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博客

并联型有源电力滤波器安装点的选择

已有 209 次阅读2015-1-8 11:45

针对实际工业现场中并联型有源电力滤波器的广泛应用,分析并推广了相控整流负载的频率变换效应,采用等效电路分析方法,阐述了有源电力滤波器在进行谐波和无功补偿时对邻近负载、无功补偿电容器组、无源滤波器组等的影响。阐述了各种负载组合条件下,有源电力滤波器投入前后系统的性态,同时介绍了相应的对策及最优安装点的选择。该方法可有效保证有源电力滤波器运行在各种负载场合,使负载交流侧电流峰值不增大,同时有效抑制了电网中的谐波电流。仿真和实验结果证明了所提方法的正确性和可行性。

 

    1 引言

    有源电力滤波器具有便于工程安装及维护等优点,得到广泛研究及应用。但有源电力滤波器适合补偿电流型谐波,不适合补偿电压型谐波。而实际工业环境非常复杂,含有各种负载,如电感滤波型不可控整流负载、相控型整流负载、电容滤波型不可控整流负载以及其他风机、水泵等电机型负载。此外在系统中有无功补偿电容支路,5次、7次等无源滤波器支路。目前的研究均集中在各种谐波提取方法、系统控制方法等APF的本体控制上,很少有应用层面的分析方法。有源电力滤波器在工业现场的应用不仅需考虑其对被补偿对象的影响,还需考虑其对电网中其他相邻或相连负载可能造成的不利影响。

    这里在分析了整流负载的频率变换效应后,深入分析了有源电力滤波器就近补偿电流型谐波源时对临近负载的影响机理,提出了通过改变运行方式和有源电力滤波器控制策略来抑制谐波影响的方法,仿真和现场应用结果验证了所提方法的正确性和可行性。

 

2 系统分析

2.1 整流桥的频率变换特性分析

    图1示出相控整流负载电路结构,则直流电压和交流相电流瞬时值可表示为:

    

    式中:ua,ub,uc为整流负载交流母线三相交流电压瞬时值;id为直流电流瞬时值;ud为直流电压瞬时值;Sua,Sub,Suc分别为a,b,c三相电压开关函数;Sia,Sib,Sic分别为a,b,c三相电流开关函数。 

 

    

    通常,交流母线电压含有大量谐波,且不平衡,将三相交流电压用对称分量形式表示为:

    

    式中:ωx为任意值,不限于为ω0的倍数,ω0为电网额定频率;αkx为初始相角;k=-1,0,1,k=-1为负序,k=0为零序,k=1为正序。

    对开关函数进行傅里叶变换,将式(2)代入式(2)中第1式,可以得到交流正序、负序电压谐波在直流侧引起的扰动,而零序电压则不会引起扰动。

    

    可见,交流侧频率fx的谐波电压扰动将在直流侧产生频率为fd的谐波电压,fd=fx±(6k±1)f0,f0为系统额定运行频率。

    考虑直流电流的小扰动,如因有源电力滤波器补偿而引入的直流侧小扰动:

    id=Idmcos(ωdt+φd)      (4)

    式中:Idm为直流侧小信号幅值;ωd为直流侧小信号角频率;φd为相应的初始相角。将式(4)代入式(1)中第2,3,4式可得:

    

    可见,id在交流侧产生两组主导非特征谐波,其中一组为正序fd+f0,另一组为负序fd-f0,直流侧到交流侧的谐波电流为正序谐波,次数加1,负序谐波次数减1,谐波电流幅值不随谐波次数变化。从直流侧到交流侧谐波电流幅值放大约0.55倍。

2.2 应用工况分析

    工业现场的谐波源可分为电压型谐波源和电流型谐波源,其等效电路如图2所示。其中电压型谐波源的代表是电容滤波型不可控整流电路,电流型谐波源的代表是电感滤波型不可控整流电路,因而可将各负载用其等效电路表示。实际应用中可能存在两种情况:①就近补偿单一负载(邻近负载较远),②就近补偿单一负载(邻近负载较近)。邻近负载较远时,因输电线路的寄生电感作用,对其他负载影响较小;而邻近负载很近时(200米以内),因容性负载的谐波阻抗非常低,因而易造成谐波过流。 

 

    

    图3示出有源电力滤波器就近补偿电流型谐波源时,对邻近电压型谐波源造成影响的分析原理图。 

 

    

    以图3为例进行分析,其余情况类似,假设图中负载侧节点电压为Ux,根据基尔霍夫定理可得:

  

    由于电压源内阻抗通常非常小,即Zs,ZL2远小于ZL1,则:

    ish≈[-uLZL1+(1-G)ZL1ZL2iLh]/[ZL1(Zs+ZL2)]        (9)

    APF的设计通常存在误差,即APF补偿存在误差,且由于容性负载存在,电网中存在固有的共振频率,APF的全带宽补偿及整流负载的频率变换作用可能引发此种共振,造成相关次数谐波放大。由于ZL2呈容性,Zs呈感性,在特定频率fs下,|Zs+ZL2]≈0,这将造成电网中相关频率次数谐波幅值激增,即,这将严重污染电网电流,导致邻近负载过流停机或损坏。3 解决措施

