注入式混合型有源电力滤波器的研究
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第23卷第1期电力科学与技术学报V01.23No.12008年3月JOURNALOFEIECTRICPOWERSCIENCEANDTECHNOLOGYMar.2008注入式混合型有源电力滤波器的研究帅智康,罗安,舒适,浣威(湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410082)摘要:根据配电网10kV高压侧对大容量谐波抑制与无功补偿的要求,提出注入式混合型有源电力滤波器拓扑结构(IHAPF),详细阐述了IHAPF的谐波抑制特性.同时结合某铜箔厂大型整流装置谐波抑制和无功补偿的工程实例,介绍了IHAPF的设计方法和软硬件构成,并从项目成本和治理效果两方面分析了IHAPF的应用优势.关键词:iN波抑制;无功补偿;有源电力滤波器中图分类号:TM76文献标识码:A文章编号:16730140(2008)01-0043-07StudyonhybridactivepowerfilterwithinjectioncircuitSHUAIZhi-kang,LUOAn,SHUShi,HUANWei(College《ElectricalandInformationengineering,HunanUniversity,Clmngsha410082,China)Abstract:Accordingtotherequirementofharmoniceliminationandreactivepowercompensationinthedistributionpowersystem,anovelhybridactivepowerfilter(IHAPF)withinjectioncircuitwaspmposedinthispaper,andthesteadycompensationcharacteristicofthecompensationsystemisdiscussedinde—tail.Asallexampleprojectofharmoniceliminationandreactivepowercompensationinacopperfoilfac—tory.thedesignmethodofIHAPFandthestructureofhardware/softwarearepresented.TheIHAPFap-plicationadvantageisalsoanalyzedincostandeffect.Keywords:harmonicelimination;reactivepowercompensation;activepowerfilter当电力系统向非线性设备及负荷供电时,这些系统注入大量的谐波,使电力系统的正弦波形发生设备或负荷在传递(如变压器)、变换(如交直流换畸变,电能质量降低‘¨.为了保证供电质量,防止谐流器)、吸收(如电弧炉)系统发电机所供给的基波波的各种危害,必须采取有效措施来抑制供电系统能量的同时,又把部分基波能量转换为谐波能量,向中的各次谐波.传统方法是采用LC无源滤波器‘23收稿日期:2008-02-01基金项目:国家自然科学基金(60474041,60774043);国家高技术研究发展计划(863计划)(2004AA001032).作者简介:帅智康(1982一),男,博士研究生,主要从事有源电力滤波器和无功补偿技术的研究.通讯作者:罗安,男,教授,博士生导师;E・mill:an..1uo@hnu.∞万方数据电力科学(PF),但其通常只能滤除固定频率的谐波电流,当电网频率发生偏移时其滤波特性将发生较大的变化,同时因系统阻抗参数变化也易与系统发生并联谐振,从而使装置无法运行[3】.为了克服无源滤波器的不足,有源电力滤波器(APF)应运而生[4’7】.APF(包括混合型有源电力滤波器HAPF)能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿,因而受到广泛的重视.与PF相比,APF具有高度可控性和快速响应性,但是由于单独使用的有源电力滤波器容量小、结构比较复杂及成本高等原因而很少应用于中高压系统.近年来,结合无源电力滤波器和有源电力滤波器优点的混合型有源电力滤波器成为研究的热点【7以引,但目前主要还停留在仿真和实验室研究阶段,缺乏工程应用的经验.