CN100346550C - 一种基于混合电力滤波器的抑制振荡的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合电力滤波器的抑制振荡的控制方法，将有源电力滤波器APF引入无源电力滤波器中，共同组成混合电力滤波系统，整个系统的补偿性能与无源电力滤波器相比有很大的提高，能够达到国家标准的要求。本发明是通过装设与APF并联的电感La并将APF控制成谐波、间谐波电流源，通过这种新的控制方法使得负载电流中的谐波成分流入混合滤波系统，间谐波电流成分流入电网侧，而不在无源支路引起间谐波电流的放大或者谐振，并且使原来流过APF的基波无功电流主要流过电感La，从而大大减小了APF的容量，使得APF在大容量系统的应用成为可能，极大地改善原有无源电力滤波器装置的谐波补偿效果和可靠性。

Description

一种基于混合电力滤波器的抑制振荡的控制方法

技术领域

本发明涉及一种有源滤波器的控制方法，特别涉及一种基于混合电力滤波器的抑制振荡的控制方法。

背景技术

通常的谐波一般指频率为工频(基波频率)整数倍的成分，而间谐波是指非整数倍基波频率的谐波。电力系统中谐波问题已引起广泛的关注。而对间谐波(interharmonics)，目前国内缺乏测量手段，相关的文献资料也很少。实际上间谐波及其影响也广泛存在于电力系统中。

目前对于电力系统的谐波问题，主要的解决方法是装设电力滤波器，包括无源电力滤波器和有源电力滤波器两种。目前大量应用的是无源电力滤波器，其在实用中发挥了很大的作用。但由于无源滤波器可能与系统发生谐振，所以滤波器的频偏对系统安全运行很重要，而又由于频偏的存在使无源电力滤波器很难达到理想的补偿效果。特别是当负载的电流中含有间谐波情况时，当有低于LC调谐滤波器所要滤除的谐波频次的间谐波流过该支路时，LC支路阻抗呈容性，而系统阻抗呈感性，这种情况下就会使间谐波放大甚至并联谐振，造成LC调谐滤波器过载，危及设备的运行。此时为了抑制滤波系统对间谐波的谐振放大，通常在单调谐滤波器上增加阻尼电阻来解决此问题。但是增加阻尼电阻同时又带来了能耗问题，造成了电能的巨大浪费。

谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器。由于有源电力滤波器能动态地补偿谐波、间谐波、无功及负序电流，而又不会与系统发生谐振，所以可以取得比无源电力滤波器好得多的滤波效果。但由于单独使用的有源电力滤波器容量大、成本高，目前国内还没有应用。

从上述对现有技术的介绍和分析中可见，目前在国内外还没有见到将无源滤波器和有源电力滤波器混合使用进行谐波和间谐波抑制的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于混合电力滤波器的抑制振荡的控制方法，将有源滤波器引入无源电力滤波器中，共同组成混合滤波系统，从而改善原有无源电力滤波器装置的谐波补偿效果和可靠性。

本发明的技术方案是这样实现的：把有源电力滤波器APF控制成谐波、间谐波电流源，其步骤为：

第一步，利用短时傅立叶变换的方法，检测出负载谐波电流I_Lh和间谐波电流分量I_Lih；

第二步，利用公式I_apf＝K_Lh·I_Lh+K_Lih·I_Lih，得到的结果作为有源电力滤波器APF的指令信号；其中I_apf表示有源电力滤波器APF的指令电流；K_Lh代表负载谐波电流的控制系数，其中K_Lh＝1；K_Lih代表负载间谐波电流的控制系数，其中K_Lih＝-Z_sih/Z_aih，Z_sih表示电网在间谐波频率的阻抗值，Z_aih表示附加电感La在间谐波频率处的阻抗值；有源电力滤波器APF通过耦合变压器T与附加电感La并联后与无源滤波器Z_f串联，整体构成混合电力滤波器。

第三步，检测有源电力滤波器APF的补偿电流，将其与第二步得到的指令信号比较，采用跟踪型脉冲宽度调制PWM控制方法，获得控制有源电力滤波器APF主电路中各个绝缘栅极双极性晶体管IGBT器件的脉冲宽度调制PWM信号；

第四步，将上一步得出的脉冲宽度调制PWM信号分配给各个绝缘栅极双极性晶体管IGBT的驱动电路，经驱动电路放大施加到绝缘栅极双极性晶体管IGBT上，使有源电力滤波器APF输出补偿电流。

