中文翻译-与10kV配电系统并联的混合型有源电力滤波器

中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 1 页 共 7 页与 10kV 配电系统并联的混合型有源电力滤波器Wu Jian,He Na,Xu Dianguo中国哈尔滨工业大学电气工程系，150001电子邮件：摘要:本文分析了并联混合型有源电力滤波器的补偿性能。混合型有源电力滤波器是结合了无源滤波和有源滤波双方各自的优点，是谐波抑制装置的一个重要发展趋势。混合型有源电力滤波器可以有效的降低有源电力滤波器的容量，更适合高电压非线性负载的工程应用。混合型有源电力滤波器的补偿性能是通过估算不同的有源电力滤波器在不同参数的情况下的分析获得的。得到的结论是，被动参数变化时，有源电力滤波器有足够的反馈增益，谐波衰减率是不敏感的。最后，拟议计划的可行性和有效性进行了验证，仿真使用矩阵实验室和混合并联有源电力滤波器原型。关键词: 谐波电流补偿，有源电力滤波器，无源滤波器，广义的集成1 引言在过去几年里，电力电子技术的发展给能源转换和利用带来了方便，也带来了电能质量的问题。作为重点之一的技术，打击电网污染改善电能质量，有源电力滤波器在电力电子技术上成分了新的研究重点 1-5。由于初始成本高，有源电力滤波器的进一步应用受到了限制，混合型有源电力滤波器结合了有源滤波和无源滤波，可以有效地减少有源电力滤波器的容量，更适合高压非线性负载的工程的应用。传统的无源滤波以其低成本和高效率，已经被用来消除谐波在电力系统中。无源滤波器，可以在低阻抗调谐吸收频率的谐波电流，并具有很好的补偿性能。然而，无源滤波器依靠电源参数的特点，系统易受负载和电力系统运行方式的影响还可能产生谐振。此外，无源滤波器只能是固定的参数设计不能随机应变的操作以适应条件的改变。有源电力滤波器已经克服无源滤波器的缺点，并且可以提供灵活和可靠的补偿，但不符合成本效益的解决方案导致了高运营成本。由于无源滤波器和有源滤波器的缺点，混合型滤波器的研究变得十分活跃 6-9。混合型滤波器由无源和有源滤波器组成，提高了补偿性能，与无源滤波器相比较增加了灵活性和可靠性，与有源电力滤波器相比较在高功率系统中避免了昂贵的初始投资成中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 2 页 共 7 页本。在本文中，混合补偿性能，在工业配电系统中分析估量不同有源电力滤波器得到参数的变化。最后仿真混合型有源电力滤波器的补偿性能，验证实验室机样。无源滤波器用于消除第七次谐波，广义的集成用于消除第 5，11，13 次谐波的电流 10。2 谐波电流补偿的原理混合型有源电力滤波器拓扑结构如图 1 所示，其中包括一个三相脉宽调制（PWM）电压源型逆变器， （有源电力滤波器简称 APF）无源滤波器和有源滤波器通过一个耦合变压器串联。一般来说有源电力滤波器的作用作为控制电压源来抵消谐波电流在混合型有源电力滤波器当中。操作原理由单项谐波电流解释如图 2 当反馈控制应用于有源电力滤波器时。谐波电流的补偿策略，混合型有源电力滤波器被认为是一个受控电压源 VAPF，Z F 是阻抗无源滤波器，I LH 是负载的谐波电流，Z S 是系统阻抗。为了消除系统的谐波电流，有源电力滤波器的控制电流控制电压源，它施加电压VAPF 信号，迫使负载谐波电流流入无源滤波器，从而提高无源滤波的补偿性能，尽管在其调谐频率的变化下。有源电力滤波器的参考电压等于VAPF = K I sh (1)其中 k 是谐波补偿增益。假如实用电压为纯正弦波，拿实际谐波电流和实用负载电流相比较获得的，它可以用来表示混合型有源电力滤波器滤波的特性。IshIlh=ZF（Z S+ZF+K) (2)方程 2 描绘如果增益 K 大于 ZF 那么 k 将主宰滤波器特性，谐波电流也将被迫进入无源滤波器。否则，增益 K 将作为一个阻抗以抑制 ZS， ZF 之间的谐振。选择较大的 K 是因为要降低实际电流当中的谐波含量。然而，这会增加有源电力滤波器所需要的额定功率。在实际情况当中，K 是有限的。否则闭环控制系统将变得不稳定。图 1 所示混合型有源电力滤波器的配置中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 3 页 共 7 页图 2 所示单相混合型有源电力滤波器的等效电路3 分析混合型有源电力滤波器在配电系统中的性能本节将通过一个例子展示混合型有源电力滤波器的补偿性能。电源将电能分配给6 个中频炉，每个额定功率 300 千瓦，其单相配电图如图 3 所示只考虑混合型有源电力滤波器和中等工频炉。图 3 单相配电系统的电路图该系统的谐波含量和谐波标准见表 1 第 5，7，11 次谐波超过标准。因此无源滤波器在第 5，7，11 次谐波调整无功补偿 500kvar,该系统电感和无源滤波器参数见表 2表 1 电力系统和无源滤波器参数第 5 第 7 第 11谐波含量（A） 62 28 14谐波标准（A） 26.5 19.8 12.3表 2 电力系统和无源滤波器参数L(mH) C（uF） R（m） KVAR（）系统 245 次谐波过滤 36.57 11.08 957 3487 次谐波过滤 57.86 3.57 2120 11211 次谐波过滤 66.46 1.26 3826 39.6在这种情况下，有源电力滤波器无功功率位 25KVAR，因为他补偿谐波的电流和耦合变中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 4 页 共 7 页压器变比为 2。