本文结合某铜箔厂大型整流装置谐波抑制和无功补偿的工程实例,提出一种新型的注入式混合型有源电力滤波器拓扑结构(HybridActivePowerFil-terwithInjectionCircuit,IHAPF),并将其应用于中高压系统.从项目成本和治理效果两方面具体分析了IHAPF的应用优势,同时详细介绍装置的一般设计方法及其软硬件构成.其中的一些设计思路和工程经验还可推广到其它大型滤波和无功补偿装置的设计和应用中,为推进大功率HAPF的实用化进程提供有益的参考和借鉴.1注入式混合型有源电力滤波器的结构原理图1为IHAPF的系统结构图.该结构以电压型逆变器作为其有源部分,以多组单调谐滤波器组成的无源滤波器作为其无源部分.有源部分通过耦合变压器与基波串联谐振电路并联构成串联谐振注入式混合有源滤波器.注入支路由电容C”电感£,和电容Cc构成,其中电容C,和电感厶构成基波频率谐振电路,而整体作为一条无源滤波支路.无源部分提供一定量的无功补偿容量同时具有滤除特征次谐波的功能.整个补偿装置的单相等效电路如图2所示.谐波负载被看作一个谐波电流源,L,以为系统电源电压,有源部分被控制为一个理想的受控电流源厶.万方数据与技术学报2008年3月电路中其它各电量的定义和方向如图2所示,其中氏,,u,,n,如,k,%。分别为电网支路、负载支路、并联无源支路、有源支路、基波串联谐振电路、注入支路电流的谐波分量,z轴,Z髓,Z曲,Z鼬分别为电网阻抗、无源部分阻抗、有源输出支路阻抗、基波串联谐振电路阻抗.非线性图1系统结构图Figure1Systemtopology磊图2单相等效电路Figure2Singlephaseequivalentcircuit当只考虑负载谐波电流源作用,即魄=0时,有源部分控制为一个受控电流源:k=砜,K为控制放大倍数.根据基尔霍夫定律可以列写如下方程:I甄z弧=一fhZ如。In=j‰+l‰,IRh=l恤+Ⅺ弧,IohZGh+kZ鼬=‰zPh.由式(1)可以求得电网支路谐波电流与负载谐波电流之比为氏瓦一=第23卷第1期帅智康,等:注入式混合型有源电力滤波器的研究45(磊h.4-Z鼬)ZPh令z=燕.Z轴(Zch+Z砧+Z讳)+Z盹(Zch+Z鼬+KZRh)‘(2)图2所示的单相等效电路还可等效为如图3所示的等效电路.磊,鱼Z图3谐波阻抗形式的等效电路Figure3Harmonicimped强ceequivalentcircuit从图3可以看出,补偿装置的有源部分相当于在电网支路串联了一个可控的谐波阻抗,当z足够大时,流入电网的谐波电流将会很小,接近于0,起到了抑制谐波电流的作用.式(2)为谐波源谐波抑制函数,利用Madab软件对其进行幅频特性分析,以此来讨论本文提出的IHAPF谐波抑制特性。图4给出了滤波装置在不同的控制放大倍数情况下谐波源谐波抑制函数的幅频特性曲线,系统等效电感的取值为Ls=0.3mH.一K=O…X=10…一j|:=20∞.)罩_—’1f√代一一一li『,…一t!一-・斗÷.凰4不同置值时谐波源谐波抑制函数幅频特性Figure4Frequencycharacteristicsof18h/IIJllwitlldi妊jrentK万方数据从图4中可以看出,当k=0,即补偿装置只投无源部分时,只对固定频率的谐波及高次谐波有较大的抑制作用.当投入有源部分后,从图中可以看出,所有频率段的幅频特性都被下压,谐波抑制效果有了很大的改善,流入系统的谐波电流很小.图中分别给出了控制放大倍数K=10,K=20时的谐波源谐波抑制函数的幅频特性曲线,可见,随着值的增大,系统的谐波抑制效果越好.因此,本文提出的滤波装置具有良好的谐波抑制性能.IHAPF装置研制在广大工矿企业的配电系统中,经常出现需要进行大容量无功补偿的同时又需要对谐波进行有效治理的情况.以某铜箔厂为例,除其它普遍存在的电力电子装置之外,主要负载是反星形连接的6脉波整流装置4套,分别挂在2组10kv进线上,每组进线挂2套整流装置.每套整流装置直流输出容量2500kVA,交流输出容量3150kVA,整流装置最大输出电流50000A,最大输出电压50V.每套整流装置的负载为六组电解槽.由于工厂按订单进行生产,且设备还不时需要进一步调试,使得整流装置负载偏低,也即整流装置控制角仪偏大,从而降低了功率因数,增大了谐波污染,增加了输电线路的能耗,影响了电网的安全稳定运行.工厂平均功率因数仅为0.6左右,且谐波严重超标.为改善这种状况,本项目在每段10kV进线都投入一套IHAPF进行谐波抑制和无功补偿.