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有源电力滤波器的延时特性对补偿效果影响的研究

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 随着电力电子装置的日益广泛应用,电网的谐波污染问题越来越严重此外,电力电子装置较低的功率因数也对电网的运行产生不利的影响。电力谐波治理与无功补偿己成为受到广泛关注的课题有源电力滤波器(APF)是一种用于抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置,它能对大小和频率都变化的谐波以及动态无功讲行实时补偿,其工作原理是实时检测电网中非线性负载电流中的谐波和无功电流,然后产生与之大小相等相位相反的电流,进行实时补偿,使电网只提供与电压同相位的正弦电流,从而达到抑制谐波、补偿无功的目的有源电力滤波器克服了传统的无源LC滤波器只能吸收固定频率的谐波,且容易过载等缺点通常,一般认为有源电力滤波器可以同时克服无源LC滤波器的谐波放大问题,但其成立的前提是有源电力滤波器对负载电流中的谐波和无功电流进行真正意义上的实时补偿。但实际上,有源电力滤波器是一个复杂的非线性动态补偿系统,从电流检测到对逆变输出电路的开关器件实施控制使其输出补偿电流,这一过程需要一定的时间,同时,其开关动作也要造成一定的延迟,不可能做到严格意义上的实时补偿,即应该补偿的电流与有源电力滤波器实际输出的补偿电流己不属于同一时刻本文对影响有源电力滤波器实时补偿性能的各种因素做了分析,并对由于这些因素而造成的延时对有源电力滤波器的实时补偿性能的影响进行了研究2有源电力滤波器的工作原理有源电力滤波器的工作原理如所示(以单相为例)假设电源电压(在畸变情况下,为其基波分量)是流进非线性负载的周期性非正弦交流电流可用傅立叶级数展开为(t)经电流互感器后,通过有源电力滤波器的谐波及无功电流检测电路得到应补偿的谐波及无功电流波形,再通过控制电路控制逆变输出电路,得出要注入的补偿电流ic(t),如果ic(t)与负载电流iL(t)中的谐波分量ih(t)大小相同,则非线性负载所产生的谐波电流就能够被就地抵消,而不至于注入电力系统从而对其它的用电设备造成有害影响同理,如有源电力滤波器注入电力系统的补偿电流ic(t)与负载电流i(t)中的谐波分量ih(t)及无功电流q(t)之和ih(t)+q(t)的大小相同,则有源电力滤波器不但可以有效地抑制谐波,还可以提高功率因数。从结构上,有源电力滤波器由谐波及无功电流检测电路、控制电路和逆变输出电路构成3影响有源电力滤波器实时补偿的因素由图i所示的有源电力滤波器的工作原理图可知,影响有源电力滤波器实时补偿的因素主要有:3.1电压、电流互感器的相位误差电压电流互感器的一次电压、电流和二次电压、电流波形的相位并不完全一致,二者之间存在着一定的误差。一般在采用不加相位误差补偿的电压、电流互感器时,其较大的相位误差可达10~后一次电压、电流波形56~i67微秒左右3.2谐波及无功电流检测电路的延时谐波及无功电流的检测是有源电力滤波器的重要组成部分,因此,谐波及无功电流检测电路的延时也是影响有源电力滤波器实时补偿的一个比较重要的因素目前有源电力滤波器采用的谐波及无功电流检测方法可以分为以下几种:一是采用傅里叶分析的方法,这种方法根据采集到的一个电源周期的电流值进行计算,*终得到所需的谐波和无功电流,其花费较多的计算时间,检测的结果实际上是较长时间前的谐波和无功电流;二是根据Fryze的传统功率理论来构造检测方法,这种方法要积分一个周期才能得出检测结果,实时性仍不好;三是基于瞬时无功功率理论的方法,但这种方法只有在仅检测无功电流时,才可以看作为无延时检测,在检测谐波电流时,仍会有不同的延时3.3逆变输出电路的延时有源电力滤波器的逆变输出电路采用电力电子器件作为开关器件。