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一种谐波与无功功率补偿新方式的研究

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2007/12/26 21:44:29   

(华北电力大学)徐永海肖湘宁  【摘 要】 提出了一种电力系统谐波与无功功率的综合补偿系统。该系统由两组并联的电压源逆变器组成,其中带L-C并联谐振回路的小容量逆变器用来补偿谐波,而另一组低开关频率逆变器补偿基波无功功率。针对谐波与无功功率的大容量补偿,该系统具有低成本和低损耗的特点。文中描述了该系统的结构,分析了其工作原理和控制策略,并通过计算机仿真对理论分析进行了验证。  高次谐波电流大,运行功率因数低是现代电力系统的一大问题。电力电子技术的发展,对解决此问题提供了许多新方法,其中并联型有源电力滤波(APF)是一种较好的补偿方法,它能对谐波和无功功率进行动态补偿,其补偿特性不像无源滤波那样受电网阻抗的影响。但是目前大容量的APF造价高、功耗大,在实际应用中受到限制。因此,人们在研究APF多功能化的同时,也致力于可使APF容量降低的混合补偿方案的研究1~7。  降低并联型APF容量可从APF承受的电压和其输出电流两个角度考虑。混合型补偿方案的基本原理就是将常规型APF上承受的基波电压移去,使其只承受谐波电压,从而可显著降低APF的容量2~6。混合型滤波器具有无功功率补偿能力,且可对公共连接点电压进行调节4,是一种较好的补偿方案。但是对于大容量的无功功率补偿,由于该方案补偿的基波电流较大,使得APF容量的降低受到限制。  从减小输出电流角度考虑,文献[8]提出只让APF补偿特定次数谐波(例如5次)的方法;文献[9]提出采用多重逆变器进行基波无功功率补偿,用PWM逆变器补偿谐波的方法;文献[10]提出采用对基波无功功率和低次谐波补偿的PWM逆变器和对高次谐波进行补偿的PWM逆变器共用的方法。  综上所述,本文提出采用只承受谐波电压和只输出谐波电流的带L-C并联谐振回路的小容量逆变器进行谐波补偿,而无功功率补偿则完全由并联的低开关频率逆变器承担的新的补偿方式,既满足对谐波和无功功率的动态补偿要求,又最大程度地降低谐波补偿逆变器的容量。  1 系统主电路结构  图1所示为谐波与无功功率补偿电路结构。考虑到开关器件类型的特点,逆变器Ⅰ采用IGBT开关器件构成,逆变器Ⅱ采用低开关频率的大容量GTO构成,补偿对象为带感性负荷的三相桥式整流器。图中Ls为系统等值电感,Lh、Lq分别为逆变器Ⅰ和逆变器Ⅱ输出端的串联电感,Cr、Rr用于滤除逆变器Ⅰ的开关脉动。  2 补偿系统工作特性分析忽略Cr、Rr在远低于开关频率时的影响,补偿系统单相简化等值电路如图2所示,其中Zf包括L、C与逆变器Ⅰ的输出感抗。  设下标l、h分别表示基波与h次谐波分量,负荷电流可表示为  式中 il1p——基波有功电流;  Il1q——基波无功电流。  合适地选择C、L参数,使其产生基频并联谐振,即  由在基波频率下,      Zf1=∞(3)   基频谐振电流只在C、L中环流,逆变器Ⅰ的补偿电流仅为谐波分量电流,即令ifh=ilh,if1=il1q,则可得is=il1p,即补偿后系统电流仅为基波有功电流。C、L满足式(2)时,vpcc1降落在并联谐振回路,逆变器Ⅰ只承受谐波电压,即因此,该种电路拓扑结构的逆变器容量仅由谐波电压和谐波电流确定,可最大程度得到降低。  对于直接与系统相并联的常规型APF,其逆变器承受电压v′f为  式中v′fh为常规型APF逆变器输出端连接电感上的谐波电压降。  可见,在同等补偿条件下,图2中逆变器Ⅰ承受的电压小于常规型APF逆变器承受的电压,因此,逆变器Ⅰ直流侧电容电压可选取得小些。  在谐波频率下  由上式可知,若逆变器所要补偿的主要频次谐波电流为h,则当选择补偿电路元件参数满足  时,可使得Zfh具有较小值,相应补偿次数的谐波电流容易通过,并且vfh具有较小值。当然,Lh的选取还应从APF的补偿效果上加以考虑。  3 逆变器的控制策略  可采用基于瞬时无功功率理论的d-q分解法对谐波和无功功率进行实时检测。图3所示为补偿系统控制电路简化框图。  其中,idf、iqf为经过d-q变换和低通滤波后的直流分量,将id、iq与idf、iqf相减后的高频分量idh、iqh进行反变换,即可得到逆变器Ⅰ应补偿的谐波电流分量i*f。  三相电压正弦对称时,瞬时无功功率q与d-q分解法中无功电流分量iq之间的关系为  式中E为电源相电压有效值。