由于IHAPF只能进行固定容量的无功补偿,考虑到铜箔厂无功功率阶段性变化比较大的特点,在设计中又加入了2条并联无源滤波支路,既可提高滤波效果,又能确保投入的无功补偿容量具有一定的灵活性,从而满足铜箔厂在不同工况下对电能质量的要求.方案原理如图5所示.IHAPF系统接于电网10kV侧,由有源滤波器和无源滤波器构成,有源部分通过耦合变压器经基波串联谐振注人型电路后,与以2组单调谐滤波器组成的无源滤波器一起并联接入电网.根据铜箔厂的实际情况,各条支路的调谐次数和无功补偿容量如表1所示.22.1装置结构及效果仿真电力科学图5IHAPF工程系统框图Figure5Pmjectsystemtopology0fIHAPF表1无源支路设计表Table1Passivefilterparameter在无源参数设计完成以后,还应对其投入电网的系统的谐振情况进行分析,这将为HAPF装置无源部分的投运顺序提供参考,同时有利于系统在实际中运行的有效性、可靠性和安全性.若与电网产生谐振的可能性比较大,则需对设计参数作进一步调整.由图5可知,只考虑负载谐波电流的影响时,系统的单相等效电路如图6所示.图6PPF投运时系统单相等效电路Figure6Sidle.phaseequivalentcircuitofPPF定义谐波电流放大系数为氏=卧㈩式中k,k分别为电网谐波电流和负载谐波电万方数据与技术学报2008年3月流.本文利用MATLAB软件对谐波电流放大系数K进行仿真分析.主要分为3类情况,即仅投入I条支路、投人2条支路和3条支路全部投人为简化分析,以下仿真曲线中的茗轴均表示谐波次数,,,轴表示以日为单位的母线电感,z轴表示母线电流谐波与谐波电流源谐波的比值,即谐波放大倍数.1)仅投入l条支路时的情况,见图7.2)投入2条支路时的情况,见图8.3)3条支路全部投入时的情况,见图9.综合分析图7、图8及图9可知,根据以上设计参数构成的无源滤波器组,在电网中主要存在的谐波次数上发生谐振的可能性并不大,这是由于其谐振点所对应的网络电感值明显大于实际电网中可能的电感值.2.2硬件设计IHAPF的设计主要包括无源支路、有源部分、接口电路和相关控制器设计这几个方面的内容.IHAPF无源部分参数设计主要依据系统需要的无功补偿容量和谐波含量的状况,同时结合成本因素,进行多目标的优化设计,这方面的内容已有相关的文献作了专门的探讨¨4’151,因此本文将以IHAPF的设计为例,把重点放在接口电路和控制器设计上.1)接口电路设计.IHAPF的有源部分主要由电压型逆变器和输出滤波器构成.装置中的逆变器采用三菱公司的智能功率模块PM300CLVl20,其具有高集成度、小体积封装的特点.该模块内部集成了6个IGBT单元,每个单元有4个引脚,分另q是+15V控制电源、电源接地、信号输入引脚、故障输出引脚,各个单元的引脚都是相互的,不能连结在一起,所以在应用的过程中,必须使用6组的电源来控制智能模块.该模块内部还集成有故障检测电路和保护电路,可以通过故障输出引脚发送过温、短路和欠电压保护信号.IPM模块驱动电路板的设计是一个关键部分,关系到模块能否正常的工作,接口电路如图10所示.设计时需要注意的地方:①信号传输延迟时间应尽可能小,因此装置中选择了快速光隔6N137,它隔离的电压高、共模抑制性强、速度快、高电平传输延迟时间的典型值为48ns,最大值为75n8,且价格适中.第23卷第1期帅智康,等:注入式混合型有源电力滤波器的研究47图7仅投入1条支路时的三维图和二维投影图Figure7Three—dimemionalWavofOI'l’flandplanarWS.VL西Ot'lrnofKwhenonlyonePPFworked图93条支路都投入时的三维图和二维投影图Figure9Three—dimensionalwaveformandplanarwavfff:ornlof毛whenallPPFsworked直流侧正极直流侧负极图10某相上下桥臂lGBT模块和DSP的联接Figure10LinkbetweenIGBTmoduleandDSP②由于开关时的di/&在IGBT模块内部布线的电感会产生浪涌电压,为将浪涌电压抑制在最大值l200V以内,应在最靠近P,N端子处安装浪涌吸收器.万方数据图8投运2天支路时的三维图和二雏投影图Figure8Three-dimensionalwaYefot'inandplanarwaveformof磁whentwoPPFsworked③控制电源%允许的电压范围为15V±1.5V,但应尽量降低纹波,并使电压的附加噪声降到最小,因此,在控制电源的输出端接10斗F及0.1F的滤波电容.