本发明通过与有源电力滤波器APF并联的电感La并将有源电力滤波器APF控制成谐波、间谐波电流源，通过这种新的控制方法使得负载电流中的谐波成分流入混合滤波系统，间谐波电流成分流入电网侧，而不在无源支路引起间谐波电流的放大或者谐振，并且使原来流过APF的基波无功电流主要流过电感La，从而大大减小了APF的容量，使得APF在大容量系统的应用成为可能。

附图说明

图1是本发明的混合滤波系统的原理图；

图2是控制电路核心部分框图；

图3(a)是只投入无源滤波器的等效电路图；

图3(b)是对负载谐波电流的等效电路图；

图3(c)是对负载间谐波电流的等效电路图；

图4(a)是补偿对象的电流波形图；

图4(b)是补偿对象经放大后的电流波形图；

图4(c)是补偿对象电流波形的频谱分析结果图；

图4(d)是投入无源滤波器后的电源电流波形图；

图4(e)是投入无源滤波器后的放大后的电源电流波形图；

图4(f)是投入无源滤波器后的电源电流的频谱分析结果图；

图4(g)是投入混合滤波系统后的电源电流波形图；

图4(h)是投入混合滤波系统后的放大后的电源电流波形图；

图4(i)是投入混合滤波系统后电源电流的频谱分析结果图。

具体实施方式

附图是本发明的具体实施例；

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明：

参照图1所示，有源电力滤波器APF通过耦合变压器T与附加电感La并联后再与无源滤波器Z_f串联，然后并入电网。无源滤波器Z_f是由纯调谐的无源滤波器组成，由分别调谐于2次的电抗器L₂和电容器C₂、3次的电抗器L₃和电容器C₃和4次的电抗器L₄、电容器C₄串联谐振滤波器并联组成，具体包括几条支路可根据滤波和无功性能指标确定。APF控制成谐波电流源与附加电感La并联，主要作用是改善无源滤波器的滤波性能并抑制其与电网发生谐振。图中Lr表示有源电力滤波器的输出电感。

参照图2所示，谐波、间谐波电流检测电路1的输入信号为负载电流i_L和电网电压u_S，经运算后输出负载电流中的谐波分量i_Lh、i_Lih，放大器2、3将谐波电流检测电路1的输出i_Lh、i_Lih与设定的1、-Z_sih/Z_aih相乘，其中Z_sih表示电网对间谐波的阻抗，Z_aih表示附加电感对间谐波的阻抗，并通过加法器环节4产生补偿电压指令i_C ^*，减法器5将环节4输出i_C ^*与有源电力滤波器主电路输出信号i_C相减，结果输出至PWM发生器6，其输出(即各IGBT的PWM信号)连接至驱动电路。

参照图3所示，其中图3(a)表示只投入无源滤波器的等效电路图；图3(b)表示对负载谐波电流的等效电路图；图3(c)表示对负载间谐波电流的等效电路图；

附图3符号说明：

Z_s——电网阻抗

Z_f——纯调谐无源滤波器支路的阻抗

Z_a——附加电感的阻抗

I_fh——I_F的谐波分量

I_fih——I_F的间谐波分量

Z_sh——电网对谐波的阻抗

Z_sih——电网对间谐波的阻抗

Z_ah——附加电感对谐波的阻抗

Z_aih——附加电感对间谐波的阻抗

本系统中通过检测负载电流中的谐波和间谐波成分，将有源滤波器控制成受控电流源I_apf，其在谐波、间谐波频率下的等效电路图分别如图3(b)和图3(c)所示。图中U_sh(U_sih)表示电源谐波(间谐波)电压，Z_sh(Z_sih)和Z_fh(Z_fih)分别表示电网和无源滤波器的谐波(间谐波)阻抗，谐波源可看作一个电流源I_L。

I_Lh(I_Lih)和I_sh(I_sih)分别是负载电流和电源电流的谐波(间谐波)分量。

如图3(a)所示，不接有源滤波器(即Z_APF＝0)时，负载谐波电流I_Lh由无源电力滤波器Z_fh和附加电感Z_ah补偿，其补偿特性取决于电网阻抗Z_sh和无源滤波器与附加电感阻抗之和Z_fh+Z_ah。由图3(a)有：

$I_{\mathrm{Sh}}=\frac{Z_{\mathrm{fh}}+Z_{\mathrm{ah}}}{Z_{\mathrm{sh}}+Z_{\mathrm{fh}}+Z_{\mathrm{ah}}}{I}_{\mathrm{Lh}}...\left(1\right)$

