大功率并联混合型有源电力滤波器的研制

第24卷第3期中国电机工程学报Vol.24No.3Mar.20042004年3月ProceedingsoftheCSEE©2004Chin.Soc.forElec.Eng.文章编号：0258-8013（2004）03-0041-05中图分类号：TM711文献标识码：A学科分类号：470·4031大功率并联混合型有源电力滤波器的研制谭甜源1，罗安2，唐欣1，涂春鸣1（1．中南大学信息科学与工程学院，湖南长沙410083；2．湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082）DEVELOPMENTOFHIGH-CAPACITYHYBRIDPOWERFILTERTANTian-yuan1,LUOAn2,TANGXin1,TUChun-ming1（1.CollegeofInformationScience&Engineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China;2.CollegeofElectrical&InformationEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,China）ABSTRACT:Comparedwithhybridpowerfilterwithaloplogicalstructureandwidelyusedatpresent,anovelhighcapacityhybridpowerfilterbasedoninjectioncircuitisproposedtomeettherequirementsofharmoniceliminationandreactivepowercompensationinsubstation.Principally,controllerandhighpowerconverterarediscussed.Theoperationresultswiththisnewfilterinstalledina220kVsubstationprovethatitisgoodinperformancesandinharmonicselimination,reactivepowercompensationandreliability.Inaddition,thisfacilityisinfavorofapplicationduetoitsgoodcostperformance.KEYWORDS:Activepowerfilter;Intelligentpowermodule;PWM;80C196KC摘要：针对大型供、配电站需要在滤除谐波的同时进行无功功率补偿的工程要求，改进了目前常用的并联混合型有源电力滤波器的拓扑结构，提出一种新颖的谐波注入式电路，进一步减小了有源滤波部分的容量，达到了工程应用的目的。详细介绍了该系统的滤波原理、控制器结构和大功率逆变器的实现。该装置已在220KV变电站挂网试运行，运行结果表明该装置滤波效果较好、可靠性高。而且这种HAPF的性能价格比较高，因而具有良好的工程推广应用价值。关键词：有源电力滤波器；IPM；PWM调制；80C196KC1引言随着工业电力电子技术的发展，电力系统中的非线性负载越来越多,由此带来的谐波公害也越来越严重。应用现代技术对谐波等进行经济、有效地补偿是目前急待解决的重要问题之一。消除谐波的方法是加装滤波装置。对高压大容量谐波源国内外目前主要是采用LC谐振型无源滤波器（Passive基金项目：国家科技攻关项目（2002BA218C）。KeyProjectoftheNationalYearResearchProgrammeofChina（2002BA218C）．PowerFilter,PPF），并且这些滤波器兼有无功和负序补偿功能。尽管PPF具有初期投资小，运行效率高等优点，但PPF的滤波效果受电力系统阻抗的影响较大，且只能消除特定次数的谐波，对于谐波次数经常变化的负载滤波效果并不好。还可能与系统发生串联、并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁[1]。进入20世纪80年代以后，随着有源滤波技术的不断深入和用户对谐波问题的重视，以及电力电子技术的飞速发展，大功率可关断器件（GTR，GTO，IGBT等）的不断进步，有源电力滤波器（ActivePowerFilter,APF）作为抑制电网谐波、补偿供电系统无功功率的新型电力电子装置得到迅速发展，其中并联型电力有源滤波器的使用最为广泛[1~3]。有源电力滤波器（APF）虽能克服PPF存在的缺陷，但其安装容量受开关器件容量的限制。将无源滤波器和有源滤波器相结合构成的混合型有源电力滤波器（HybridPowerFilter,HAPF），取两者之长，补其之短，有助于减少谐波补偿系统的初期投资，提高性能价格比，达到APF实用化及谐波抑制的目的[1,3~6]。大功率并联混合型有源电力滤波器在主电路结构上采用了新颖的注入方式，APF仍起谐波补偿的目的，PPF分担大部分谐波和无功补偿，最大限度地减少了有源滤波器的容量；三相桥式逆变器采用了智能功率模块（IPM），该模块内部集成了驱动和保护电路，从而极大简化了驱动电路板的设计，进一步降低了工程应用的成本。2主电路结构与原理2.1主电路结构并联混合型有源电力滤波器具有安装、维护简42中国电机工程学报第24卷单的优点，可以直接在已有的无源滤波器上进行改造。图1所示为目前常用的一种并联混合型有源电力滤波器。为了减小有源电力滤波器的容量，可针对非线性负荷的主要谐波分量分别设计相应次数的无源滤波器（如图1中C2、L2、C5、L5和C7、L7就分别构成了2、5、7次LC滤波器）；而有源电力滤波器仅用来改善无源滤波器的滤波效果和抑制可能发生的谐振。这种方式中，有源电力滤波器不承受交流电源的基波电压，因此装置容量极大减少，通常只需要非线性负荷总容量的1/10左右，从而使有源电力滤波器能应用于大功率场合。