④虽然IGBT模块内部已对外部噪声采取了相应的措施,但由于噪声的种类和强度的随机性,不可能完全避免发生误动作或损坏IGBT,因此,应对各种可能或不可能的噪声,采取严密的防范措施,如对交流端加噪声滤波器,加装绝缘接地;在每相的输入信号与地(GND)闻加l000pF的吸收电容.2)控制器设计.装置的控制器结构如图11所示,主要包括处理器模块、A/D采样模块、扩展存储器模块、液晶显示模块、键盘输入模块、硬件倍频模块、PWM脉冲输出模块和通信模块,以完成信号检测、控制计算和发出PWM脉冲的功能.处理器模块以美国德州仪器公司生产的DSP2407A为核心;A/D采样模块主要采用2片MAXMIN公司的MAXl25;液晶显示模块分辨率为320×240,实现人机交互界面;键盘输入模块采用2×3矩阵键盘;硬件倍频及过零同步模块主要功能是给A/D采样模块提供采样的触发信号,同时保证APF发出的补偿电流是在电网电流过零的时刻,以确保相角的正确,防止误补偿;通信模块由48电力科学与DSP2407的异步串口通过MAX232芯片实现电平转换和与计算机通信;硬件互锁电路是防止断电或者上电的瞬间,不确定的脉冲信号导致IGBT模块上下桥臂直通,造成短路,同时通过电容和电阻的配合给出了硬件死区6its.图nDSP控制器结构框图Figure11ConfigurationofDSPcontroller3实验结果按上述方法设计的IHAPF装置已在某铜箔厂的大容量谐波抑制及无功补偿项目中得以应用,满足了设计要求,将平均功率因数由0.6左右提高到O.94以上,治理后电网谐波含量低于国家标准,见表2.图12为HAPF的现场装置图,其中包括有源部分和无源部分.图13为IHAPF投运前后的对比波形图.表2补偿前后的谐波电流幅值和功率因数Table2TheharmonicsandpowerfactorbeforeandaftercompensationA图12IHAPF现场装置图Figure12Localeqllipme呲ofIHAPF万方数据技术学报2008年3月tJms(5ms/格)窭高々oH.r78zCl25Hz,格)(a)[HAPF投运前电罔电流波形及其频谱蓉i量・≤t/ms(5ms,格)flHz(125Hz/格)(b)iHAPF投运后电冈电流渡形及其频谱未i量一毫dins(5m妙瞎).f/Hz(125H工/格)(c)APF输出电流渡形及其频谱图13现场运行结果Figure13Applicationresults第23卷第1期帅智康。等:注入式混合型有源电力滤波器的研究49[8]刘飞,杨立付,邹云屏,等.用于高压混合有源滤波器的直流4结论侧电压控制方法[J].继电器。2005,33(13):54-59.LIIJ注入式混合型有源电力滤波器因其有源部分不Fei,YAIvGLi-fu。ZOUYun-ping,eta1.Controlalgorithmof1)t2voltageforahybridactivefilterappliedtohighvoltagesystem承受基波电压,而适用于中高压系统既需要谐波抑[J].Re崎,2005,33(13):54-59.制又需要大容量无功补偿的场合.本文在详细介绍4[9]FujiraH,Ak硒It.Apracticalapproachtoharmoniceompensatioll注入式HAPF基本工作原理的基础上,结合工程应inpOWl口t"system—seriesconnectionofpassiveandactivefilters[C].用实例,从工矿企业在无功补偿的同时又要结合谐IEEEIndustryApplicationsSocietyAnnualMeetingConferenceRe-波治理的需求出发,详细介绍了IHAPF的设计方法cord,Orlando,USA,1990.【lO]SeniniST,Ⅵ/olfsPJ.Systematicidentificationandreviewofhy・和软/硬件构成,其中的一些想法和经验可以为其它bridactivefiltertopologi髑[c].IEEE33rdAnnualPowerElee—类型的HAPF的应用提供有益的指导.troniesSpecialistsConference,Queensland,Australia,2002.