一種電力系統(tǒng)有源自動(dòng)化濾波裝置及其特性研究

吳玉林

(閩南理工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院， 福建　石獅　362700)

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一種電力系統(tǒng)有源自動(dòng)化濾波裝置及其特性研究

吳玉林

(閩南理工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院， 福建石獅362700)

[摘要]在分析抑制諧波方法的基礎(chǔ)上，提出用于大容量諧波抑制和無功補(bǔ)償?shù)牟⒙?lián)混合型有源電力濾波器結(jié)構(gòu)，并采用Matlab軟件中的電力系統(tǒng)工具箱對算法完成仿真分析.結(jié)果表明，該方法可以實(shí)現(xiàn)高效的高次諧波檢測，消除諧波分量，并進(jìn)行無功功率補(bǔ)償.

[關(guān)鍵詞]諧波；并聯(lián)混合型；Matlab

電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用改變著人們的日常生活，同時(shí)產(chǎn)生的諧波和無功問題嚴(yán)重影響電氣設(shè)備的正常工作，并對安全運(yùn)行造成威脅[1].由于電力有源自動(dòng)化濾波器裝置能夠補(bǔ)償無功和消除諧波電流，所以通過設(shè)計(jì)有源自動(dòng)化濾波裝置來抑制諧波并提高供電質(zhì)量成為研究的熱點(diǎn)問題.濾波是消除諧波的有效方法.濾波器分為無源濾波器和有源濾波器.傳統(tǒng)的LC無源濾波器無法滿足電力系統(tǒng)中諧波次數(shù)和大小隨系統(tǒng)負(fù)荷的變化特點(diǎn)，難以對動(dòng)態(tài)的無功功率和諧波進(jìn)行有效補(bǔ)償.有源電力濾波器是新型的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電網(wǎng)諧波和無功功率的電力電子設(shè)備，能跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，很好地克服無源濾波的缺點(diǎn)，但其輸出容量有限，制作成本較高，難以補(bǔ)償大容量負(fù)載.因此，并聯(lián)混合型有源電力濾波器成為研究熱點(diǎn).

1并聯(lián)混合型有源電力濾波器的工作原理

并聯(lián)混合型有源電力濾波器主要由有源濾波器和無源濾波器組成[2].有源濾波器由電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩部分組成.有源濾波器中諧波檢測電路從非線性負(fù)載產(chǎn)生的負(fù)載電流中檢測出諧波電流，指令電流運(yùn)算電路根據(jù)諧波電流與補(bǔ)償電流的差值，計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)碾娏髦噶钚盘?該信號作為驅(qū)動(dòng)信號送入驅(qū)動(dòng)電路，控制主電路中開關(guān)器件的動(dòng)作，使變流器產(chǎn)生補(bǔ)償電流.補(bǔ)償電流注入到電網(wǎng)中抵消非線性負(fù)載的諧波電流，消除了電網(wǎng)電流中的諧波成分.本文建立的并聯(lián)混合型有源電力濾波器的模型如圖1所示，主要由三相三線制系統(tǒng)、諧波源(非線性負(fù)載)、無源濾波器和有源濾波器組成.無源濾波器承受諧波電壓，消除主要次數(shù)諧波和補(bǔ)償無功，有源濾波器承擔(dān)無源濾波器未能補(bǔ)償?shù)闹C波分量.由于有源部分承受的電壓很低，大大降低了補(bǔ)償容量和成本.本文采用三相橋式整流器來模擬電力系統(tǒng)中非線性電氣設(shè)備產(chǎn)生的諧波和無功電流[3].典型的諧波表達(dá)式為6k±1(k=1,2…)次.無源濾波器主要諧波由5、7和11次單調(diào)諧濾波器濾除.有源電力濾波器通過電壓型逆變器輸出各次諧波疊加的電壓，濾除無源濾波器未能濾除的諧波[4]，并抑制無源濾波器與電網(wǎng)間可能產(chǎn)生的串、并聯(lián)諧振.

圖1　并聯(lián)混合型有源電力濾波器結(jié)構(gòu)

2諧波檢測原理

本文采用基于瞬時(shí)無功功率理論的補(bǔ)償電流檢測方法，即Ip-Iq諧波檢測算法[5].該檢測算法的本質(zhì)是一個(gè)坐標(biāo)系和另一坐標(biāo)系的相互轉(zhuǎn)換，也稱作park變換.但檢測的有功電流Ip和無功電流Iq本質(zhì)沒有發(fā)生變化.其原理圖如圖2所示.