由于电力电子器件的导通及关断都需要一定的时间。因此,在动作时间上要出现一定的延时此外,电力电子器件的驱动电路(模块)一般也要产生延时。 4仿真研究表征电流畸变程度用电流畸变率THDi来表示为各次谐波电流的有效值,一般计算到n= 50,为基波电流的有效值补偿电流滞后于非线性负载电流中的谐波和无功电流成分,将直接影响到有源电力滤波器的补偿效果。下面针对三种不同情况,对此影响做仿真研宄4.1对谐波补偿的影响以负载电流其中Ah为有源电力滤波器产生的补偿电流中的n次谐波分量滞后于非线性负载电流中n次谐波电流的角度,它与补偿电流滞后于非线性负载电流中谐波和无功电流的时间At关系为:当At为零时,有源电力滤波器工作在实时补偿的状态,非线性负载电流中n次谐波得到完全补偿,达到*理想效果;另外,为计算机仿真得到的In―At曲线,此曲线符合;而当At =ti时,有源电力滤波器恰好对n次谐波不起作用;而当t3>At>ti时,电源电流中的n次谐波要比负载电流中的n次谐波幅值要大,实质上,产生了相当于无源LC滤波器的谐波电流放大现象特别是当At=t2时,电源电流中的n次谐波为负载电流中的n次谐波幅值的2倍,为谐波电流放大*严重情况由上面分析知:若使电源电流中的n次谐波得到抑制,须使At应与n次谐波的有源电力滤波器产生的补偿电流的*大延迟时间,记为ti由由,因此,有源电力滤波器的*大延迟输出时间应小于486微秒。由前面分析,即使延时小于486微秒,由于有源电力滤波器的补偿,仍会使方波电流中的许多高次谐波的幅值大,但由于这些谐波相对于被补偿的较低次数的谐波的幅值较小,因此,有源电力滤波器仍然对谐波起到了一定的抑制作甩当然,延迟时间越小,这种作用越明显即负载电流只含基波有功和基波无功电流对有源电力滤波器产生的补偿电流滞后于ilq(t)的情况做仿真研宄,可以得到电源电流is(t)中的基波无功电流的有效值及其波形畸变率如表2所示从表中可以看出,随着延时时间td的大,电源电流is(t)中的无功电流i1((t)的幅值也随之大,补偿效果随之变差,但其中基本不含谐波成分,波形仍为正弦波。 4.3对谐波及无功补偿的综合影响若负载电流为一幅值为±1的方波,频率为50Hz,且滞后于Us(t)300即负载电流既含基波无功电流又含有高次谐波电流对有源电力滤波器产生的补偿电流滞后于i1q(t)+ih(t)的情况做仿真研究,可以得到电源电流is(t)中的基波无功电流的有效值及其波形畸变率如表3所示。从表中可以看4.2对无功补偿的影响出,随着延时时间td的大,电源电流is(t)中的无若负载电流功电流i1q(t)的幅值逐渐大;同时,波形畸变率也表2电源基波无功电流的有效值及电流波形畸变率的仿真结果(仅补偿无功电流)延时时间tds表3电源基波无功电流的有效值及电流波形畸变率的仿真结果延时时间td/1s随之大,补偿效果随之变差同样值得注意的是,在补偿前,电源电流(等于负载电流)的波形畸变率为47. 29%(计算至50次谐波),而在补偿后,当延时时间达到500微秒以后,基本上没有补偿效源电力滤波器可以对无功、谐波电流起到很好的补偿效果;但随着延时时间的大,补偿效果会随之变差,甚至起不到补偿作用。因此,在对有源电力滤波器的设计研究中,要重视其延时补偿的问题,从果。甚至会出现波形畸变程度加重的情况电流检测方案的确定到互感器及电力电子器件的研宄研究结果表明,在一定的延时时间范围内,有第5结论有源电力滤波器应对谐波及无功电流进行实时补偿。但在实际应用中,由于其电流检测的延时、补偿电流产生电路的滞后等因素的影响,有源电力滤波器很难做到实时补偿本文对影响有源电力滤波器实时补偿的因素进行了分析,并对有源电力滤波器的延时特性对其补偿效果的影响程度进行了选择,都应尽可能地缩短延时时间

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