多重化主电路实现的大功率有源电力滤波器

多重化主电路实现的大功率有源电力滤波器
  摘要：为解决大容量有源电力滤波器面临的大容量和开关频率之间的矛盾，本文介绍一种采用多重化主电路的大容量有源电力滤波器，给出系统的主电路结构和系统的控制方法。实验表明该系统有效地解决了有源电力滤波器容量与开关频率的矛盾，取得了满意的效果。
  关键词：有源电力滤波器多重化谐波
  Large Volume Active Power Filter Consisted of Multiple Main Circuit Abstract: It's a trouble that how to solve the contradiction between the volume and switch frequency in active power filter.In this paper,a large volume active power filter which main circuit consisted of multiple is introduced.The main structure of circuit and control method were presented.The experiment results show that good effects have obtained.
  Keywords:Active power filter Multiple HARMonics
  1引言
  　　有源电力滤波器(APF)可以对大小及频率变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，并能有效地克服无源滤波器的缺点，所以引起了人们极大的兴趣和重视，使得有源电力滤波器的研究与应用得到了迅速发展[1,2,3]。
  　　如何将有源电力滤波器用于补偿大容量工业装置中的谐波与无功功率是许多研究者所关心的问题之一。大容量的工业装置所产生的谐波对电网危害很大，必须给予足够的重视[2]；当使用有源电力滤波器进行谐波抑制时,相应地要求有源电力滤波器容量足够大。这样对有源电力滤波器使用的电力电子器件在容量方面也就必须满足很高的要求。电力电子器件随着容量的增大其所容许的开关频率却越来越低，而较低的开关频率又会影响有源电力滤波器的补偿效果，所以在将有源电力滤波器用于大容量谐波补偿时就面临着器件开关频率与容量之间的矛盾。
  　　为解决这一矛盾，有3种方案可供选择：一是器件串并联以达到容量要求；二是多台独立的有源电力滤波器并联使用；三是采用多重化主电路。3种方案中，采用多重化主电路是最为合理有效的方案。与器件串并联的方案相比，主电路多重化在满足容量要求的同时，还可以提高等效开关频率。与多台装置并联使用的方法相比，除提高等效开关频率外，只需一套控制电路，在经济上更为合理。
  　　基于上述设想，我们设计制作了采用四重化主电路的有源电力滤波器实验装置，其主电路为四组PWM变流器并联连接,每个PWM变流器的容量为30kVA,整个有源电力滤波器装置的谐波补偿容量达到120kVA;在控制电路中，谐波补偿电流指令的计算采用了基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法[4]，将补偿电流指令分配至4组PWM变流器，进行适当控制，即可使整个装置的等效开关频率为器件开关频率的4倍，获得了良好的补偿效果。
  2系统构成及工作原理
  　　有源电力滤波器的主电路及控制电路原理图如图1所示。其中主电路由四组PWM变流器并联组成。四组PWM变流器的直流侧并联在一起，公用一组直流电容器。它们的交流侧与负载谐波源并联连接。工作时，各组PWM变流器根据控制电路计算的谐波指令电流，通过各自的电流跟踪环节控制，产生各自的谐波补偿电流，相加后以抵消谐波源负载电流中的谐波成分，使流入电源侧的电源电流为不含谐波的正弦基波电流[4]。
  　　控制电路的原理图如图2所示。图中，补偿电流指令的计算是采用了基于三相电路的瞬时无功功率理论的谐波检测方法，即通过检测补偿对象（即图1中的负载）的电压与电流，经过坐标变换、低通滤波和坐标反变换，得到负载电流中的基波电流成份，再将负载电流与之相减，得出谐波补偿电流的指令电流信号。为使各个模块的电流输出相互平衡，对计算出的指令电流还需进行均流分配处理，即各PWM变流器输出的补偿电流为计算出的指令电流的1/4。将通过分配电路后的指令电流输出到各个模块，通过各个模块中的电流跟踪控制电路，控制各模块的主电路产生所需的补偿电流。
  
  图1有源电力滤波器的构成
  　　电流跟踪控制电路采用跟踪型PWM控制方式。使用的是定时比较方式。多重化主电路等效开关频率的提高是采用对每个PWM变流器的基准时钟相位错开的方法实现，即对输入到各PWM变流器的基准时钟在相位上依次拖后90°,第二组PWM变流器的基准时钟落后第一组基准时钟折合电角度90°，第三组PWM变流器的基准时钟落后第二组基准时钟折合电角度90°，依次类推。各PWM变流器的基准时钟分配原理图见图2。这样就使整个系统的开关频率提高到各PWM变流器电力电子器件开关频率的4倍。
  3实验结果
  　　利用所研制的有源电力滤波器装置对图1所示的谐波源负载进行了补偿实验。谐波源由一个带电感性负载的三相整流桥组成。图3～图5给出了实验结果。图3给出了有源电力滤波器投入前的电源电流波形。可以看出三相电流的波形畸变严重。图4给出了有源电力滤波器中只有两组PWM变流器投入补偿后的电源电流波形，可以看出三相电流波形中谐波被补偿了整个谐波总量的1/2。图5是有源电力滤波器四组PWM变流器全部投入补偿后的电源电流波形，可以看出三相电流波形中的谐波基本消除。说明有源电力滤波器有着良好的补偿效果。
  4结论
  　　本文介绍了采用多重化主电路实现的大容量有源电力滤波器，给出了系统结构和控制原理，实验表明该系统可以有效地解决有源电力滤波器在大容量时所遇见的容量和开关频率之间的矛盾。可以得出以下结论：
  　　（1)采用多重化主电路可以解决大容量单个电力电子器件开关频率过低的问题，多重化可以使系统等效开关频率成倍提高，使有源电力滤波器有一个良好的补偿效果。
  
  图2控制电路原理示意图及时钟脉冲分配图
  
  图3补偿前三相整流桥阻感负载时电源电流波形及频谱分析图
  
  图4多重化主电路只有两组工作时
电源电流补偿后波形及频谱分析图
  
  图5多重化主电路四组工作时
电源电流补偿后波形及频谱分析图
  　　（2)采用多重化主电路可以成倍扩大装置的补偿容量。
  参考文献
  1AkagiH,Kanazawa Y,Nabae A.Generalized theory of the instantaneous reactive power in three－phase circuits.IEEE＆JIEE.Proceedings IPEC.TokyIEEE,1983.p1375～1386
  2アクティブフィルタを有する电力变换回路とシステム调查专门委员会，アクティブフィルタ机能を有する电力变换回路とシステム，1997
  3王兆安，杨君，刘进军等.谐波抑制和无功功率补偿.北京:机械工业出版社,1998
  4杨君，王兆安.三相电路谐波电流两种检测方法的对比研究.电工技术学报,1995,(2):p43～48.