[1l】AkagiH,Kltna,7..awIEiY,Nak吣A.Instantaneousreaetlvepower参考文献:epmpematorscomprisingswitchingdeviceswithoutcncl'gystoragecomponents[J].IEEETransactionsOnIndustrialApplication,[1]王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制与无功补偿[M].北京:机械工1984,20(3):625-630.业出版社。1998.[12]FujitaH,YamasakiT,AkagiH.Ahybridactivefilterfordamp-[2]罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京:中国电ingofha/monicl'eSOllaltll∞inindustrialpowersystems(J].IEEE力出版社,2006.olnPowerElectronics,2000,15(2):215-222.【3】Seninis,眦PTransactionsJ.Analysisanddesignofamultiple-loopcontrol[13]谭甜源,罗安,唐欣,等.大功率并联混合型有源电力滤波器的systemforahybridactivefilter[J].IEEETransactionsonIndustri—研制[J].中国电机工程学报,2004,24(3):4l—45.alElectronics。2002,49(6):1283.1292.TANTian-yuan,LIJOAn,TAN(;Xin,ela1.Oe.dopme.tof[4】CurrenceEJ,Plir.gaJE。NelsonJP.I-Ilu'nlonicR踟岫趴∞ataIlle-high-eatacityhybridpoW目filter[J].Proceedingsofthe(:SEE,dlum-sir∞dindustrialplant[J].IEEETramaefiommIndustrial2004,24(3):41-45.Application,1995,31(4):682-690.[14]范瑞祥,罗安,李欣然.并联混合型有源电力滤波器的系统参[5】DetjenD,JaeobsJ,DeDonekerRW。eta1.A螂hybl_idfilterto数设计及应用研究[J].中国电机工程学报,2006,13(2):106-dampenl'eflollance8andeompetasateharmonic删ntIl】c8inindustrial111.powersystems埘tllpOWel'factorcorrectionequipment[J】.IEEEFANRui—xiang,LUOAn,LIXin-rm.Parameterdesignandappll・Transactions∞PowefElectronics.2001。16(6):821-827.calJonofshunthybridactivepowerfilter[J].Proceedingsofthe[6]I'l面el"J,Ared朗M,HeumannK.AshuntactivepOWCI。filter咿CSEE,2006,23(2):106・111.Pliedtohi曲voltagedistributionlines[J].IEEETransactions011[15】范瑞祥,罗安,章兢,等.谐振注入式有源滤波器的输出滤波器PowerDelivery.1997。12(1):266-272.研究[J].中国电机工程学报,2006,26(5):95・100.[7】FujitaH,YamasaklT,Ak硒H.AhybridactivefilterfordampingFANRui-xiang,LUOAn,ZHANGJing,eta1.Theoutputfilterlpofharmonicl"lⅪonanceinindustrialpowersystem[J].IEEETrans-№u'ehof弛鲫删moeinjectionactivepowerfilter[J].ProceedingsactionsonPowerElectronics,2000。15(2):215-222oftheCSEE,2006,26(5).95-100.万方数据