提出的，該方法可以快速檢測，即使當電壓波形有畸變，也能準確地檢測出全部諧波和無(wú)功電流。ip-iq法原理如圖2所示[6]，PLL為鎖相環(huán)。
圖2 ip-iq檢測方法原理圖
圖中：
3.仿真分析
本文用Matlab對三相三線(xiàn)制并聯(lián)有源電力濾波器系統進(jìn)行仿真研究。主要參數為：
電網(wǎng)：三相理想電壓源：35KV，50Hz。
諧波檢測方法：基于瞬時(shí)無(wú)功功率的ip-iq檢測方法
非線(xiàn)性負載：阻感性載負。
圖3-1補償前系統電流波形及頻譜分析
從實(shí)驗結果可以看出：有源電力濾波器未投入前負載電流中含有很大諧波成分。從波形及頻譜分析出電流總諧波畸變率達到27.54%。而在有源電力濾波器投入后，電流總諧波畸變率為0.56%, 對諧波起到了很好的抑制作用。
4.結論
本文研究了三相三線(xiàn)制并聯(lián)有源電力濾波器諧波檢測方法-基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的ip-iq諧波電流檢測方法，進(jìn)行了基于該諧波檢測方法構建的三相三線(xiàn)制并聯(lián)有源電力濾波器仿真分析，結果驗證了檢測方法的準確性及該濾波裝置對諧波抑制的良好性能，具有理論及實(shí)踐意義。
參考文獻：
[1] 陳志業(yè),尹華麗,李鵬.電能質(zhì)量及其治理新技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù),2002,26(7):67-70.
[2] Dugan R C,Megranghan M F,Benty H W.Electrical power systems quality[M].New York:McGraw-Hill,1996.
[3] N.G.Hingorani,High Power Electronics Flexible AC Transmission System,IEEE,Power Engineering Review,18(7):3-4.
20世紀80年代以來(lái)，隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，非線(xiàn)性電力電子器件和裝置在現代工業(yè)中得到廣泛應用，使電力系統的非線(xiàn)性負荷明顯增加，導致諧波危害日益嚴重，諧波治理刻不容緩[1-3]。電力系統諧波抑制措施主要有三種[4]:
受端治理:即從受到諧波影響的設備或系統出發(fā),提高它們抗諧波干擾能力。
主動(dòng)治理:即從諧波源本身出發(fā),使諧波源不產(chǎn)生諧波或降低諧波源產(chǎn)生的諧波。
被動(dòng)治理：即外加濾波器,阻礙諧波源產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng),或者阻礙電力系統的諧波流入負載端。
被動(dòng)治理諧波的措施：
1.采用無(wú)源濾波器PPF(Passive Power Filter,PPF,PF)或稱(chēng)為L(cháng)C濾波器。LC濾波器[1-6]由電容元件、電感元件和電阻元件按照一定參數配置一定的拓撲結構連接而成的濾波裝置。LC濾波器是出現最早[6]，雖然存在一些較難克服的缺點(diǎn)[1-6]，但因其結構簡(jiǎn)單、設備投資少、運行可靠性較高、運行費用較低等優(yōu)點(diǎn)，因此至今仍是應用最多的濾波方法[1-6]。
2.采用有源電力濾波器APF(Active Power Filter)。有源電力濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置，它以有對于大小和頻率都變化的諧波進(jìn)行補償，其應用可克服LC濾波器等傳統諧波抑制方法缺點(diǎn)。隨著(zhù)電力電子技術(shù)水平的發(fā)展，有源濾波技術(shù)得到極大發(fā)展，在工業(yè)上已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段。
有源電力濾波器APF(Active Power Filter)是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置，它以有對于大小和頻率都變化的諧波進(jìn)行補償[4、5]。
1.有源電力濾波器基本原理
有源電力濾波器(Active Power Filter,APF)是一類(lèi)重要的電力電子在電力系統中應用的裝置，能對頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤補償，且補償特性不受系統阻抗的影響。和傳統的無(wú)源電力濾波器相比，是一種很有前途的消除或抑制負載或電網(wǎng)諧波手段。
圖1為最基本的有源電力濾波器系統構成的原理圖[4、5]。
圖1 并聯(lián)型有源電力濾波器系統構成
系統主要有兩大部分組成[5]，即指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路(由電流跟蹤控制電路、驅動(dòng)電路、和主電路三個(gè)部分組成)。其中，指令電流運算電路的主要功能是檢測出補償對象電流中的諧波電流分量，即所謂得諧波檢測電路。補償電流發(fā)生電路的作用是根據指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號，產(chǎn)生實(shí)際的補償電流。補償電流與負載電流中要補償的諧波電流相抵消，最終得到期望的電源電流。主電路目前均采用PWM變流器。
2.基于瞬時(shí)無(wú)功功率的ip-iq檢測方法
有源電力濾波器諧波檢測環(huán)節直接影響到諧波補償效果，快速、準確的檢測出諧波對有源電力濾波器整體性能至關(guān)重要。
基于ip-iq運算方式的諧波電流檢測法是由西安交通大學(xué)王兆安教授在二十世紀九十年代提出的，該方法可以快速檢測，即使當電壓波形有畸變，也能準確地檢測出全部諧波和無(wú)功電流。ip-iq法原理如圖2所示[6]，PLL為鎖相環(huán)。
圖2 ip-iq檢測方法原理圖
圖中：
3.仿真分析
本文用Matlab對三相三線(xiàn)制并聯(lián)有源電力濾波器系統進(jìn)行仿真研究。主要參數為：
電網(wǎng)：三相理想電壓源：35KV，50Hz。
諧波檢測方法：基于瞬時(shí)無(wú)功功率的ip-iq檢測方法
非線(xiàn)性負載：阻感性載負。
圖3-1補償前系統電流波形及頻譜分析
從實(shí)驗結果可以看出：有源電力濾波器未投入前負載電流中含有很大諧波成分。從波形及頻譜分析出電流總諧波畸變率達到27.54%。而在有源電力濾波器投入后，電流總諧波畸變率為0.56%, 對諧波起到了很好的抑制作用。
4.結論
本文研究了三相三線(xiàn)制并聯(lián)有源電力濾波器諧波檢測方法-基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的ip-iq諧波電流檢測方法，進(jìn)行了基于該諧波檢測方法構建的三相三線(xiàn)制并聯(lián)有源電力濾波器仿真分析，結果驗證了檢測方法的準確性及該濾波裝置對諧波抑制的良好性能，具有理論及實(shí)踐意義。
參考文獻：
[1] 陳志業(yè),尹華麗,李鵬.電能質(zhì)量及其治理新技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù),2002,26(7):67-70.
[2] Dugan R C,Megranghan M F,Benty H W.Electrical power systems quality[M].New York:McGraw-Hill,1996.
[3] N.G.Hingorani,High Power Electronics Flexible AC Transmission System,IEEE,Power Engineering Review,18(7):3-4.
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