然而，大型的供、配电站通常希望在滤除谐波的同时进行无功功率补偿，这时采用如图1所示的有源电力滤波器，将由于变压器的耦合作用，使所有的基波无功电流都流过有源电力滤波器。这样就迫使逆变器所需求的容量大大增加，必然增加逆变器实现的技术难度和成本，从而限制了有源电力滤波器在大型变电站的应用。~~~VsLsC2L2C5L5C7L7非线性负载逆变器图1并联混合型有源电力滤波器(1)Fig.1Shunthybridactivepowerfilter(1)为了进一步降低有源电力滤波器容量，可在并联混合型有源电力滤波器的基础上进一步结合注入电路方式，改进后的系统结构如图2所示。它将逆变器输出电压通过变压器耦合到无源滤波器的2次滤波支路的电感和电容两端，其中，C21、C22和L2组成的LC滤波支路调谐在2次谐波频率，而L2与C22调谐在基波频率。这样，利用L2和C22对基~~~VsLs逆变器C21C22L2C5L5L7C7图2并联混合型有源电力滤波器(2)Fig.2Shunthybridactivepowerfilter(2)波谐振的特性，使有源电力滤波器既不承受基波电压也不承受基波电流，从而极大地减小了有源电力滤波器的容量，降低有源谐波补偿系统的投资，提高性能价格比，达到APF实用化及谐波抑制的目的。2.2滤波原理分析图2中的并联混合型有源电力滤波器的单相等效电路如图3(a)。这里假设有源电力滤波器是一个理想的受控电压源VI，谐波源被看作一个电流源iL。图中，C21、C22、L2、C5、L5、C7、L7分别为无源滤波器2、5、7次滤波支路上的电容和电感。图3(b)为只考虑电网谐波电流分量时的单相等效电路图，Zs、ZFc、ZFL、ZL分别为电网阻抗、电容C21的阻抗、C22和L2的串联阻抗（呈感性）、5次和7次滤波支路总的等效阻抗（对高次谐波呈感性）。由图3(b)并根据基尔霍夫定律可写出如下方程：ShSShFcFhIVZIZIV=++(1)~~~~IsI'LLsIFC21C22C5C7L2L5L7ILIIVsVI+-(a)单相等效电路IShI'LhZsIFhZFcIIVI+-VSh+-ZFLZLILhIShK(Ω)IFhZFcILh(b)只考虑谐波分量时单相等效电路(c)不考虑电源电压畸变时单相等效电路图3单相等效电路图Fig.3Single-phaseequivalentcircuitsShLhFhIII′=+(2)()IFLFhIVZII=+(3)()ShSShLLhLhVZIZII′=+−(4)若将逆变器输出电压控制为IShVKI=(5)由(1)~(5)可解出(/1)(/1)FcLhFCLShShFCFCLsZIZZVIZZZZK⋅++=+++(6)令/1FCLkZZ=+，ssZkZ′=可得第3期谭甜源等：大功率并联混合型有源电力滤波器的研制43'FcLhShShSFcZIkVIZZK⋅+=++(7)从式(6)可以看出，当ILh、VSh为定值时，如果K增大，ISh将减小。当K值足够大时，大部分负载谐波将流入无源滤波器，达到了很好的滤波效果。而且，当不考虑系统电压畸变引起的谐波电流时，即令VSh=0，从式(7)可以看出，对于ISh而言，图3(a)和图3(c)是等效的。由图3(c)可看出，这相当于在电网支路串接了一个纯电阻K，因此，必然有更多的谐波电流流入无源滤波器支路。如果K|ZFc|，则由负载产生的谐波电流将流入LC滤波器。如果K|Z'S|，则滤波特性由K决定。此外，K还起到阻尼Z's和ZF并联谐振的作用。3控制系统结构并联混合型有源电力滤波器的控制部分由工控机和单片机构成，工控机实现谐波检测、分析以及控制信号计算等功能，单片机则起着产生控制信号的作用。其控制电路结构如图4所示。is1ishFFT产生PWM脉宽PWM调制PI控制器A/D采样isVT1-6+-图4控制电路框图Fig.4Blockdiagramofthecontrolcircuit首先以A相电压由负变正的过零点作为初始时刻，将初始时刻后一个工频周期的三相电流iS用高速A/D采样卡采入到工控机，然后将采样值进行快速傅立叶分析，得到三相电流的基波值iS1，分别将三相电流的采样值减去基波值，即得到有源电力滤波器需要补偿的三相谐波电流iSh。再通过PI控制器就可得到有源电力滤波器输出补偿电压的指令信号UC=KISh。要使电压型逆变器输出电压UC，只要将UC作为调制信号，采用跟踪型PWM技术控制逆变器，就能得到期望的电压波形。常用的跟踪型PWM控制信号的产生方法有滞环比较法和三角波调制法等。为了消除逆变器输出电压中的开关毛刺，需要在逆变器输出端加上低通滤波器。如果采用滞环比较法控制，则开关器件的开关频率不固定，使得低通滤波器的设计困难，因此本文采用三角波调制法。传统的三角波调制法有自然采样法和规则采样法等几种，自然采样法计算量大，且不适于对谐波信号进行调制，而规则采样法的精度又不够高。为此，本装置采用了改进的规则采样法，详见文[7]。以上控制任务都在工控机中完成，系统控制和监视软件采用Borland公司的可视化编程语言Delphi开发完成，其软件主界面如图5所示[8]。5000-50005101520t/ms(a)345电流实时波形图I/A155-5-1505101520t/ms(b)345电压实时波形图u/kV5000-50005101520t/ms(c)334电流实时波形图I/A155-5-1505101520t/ms(d)334电压实时波形图u/kViLbiLciLauLbuLauLcusbusauscuLcuLauLb图5系统软件主界面Fig.5Maininterfaceofthesystemsoftware上位机计算出PWM脉宽数据后，还需要下位机产生相应具有一定驱动能力的PWM脉宽控制信号。本装置采用三块80C196KC单片机作为下位机，每块单片机从工控机接收一相PWM脉宽数据。当A相电压由负变正的过零点到来时，三块单片机就同时从各自的高速输出口HSO.0输出三相PWM控制信号脉冲，从而实现与电网谐波电流的同步控制。