有源电力滤波器设计

1、有源电力滤波器设计近年来，公用电网受到了谐波和睦波的严峻污染，而装置是其主要的谐波污染源。随着电力装置的日益广泛应用，电网中的谐波污染也日益严峻，并影响到供电质量和用户用法的平安性，因此电网谐波污染的治理越来越受到关注。有源电力是一种用于动态抑制谐波、补偿无功功率的新型电力电子装置，能对大小和频率都变幻的谐波及无功功率举行补偿。和传统的无源滤波器相比，有突出的优点。(1)对各次谐波和分数谐波均能有效地抑制，且可提高功率因数；(2)系统阻抗和频率发生波动时，不会影响补偿效果。并能对频率和幅值都变幻的谐波举行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响；(3)不会产生谐振现象，且能抑制因为外的谐振产生的

2、谐波电流的变幻；(4)用一台装置就可以实现对各次谐波和基波无功功率的补偿；(5)不存在过载问题，即当系统中谐波较大时，装置仍可运行，无需断开等。由以上可看出，它克服了传统的无源滤波器的缺点，具有良好的调整性能，因而有很大的进展前途。本文对适用于电力系统的有源电力滤波器的原理和设计举行介绍。1 有源电力滤波器系统结构有源电力滤波器系统结构l所示。有源电力滤波器的基本工作原理是：实时检测补偿对象的电压和电流，经命令电流运算单元计算出补偿电流命令信号，该信号经补偿电流发生电路放大产生补偿电流，补偿电流与负载电流中需用补偿的谐渡及无功等电流抵消，终于得到期望的电源电流。在图1中的体现是，当需要补偿负载

3、所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象负载电流il中的谐波重量ilb后，将其反极性作为补偿电流的命令信号ic*，再由补偿电流发生电路产生补偿电流ic，其中补偿电流ic与负载电流中谐波重量ilh大小相等，方向相反，因而两者互相抵消，使得电源中电流中只含基波，达到消退电源电流中谐波的目的。图1为有源滤波器的系统框图。通过霍尔检测非线性负载的电流ila、ilb、ilc经电流信号调理后送入命令电流产生电路，命令电流产生模块是由ti公司的 tms320lf2407为核心建立的。dsp计算出需要补偿的谐波和无功电流后，通过外部da送入电流跟踪控制电路。检测有源电力滤波器主电路的电流ica、icb

4、、icc，经电流信号调理后也送入电流跟踪控制电路，电流跟踪控制电路对主电路补偿电流与命令电流举行滞环比较后送出栅极开关驱动信号，驱动电路接受来自前级电流跟踪控制电路的信号，并经隔离放大后驱动主电路的开关管，以控制主电流的电路尾随命令电流的变幻，终于达到实时补偿谐波与无功功率的目的。电压传感器检测变流器直流侧总电压，经电压信号调理后送入命令电流发生电路，通过合理的控制以凋节直流侧电压的稳定。启动、关断和庇护模块按一定的时序控制装置的启动和关断，并提供装置的过流、过压、过热、缺相等故障庇护功能。2 有源电力滤波器主电路设计设计主电路时，应首先确定主电路的形式，目前，有源电力滤波器主电路的形式绝大多

5、数采纳电压型，本文挑选主电路为并联电压型、单个变流器的形式。主电路设计需要解决的问题是：主电路容量的计算；开关器件的挑选及其参数确实定；对补偿电流的跟踪特性起打算作用的参数(输出l、直流侧电压ud、滞环宽度)的设计；按所选器件要求的驱动电路的设计以及囫囵装置的各种庇护电路设计。21 主电路容量的计算有源电力滤波器的容量sa由式(1)确定式中：e为电网相电压有效值；lc为补偿电流有效值。假如所设计装置的容量为15 kva，则ic=sa/3e=15x103/3x220=227 a22 功率开关器件的选取目前适用于apfp中的全控型开关器件主要有gtr、igct等，器件的挑选，首先应该满足工作频率和