如果电网阻抗很小(|Z_sh|≈0)，或无源滤波器没有调谐到负载的谐波频率(即|Z_fh+Z_ah|＞＞|Z_sh|)，就达不到要求的滤波特性。当有低于LC调谐滤波器所要滤除的谐波频次的间谐波，尤其是当电网阻抗Z_sh与无源滤波器阻抗Z_fh+Z_fh在特定频率发生并联谐振时(|Z_fh+Z_sh+Z_ah|≈0)，将出现谐振放大现象，流入电源的谐波电流比负载的谐波电流还要大。

接入有源滤波器，并按以下规律将其控制为一个电流源：

          I_apf＝K_Lh·I_Lh+K_Lih·I_Lih                   (2)

只要适当地对有源电力滤波器APF进行控制，即由下式(3)、(4)的谐波控制系数K_Lh、间谐波控制系数K_Lih，有源电力滤波器APF就能迫使负载中的谐波电流流入混合滤波系统，使得电源电流中不含谐波；使负载电流中的间谐波成分全部流入网侧，从而不引起无源电力滤波器与电网阻抗对间谐波电流成分的放大或者谐振现象。

如图3(b)，只考虑对负载谐波电流I_Lh的补偿特性时，假设电源电压u_S为正弦。则电源电流的谐波分量I_Sh：

$I_{\mathrm{sh}}=\frac{Z_{\mathrm{fh}}+(1-K_{\mathrm{lh}})\·Z_{\mathrm{ah}}}{Z_{\mathrm{sh}}+Z_{\mathrm{fh}}+Z_{\mathrm{ah}}}{I}_{\mathrm{lh}}...\left(3\right)$

由(3)式知，由于无源滤波器调谐准确，可认为无源滤波器阻抗Z_fh＝0。显然，当控制负载谐波前馈控制系数K_lh＝1，电弧炉负载产生的谐波电流将主要流入滤波支路，只有很少的谐波电流流入电网，能达到较好的滤波效果。同时，由于分母中附加电感阻抗Z_ah的存在，使得原来在只有无源滤波器情况下可能发生谐振的条件|Z_sh+Z_fh|≈0不再起作用，起到了抑制谐振的作用。

如图3(c)，只考虑对负载间谐波电流I_Lih的补偿特性时，仍然假设电源电压u_S为正弦。则电源电流的谐波分量I_Sih：

$I_{\mathrm{sih}}=\frac{Z_{\mathrm{fih}}+(1-K_{\mathrm{lih}})\·Z_{\mathrm{aih}}}{Z_{\mathrm{sih}}+Z_{\mathrm{fih}}+Z_{\mathrm{aih}}}{I}_{\mathrm{lih}}...\left(4\right)$

由(4)式知，由于间谐波的存在，使得无源滤波器和附加电感在间谐波频率下的阻抗之和Z_fih+Z_aih呈容性，而电网在间谐波频率下的阻抗Z_sih呈感性，此时负载电流中的间谐波成分在网侧和无源滤波器支路都被放大了。当|Z_sih+Z_fih+Z_aih|≈0时，就发生了“并联谐振”。此时我们可以控制K_lih＝-Z_sih/Z_aih，在这种控制方式下，相当于在网侧串入了值为-Z_sih的阻抗，使得I_sih＝I_lih，负载电流中的间谐波成分将全部流入网侧，这样流入无源滤波器支路就不含有间谐波，从而防止了无源滤波器过载的情况，起到了抑制间谐波引起系统谐振的作用；

可见，本系统APF的控制方法简单，只需控制成负载电流的1倍谐波分量和-Z_sih/Z_aih倍的间谐波分量，就可以使负载中的谐波流入混合滤波系统，并且可以抑制由负载侧间谐波电流成分引起的无源电力滤波器与系统的并联谐振现象，保证了无源部分的安全运行。

以下给出仿真例：

仿真中负载采用谐波电流源代替，具体参数如下：

Loadcurrent＝680sin(2π×50×t)+89.28sin(2π×100×t)

           +75.04sin(2π×150×t)+40.8sin(2π×200×t)，

           +30sin(2π×190.6×t)