(1)

圖2　Ip-Iq諧波檢測法原理

3仿真結(jié)果

3.1并聯(lián)混合型有源電力濾波器的仿真模型

本文采用目前很成熟的Ip-Iq諧波檢測算法，利用Matlab中的Simulink模塊和SimPowerSystems工具箱建立由有源濾波器和無源濾波器并聯(lián)的混合型有源電力濾波器的數(shù)學(xué)模型[6]，對補(bǔ)償性能進(jìn)行仿真分析.模型主要由4個(gè)部分組成：三相三線制系統(tǒng)、無源濾波器、有源濾波器和主電路.并聯(lián)混合型有源電力濾波器的仿真模型圖如圖3所示.

圖3　并聯(lián)混合型有源電力濾波器的仿真模型

3.2仿真參數(shù)設(shè)置

模型中參數(shù)設(shè)置如下：(1)三相電源電壓大小是220V，頻率是50Hz，電源內(nèi)阻Rs=1Ω，電感內(nèi)阻Ls=1mH;(2)非線性負(fù)載采用三相橋式整流器，連接電阻R=10Ω，電感L=0.1mH，電容C=1F；(3)主電路選取Matlab/Simulink中IGBT模塊作為三相PWM變流器；(4)變流器直流側(cè)直流電容電壓參考值取600V，直流側(cè)電容為2 100μF，交流側(cè)電感為4mH；(5)LC無源濾波器中5次、7次和11次單調(diào)諧濾波器的參數(shù)分別設(shè)置為：5次單調(diào)諧電感L5=4.5 mH，電容C5=200 μF，7次單調(diào)諧電感L7=4.5 mH.電容C7=100 μF，11次單調(diào)諧電感L11=3.5 mH，電容C11=20μF.考慮在實(shí)際應(yīng)用中電感含有一定的電阻，本文用電感L和R模擬電力系統(tǒng)中變流器輸出端的電感.

3.3仿真結(jié)果及分析

圖4　補(bǔ)償前a相電源電流波形和頻譜圖

圖5　補(bǔ)償后a相電源電流波形和頻譜圖

圖4是補(bǔ)償前a相電源電流波形圖和頻譜圖.可以看出，補(bǔ)償前電源電流波形畸變較大，且從頻譜圖中可以看出補(bǔ)償前電源電流總的畸變率為36.99﹪.圖5是加入并聯(lián)混合型有源電力濾波器補(bǔ)償后的電源電流波形圖和頻譜圖，已近似接近正弦波.可以看出，補(bǔ)償后電源電流總的畸變率為18.92﹪，較好地補(bǔ)償了諧波.

4結(jié)語

本文闡述了一種電力系統(tǒng)有源自動(dòng)化濾波裝置，并針對諧波抑制問題提出并聯(lián)混合型有源電力濾波器方案，并通過Matlab/Simulink建立模型.仿真結(jié)果表明，本文提出的方案可以對系統(tǒng)中的諧波進(jìn)行較好的補(bǔ)償.

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(責(zé)任編輯吳強(qiáng))

Study on the characteristics of the active filter equipment and electric power system automation

WU Yulin

(College of Electronic and Electrical Engineering, Minnan University of Science and Technology, Shishi Fujian 362700, China)

Abstract：This paper proposed a set of large capacity for harmonic suppression and reactive power compensation of parallel hybrid active power filter structure. This method utilized reactive power simulation theory active filter, and completed the simulation analysis by Matlab/Simulink software. The results showed that this method could not only achieve efficient high harmonic detection, but also eliminated the harmonic components, compensating reactive power.

Key words：harmonics; parallel; Matlab

[中圖分類號]TP23

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[文章編號]1673-8004(2016)02-0065-03

[作者簡介]吳玉林(1988—)，女，湖北天門人，講師，碩士，主要從事電力系統(tǒng)諧波抑制方面的研究.

[基金項(xiàng)目]福建省中青年教師教育科研資助項(xiàng)目(JB13238).

[收稿日期]2015-08-11