图 4 显示了无源滤波器和混合型有源电力滤波器的谐波衰减率。混合型有源电力滤波器的特点是使用 3 个单谐振滤波器调整第 5，7，11 次谐波如图 3 所示。因此无源滤波器在第 5，7，11 次谐波频率呈现低阻抗。当没有连接有源电力滤波器和无源滤波器谐波放大的一连串的频率出现在 200 到 240 赫兹频率范围，300 到 340 赫兹，500 到640 赫兹。当有源电力滤波器的连接的反馈增益为 20，无谐波放大现象的发生。同时，只适应无源滤波器的滤波特性是不能令人满意的，即使是在第 5，7，11 次谐波频率。当与反馈增益为 20 的有源电力滤波器相结合谐波衰减率增加，混合型有源电力滤波器的滤波性能是令人满意的，在第 5，7，11 次谐波频率。图 4 显示了电力系统在不同条件下的谐波含量。若是没有滤波器与线路并联，第5，7，11 次谐波严重超过标准。只调整无源滤波器后实际的谐波电流被消减，但是不能令人满意。当有源电力滤波器和 20 的反馈增益接入后，第 5，7，11 次谐波电流被迫流入混合型有源电力滤波器。图 5 显示的是混合型有源电力滤波器的增益 k 的变化如何改变系统谐波电流的衰减率。随着增益 k 的增大，电力系统谐波的阻抗增大，混合型有源电力滤波器的补偿性能也提高。此外，在图 5 所示，无源滤波器的品质因素的降低会增加谐振频率的阻抗，削弱混合型有源电力滤波器的补偿性能。无源滤波器品质因数决定无源滤波器的带宽。虽然增加有源电力滤波器的增益可以补偿无源滤波器品质因数降低的不利影响，但是有源电力滤波器的输出增加的电压必须保持相同的补偿性能，从而增加了有源电力滤波器的额定功率。图 4 混合型有源电力滤波器的频率响应和谐波含量中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 5 页 共 7 页图 5 不同值的有源电力滤波器的频率响应和无源滤波器的品质因数从图 5 可得到的结论是，无源滤波器的品质因数和有源滤波器的增益都直接影响混合的补偿性能，有源电力滤波器的调谐频率是固定的，如果无源滤波器的品质因数是不理想的取值，有源电力滤波器的增益必须增加以获得令人满意的补偿性能。4 实验结果一个三相混合型并联有源电力滤波器的实验室，实施和测试样机采用补偿 IGBT6脉冲不可控整流电路。如图 11 所示逆变器直流侧电压有一个 450 伏特，6800 微法的电容器组。1200 伏特/200 安培的 IGBT 由 M57962L 栅极驱动。数字控制系统采用了双DSP（TMS320C32 与 TMS320F240）和 CPLD 电路。采样周期 200 微秒。锁相和控制算法由 TMS320C32 完成，采样和 SVPWM 的程序由 TMS320F240 实施。逆变器的开关频率为 5千赫兹直接和无源滤波器串联。无源滤波器在调整第七次谐波（350 赫兹）品质因数为60，实验电路参数显示在表 3。图 11 PI 电流控制器采样广义的集成 表 3 实验电路参数实用阻抗 0.5 毫亨实用相电压 380 伏特直流侧电压 200 伏特电容 7 50 微法电感 7 4 毫亨由于这样一个单一的第七次谐波调谐 lc 滤波器，第 5,11,13 次谐波电流仍然供应着中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 6 页 共 7 页不可忽视的量值。因此，广义的集成用于消除第 5,11,13 次谐波，该控制器基于广义的集成在固定的框架如图 12 所示*VAPF 是逆变器电压基准，*是电网电流参考值。图 12 PI 电流控制器采用广义的集成为了减少计算时间，广义的集成采用迭代算法，当使用广义的集成谐波衰减率如图 13 所示，在第 5，11，13，15，17，19 次的谐波电流被消除是由于广义的集成造成的。由于每一个控制器都输出正弦波，他可以由相位变化来控制延迟补偿。图 13 PI 电流控制器采用广义的集成稳态实验结果显示在图 14-16，图 14a 所示负载电流实验波形；图 14b 为频谱图在这种情况下，负载电流含有大量的谐波成分。在图 15 所示当只有比例控制器用于消除谐波，除此之外，混合型有源电力滤波器调整频率是非常有限的。随着使用基于广义集成的PI 控制器的混合型有源电力滤波器的补偿第 5，7 ，11，13，15，17，19 次谐波已经有效的得到消除，图 16 所示。当并联型有源电力滤波器补偿下降，直流侧电流可以迅速达到基准值如图 17 所示。图 14 实验负载电流波形(a) 波形 （b）频谱中 北 大 学 2013 届 毕 业 论 文 外 文 翻 译第 7 页 共 7 页图 15 实验负载电流波形（a ） 系统电流 （b） 系统当前频谱图 16 补偿后电流波形 （a） 电流波形 （b） 频谱图 17 混合型有源电力滤波器补偿后的实验系统电流5 结论本文提出并分析了并联混合型有源电力滤波器的补偿性能。混合型有源电力滤波器它结合了