其包含2，3，4次谐波电流成分和一引起无源电力滤波器与系统发生并联谐振的间谐波电流成分。无源电力滤波器参数如下：

2次纯调谐滤波器：L₂＝203.7183mH  C₂＝12.43μF；

3次纯调谐滤波器：L₃＝181.0830mH  C₃＝6.22μF；

4次纯调谐滤波器：L₄＝169.7653mH  C₄＝3.73μF；

附加电感：La＝13.6mH；

连接变压器变比为800∶330；

参照图4(a)、(b)、(c)所示，给出了仿真中负载电流的波形及其频谱分析结果，其中图4(a)为负载电流波形图，其中横坐标表示时间，纵坐标表示电流幅值；图4(b)为图4(a)的局部放大图，其中横坐标表示时间，纵坐标表示电流幅值；图4(c)为该电流波形的频谱分析结果，其中横坐标表示频率，纵坐标表示幅值，可见其电流成分中含有2、3和4次谐波及一间谐波；

参照图4(d)、(e)、(f)所示，给出了不投入有源电力滤波器时网侧电流的仿真结果波形图及频谱分析结果，其中图4(d)为网侧电流波形图，其中横坐标表示时间，纵坐标表示电流幅值；图4(e)为图4(d)的局部放大图，其中横坐标表示时间，纵坐标表示电流幅值；图4(f)为该电流波形的频谱分析结果，由频谱分析结果可见，当负载侧含有能使系统振荡的间谐波时，网侧电流对该间谐波进行放大。因此只投入无源滤波器，即控制有源电力滤波器i_APF＝0时，系统将产生并联谐振，将会造成无源电力滤波器的过载甚至烧毁，影响无源电力滤波器的正常工作。

参照图4(g)、(h)、(i)所示，给出了投入有源电力滤波器，且控制I_apf＝I_Lh+(-Z_sih/Z_aih)·I_Lih时网侧电流的仿真结果及频谱分析结果，其中图4(g)为网侧电流波形图，其中横坐标表示时间，纵坐标表示电流幅值；图4(h)为图4(g)的局部放大图，其中横坐标表示时间，纵坐标表示电流幅值；图4(i)为该电流波形的频谱分析结果，由频谱分析结果可见，当负载侧含有能使系统振荡的间谐波时，该间谐波全部流入网侧。对仿真结果计算得到流过无源支路的无源支路2次谐波电流有效值为：269.5/×0.4646＝88.5063，无源支路3次谐波电流有效值为269.5/×0.3895＝74.19975，无源支路4次谐波电流有效值为269.5/×0.2053＝39.10965，说明负载的2、3、4次谐波基本上全都流入了无源支路，消除了负载谐波电流对电网电流影响，同时可见间谐波全部流入了电网，避免了间谐波引起的系统谐振。

对仿真结果进行整理，得出下表：

      不投入有源滤波器和投入有源滤波器时的补偿效果比较表

从以上结果可见，投入混合滤波系统后，电源电流中的基波电流被补偿到只有基波电流的不到0.48％，取得了良好的补偿特性，而且即使当负载中含有使系统发生并联谐振的间谐波成分，采用上述控制方法，使得负载中的间谐波成分全部流入电网，并不流入无源滤波器中，应此不会造成无源滤波器的过载，保证了整个混合滤波系统运行时的安全、可靠性。

Claims (1)

1.一种基于混合电力滤波器的抑制振荡的控制方法，其特征在于，把有源电力滤波器APF控制成谐波、间谐波电流源，其步骤为：

第一步，利用短时傅立叶变换的方法，检测出负载谐波电流I_Lh和负载间谐波电流分量I_Lih；

第二步，利用公式I_apf＝K_Lh·I_Lh+K_Lih·I_Lih，得到的结果作为有源电力滤波器APF的指令信号；其中I_apf表示有源电力滤波器APF的指令电流；K_Lh代表负载谐波电流的控制系数，其中K_Lh＝1；K_Lih代表负载间谐波电流分量的控制系数，其中K_Lih＝-Z_sih/Z_aih，Z_sih表示电网在间谐波频率的阻抗值，Z_aih表示附加电感(La)在间谐波频率处的阻抗值；有源电力滤波器APF通过耦合变压器(T)与附加电感(La)并联后与无源滤波器(Z_f)串联，整体构成混合电力滤波器；

第三步，检测有源电力滤波器APF的补偿电流，将其与第二步得到的指令信号比较，采用跟踪型脉冲宽度调制PWM控制方法，获得控制有源电力滤波器APF主电路中各个绝缘栅极双极性晶体管IGBT的脉冲宽度调制PWM信号；

第四步，将上一步得出的脉冲宽度调制PWM信号分配给各个绝缘栅极双极性晶体管IGBT的驱动电路，经驱动电路放大施加到绝缘栅极双极性晶体管IGBT上，使有源电力滤波器APF输出补偿电流。

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