6、器件容量的要求，当单个器件的容量难以满足要求时，可考虑采纳器件的串并联或主电路多重化等方式。第二，再考虑它们的价格。器件的种类确定后，再确定其额定参数。其中，额定电压由直流侧电压打算，并考虑适当的平安裕量。额定电流由补偿电流打算。2.3 主电路滞环宽度的选取因为有源电力滤波器的命令电流包含高次谐波和暂态电流，故要求实际输出的电流对命令电流有很高的跟踪能力。在有源电力滤波器的补偿对象已确定的状况下，有源电力滤波器主电路参数的选取，对有源电力滤波器的性能和效率有较大的影响。下面以a相为例，分析采纳滞环控制时的工作频率f与电网电压ea、变流器直流侧电压ud及主电路电感值和滞环宽度间的互相关系。对于a

7、相半桥逆变电路，可得电路方程为式(6)为正，即电感电流在升高。设uc1=uc2=ud/2，假定逆变器的工作开关频率较高，在一个开关周期内可认为电压ea基本不变，则滞环控制时补偿电流的波形2所示，其中为滞环宽度。由图2，以及式(4)和式(6)，可分离计算出电流的升高时光tu和下降时光td，即由式(9)知，逆变器的最小工作频率和最大工作频率分离为取电流滞环宽度为12a，直流侧电压ud为l000v，主电路电感l为5mh，则由上述公式可得：最小开关频率为12767 khz，最大开关频率为20833khz，平均开关频率168 khz。24 直流侧电压的计算和电容的选取主电路的工作模式及相应的开关系数，如

8、表1所列，等效3所示。当ka=-1/3时，电流ica升高，即要求假如直流侧电压不能满足大于有源电力滤波器与供电系统衔接点的相电压峰伉(em)的3倍，即就不会永久成立，这是不希翼浮现的。同理，当ka=13时，电流ica下降，即要求也不会永久成立。所以直流侧电压应满足如下条件，即意味着主电路直流侧电压值应大于有源电力滤波器与供电系统衔接点的相电压峰值(em)的3倍。在此基础上，直流侧电压值越大，补偿电流的尾随性能越好，但器件的耐压要求也就越高，因此要综合考虑。由式(15)，得由此可选取直流侧参考电压udref为1000v。有源电力滤波器在实际运行时很难将主电路直流侧电压控制在某一恒定值，直流侧电压

9、波动的根本缘由在于补偿电流在沟通电源与有源电力滤波器之间的能量脉动。若电容值挑选过小。主电路直流侧电压波动就会过大，影响有源电力滤波器的补偿效果；而若电容值挑选过大，则主电路直流侧电压动态响应变慢，电容体积和价格也会增强。因此必需综合考虑，合理挑选。假设在某一pwm周期内电容始终处于充电或放电状态，直流侧电容电压最大允许偏离设定值为udmax，则25 输出电感值的选取电压型有源滤波器的补偿特性丰要取决于输出补偿电流对于补偿命令电流的跟踪控制能力。而输出电感值挺直打算了补偿电流的跟踪速度，从而很大程度地影响电力有源滤波器的工作性能。电感值过大，则系统不能适时跟踪命令电流信号，而且电感值的增大也会造成设备成本的增强；反之。假如太小，则补偿后的纹波电流过大。因此，设计时必需合理挑选主电路沟通侧输出电感值。251 电感的最大取值由主电路的模型，对于a相有式(23)中，对于不同的谐波源和不同的补偿要求，命令电流ica*是不同的，其最大电流变幻率与补偿参考电流的详细表达形式疏远相关。其阅历公式为252 电感的最小取值假如电感取值太小，则会使补偿电流的纹波过大，影响有源电力滤波器的补偿效果。因此，电感的最小值主要由主电路开关器件所产牛的纹波打算，电感的作用是将其在补偿电流上产生的纹波限定在一定范围内。若有源电力滤波器的实际输出电流偏离命令电流的最大允许值为imax，