若负荷电流也为正弦时,q与传统基波无功功率Q的值相等,iq即为直流分量电流iqf。  因此,若欲进行基波无功功率的欠补偿或过补偿,则需将d-q分解法求出的某一时刻无功电流的直流分量作如下修正  i′qf=Kiqf   (10)   这样,可使逆变器Ⅱ根据无功功率需要进行补偿。K=1、K<1、K>1分别对应无功功率的全补偿、欠补偿和过补偿。  控制参量i′df反映了对逆变器Ⅱ直流侧电容电压的调节量。将i′df与i′qf进行反变换可得逆变器应补偿的电流分量i*f1。  4 仿真结果  对图1系统进行仿真时的参数如下:系统电压为380V、50Hz,Ls=0.1mH;三相六脉动感性负载最大容量为400kW;逆变器Ⅰ直流侧电压100V,Lh=0.3mH,C=1000μF,L=10.132mH,Cr=100μF,Rr=2Ω;逆变器Ⅱ直流侧电压为780V,Cq=2200μF,Lq=1.2mH,无功功率补偿因子K取1。  4.1 补偿效果  仿真结果如图4所示。以0.14~0.16s仿真结果为例,下表给出了逆变器Ⅰ投入前后流入电网的谐波电流,电流总畸变率由补偿前的16.6%降低到补偿后的1.7%,谐波补偿效果较好。从图4c、d可见,逆变器Ⅱ投入后,功率因数得到明显改善。  4.2 与常规型并联有源滤波器的比较  对于相同的系统参数与负荷情况,设常规型并联6 参考文献  1 肖湘宁,徐永海.电力系统谐波及其综合治理.中国电力,1998,31(4):59~61  2 肖湘宁,徐永海.混合型有源电力滤波器的研究.电网技术,1997,21(2):48~52  3 PengFZ,AkagiH,NabaeA.Anewapproachtoharmoniccompen-sationinpowersystem-acombinedsystemofshuntpassiveandseriesactivefilters.IEEETransInd,1990,26(6):983~990  4 AnnabellevanZyl,JohanH.R.Enslin,ReneSpee.Anewunifiedapproachtopowerqualitymanagement.IEEETransonPowerElect,1996,11(4):691-697  5 BalboN,PenzoR,SellaDetal.Simplifiedhybridactivefiltersforharmoniccompensationinlowvoltageindustrialapplication.Proceed-ingsofIEEEICHPSⅥ,Bologna,1994:263~269  6 RastogiM,MohanN,EdrisAA.Hybrid-activefilteringofharmoniccurrentsinpowersystems.IEEETransonPowerDel,1995,10(4):1994~2000  7 NoriakiTokuda,YoshiyaOgiharaetal.ActivewithseriesL-Ccir-cuit.ProceedingsofIEEEICHPSⅥ,Bologna,1994.  8 SalemniaA.,SaadateS.Digitalcontrolledactivefiltersuppressingparticularharmonics;numericalsimulationandexperimentation.Pro-ceedingsofIEEEEICHQPⅦLasVegas,NV,1996:632~636  9 RajuNR.,VenkataSS.,SastryVV.,TheuseofdecoupledconverterstooptimizethepowerelectronicsofshuntandseriesACsystemcon-trollers.Paper96SM454-9PWRD,IEEE/PESSummerMeeting,Denver,Colorado,1996.  10 MoranLuisA,LucianoFernandez,DixonJuanW,RogelWallace.Asimpleandlow-costcontrolstrategyforactivepowerfiltersconnectedincascade.IEEETransonIndus.Elect.,vol.44,no.5,October,1997:621~630

来源:中国电力资料网
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