    有源电力滤波器补偿电流型谐波负载时,对邻近线性容性负载(无功补偿电容器组、无源滤波器组)和非线性容性负载(电容滤波型整流负载)的影响因素有系统阻抗Zs、容性负载交流侧阻抗ZL2、有源电力滤波器的补偿带宽。故在实际应用中,投入APF前需对现场负载环境及负载间的相对位置进行调查,必要时改变APF运行状态,从两方面避免其影响:

    (1)通过改变系统参数,可使系统谐振频率分布在一个较合理的范围内,从而避免串并联谐振的发生。包含3种方法:①在负载交流侧串联3%~5%的电抗,可减缓谐波变化率,降低系统谐波,改变系统谐振频率,使其适合有源电力滤波器使用。但在实际工程中,串入一个大电抗不方便或不被允许,这时可通过改变运行方式,使易受影响的负载远离有源电力滤波器安装点;②实际中,负载交流侧电抗不足1%,使用有源电力滤波器达不到滤波要求。基于对偶原理,在负载侧并联一个大电容来改变系统谐振频率点,其作用与串联电抗相同。在工业现场仅需改变系统运行方式,改变无功补偿电容组或无源滤波器组投入的组数即可达到滤波要求;③为使负载电流峰值不放大,又可实现滤波要求,不串联大电抗、不并联大电容即可实现目标。在负载交流侧并联一个适当电容,在负载输入端串入一个小于1%的电抗,可改变系统谐振频率,抑制负载电流峰值放大,满足滤波和负载电流峰值不放大的要求。

    (2)对有源电力滤波器进行改进,使原来的全带宽补偿变为有限带宽补偿,有选择谐波次数的补偿,无需滤波系统提供谐振激励源。

    一般通过改变APF的谐波检测方法来改变滤波器的补偿带宽,目前实际中应用较广泛的是选择性检测方法,包括FFT法和多重DQ法。

 

4 仿真及实验

    根据上述分析,对所提出的方法在Matlab/Simulink环境下建立仿真模型,系统参数:网侧引线电感Ls=5μH,负载侧引线电感Li=5μH,整流负载滤波电容Cdc=16 mF;LCL参数:L1=55 μH,L2=15μH,C=120μF,阻尼电阻R=0.1 Ω,开关频率fsw=7 kHz,并联无功补偿电容器C=0.47 mF。实验波形如图4所示。 

 

    图4a示出有源电力滤波器补偿相控整流负载后(触发角为30°),对邻近容性非线性负载及电网电流造成影响的波形图。有源滤波的投入可很好地抑制相控负载的电流谐波,但其造成了整个电网电流谐波的增大,有源电力滤波器投入后容性非线性负载峰值电流由I 825 A增加到2 104 A。图4b示出有源电力滤波器补偿不可控整流负载(触发角为零)时,对邻近容性非线性负载及电网电流所造成影响的波形图。触发角带来的延时改变了相控负载电流谐波的相位,也影响了总电网电流的谐波分布。触发角为30°,APF未投入运行时,电网电流THD=14.8%,APF的投入破坏了平衡,使电网电流THD=28.4%;触发角为零时,电网电流THD=35.7%,APF投入后电网电流THD=24.6%。但容性非线性负载峰值电流由1798 A变为2 101 A。

    相控整流负载中,触发角的存在会导致负载电流波形滞后,同时引入大量无功功率和切角,造成波形严重畸变。切角带来高电流变化率的谐波,会造成APF补偿困难。 

 

    

    进行了现场就近补偿200 kVA中频炉所产生的谐波和无功实验,中频炉为相控整流负载,其周围存在大量其他负载。现场需关注APF投入前后的影响。图5示出补偿前中频炉电源电流iL和补偿后电网电流is波形。可见,在无任何无功补偿电容的情况下,APF的投入易导致容性非线性负载过流损坏,实际现场中由于其在10 kV I母线和II母线间有12组无功补偿电容,改变运行方式后可可避免此问题。表1为补偿后is谐波及其THD,APF可很好地补偿谐波和无功,钳形表和人工监测显示邻近容性非线性负载变频器电流并无变化。

 

5 结论

    针对实际应用中并联型有源电力滤波器对相邻负载及被补偿负载的影响进行研究,得到以下结论:①由于相控整流负载的频率变换效应,并联有源滤波器在补偿这类电流型谐波源时效果有限,且易引入频率扰动而影响其他负载;②并联型有源电力滤波器就近补偿电流型谐波源负载时,对邻近负载会造成谐波放大、峰值过流的问题,特别是对邻近的线性和非线性容性负载,故需选取合适的安装点;③可通过只补偿无功或限制带宽的方法,或改变现场的运行方式(利用存在的无功补偿电容器组)来减小甚至消除并联型有源电力滤波器对相邻负载或被补偿负载造成的影响。仿真和实验结果验证了所提方法的正确性和可行性。应用该方法可有效保证并联型有源电力滤波器运用在包含容性非线性负载场合时,负载交流侧电流峰值不增大,同时有效抑制电网中的谐波电流。

 


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