有源电力滤波器直流侧电容的选择方法.pdf

总第 4 7卷第 5 4 0期 2 0 1 0年第 1 2期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me nt& I n s t r u me n t a t i o n Vo 1 ． 4 7 No ． 5 4 0 De c ．2 Ol O 有源电力滤波器直流侧 电容的选择方法水 张国荣 ， 陈鹏 ( 教育部光伏 系统工程研 究中心， 合肥工业大学能源研究所 ， 合肥 2 3 0 0 0 9 ) 摘要 ： 针对有源电力滤波器在应用中直流侧电容值的选择问题 ， 详细分析了有源 电力滤波器在正常工作时的能 量流动， 并基于能量守恒原理和瞬时功率理论建立 了能量平衡方程 ， 给出了直流侧电容值的选择方法。在直流 侧电压参考值确定后， 直流侧电容值由A P F 的补偿容量、 直流电压允许波动幅值共同决定。 仿真结果证明了理论 分析的可行性和正确性。 关键词 ： 有源电力滤波器； 直流侧电容 ； 能量守恒 中图分类号 ： T M 5 3 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 1 — 1 3 9 0 ( 2 0 1 0 ) 1 2 — 0 0 0 1 — 0 3 A M e t h o d o f DC- s i d e Ca p a c i t a n c e S e l e c t i o n i n Ac t i v e Po we r F i l t e r ZHANG Gu o —r o n g ，CHEN P e n g ( R e s e a r c h c e n t e r f o r P h o t o v o h a i c S y s t e m E n g i n e e r i n g Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n ， T h e E n e r g y I n s t i t u t e o f H e f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， H e f e i 2 3 0 0 0 9 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：I n t h i s pa pe r ．a i mi n g a t t h e i s s u e o f d c— s i d e c a p a c i t a n c e s e l e c t i o n i n a c t i v e p o we r fil t e r ．t he t r a ns f e r o f p o we r o f a c t i v e p o we r fil t e r i s a na l y z e d i n d e t a i l ．Ba s e d o n t he l a w o f c o n s e r v a t i o n o f e n e r g y ， a n e qu a t i o n i s di s c u s s e d a n d a me t h o d o f t h e s e l e c t i o n o f d c -s i de c a pa c i t a n c e i s d e r i v e d ．Afte r t h e r e f e r e n c e d c v o l t a g e o f t h e d c - s i d e g i v i n g ，t he d c—s i de c a p a c i t a n c e c a n b e c a l c u l a t e d b y t h e c a p a c i t y o f a c t i v e p o we r fil t e r a n d t h e r a ng e o f d c v o l t a g e flu c t ua t i o n a l l o we d ．F i n a l l y ，t he s i mu l a t i o n r e s u l t s a r e g i v e n t o d e mo ns t r a t e t h e f e a s i bi l i t y a nd v a l i d i t y o f t he c o n c l u s i o n s ． Ke y wo r d s ：a c t i v e p o we r fil t e r ，DC- s i d e c a p a c i t a n c e ，e n e r gy c o n s e r v a t i o n 0 引 言 本文基于能量守恒原理 ， 利用瞬时功率理论分析 目前 ， 由于非线性负载的大量应用 ， 谐波污染导 A P F 系统在运行时负载侧 、 交流侧和直流侧的能量流 致 的 电能 质量 问题 日益 突 出 。有 源 电力 滤 波 器 动， 建立数学模 型， 并详细分析 了直 流侧电容值的决 ( a c t i v e p o w e r f i l t e r ， A P F ) 由于能有效抑制网内谐波和 定 因素 ， 并体出计算公式。 软件仿真表明， 本文所提的 补偿无功电流而越来越受到人们的关注。 与单独使用 直流侧电容值计算方法简单实用， 效果好。 无源滤波器 ( P a s s i v e F i l t e r ) 相 比， A P F 能很好地适应 1 直流侧电容的决定因素 网内负载的变化 l 2 I 。 在三相系统中， 任意时刻三相的瞬时无功功率之 目前应用较广泛的是并联型A P F ， 它主要 由电压 和总为零 ，各相的瞬时无功功率只在三相之间交换。 型变换器通过无源滤波器连接到电网上。 变流器 的直 在A P F 中( 参见图1 ) ， 瞬时无功功率不会导致其交流 流侧储能元件为大电容 ， 在正常丁作时 ， 电容电压基 本保持不变。而直流侧电压的波动直接影a 6 3 A P F 的电 流跟踪效果。 在实际应用 中，直流侧 电容值如果选择过小 ， 将 使A P F 在补偿谐波时直流侧电压出现较大范围的波 动 ， 从而影 响补偿效果 ； 选择过大 ， 又会增加系统体 积， 加大成本 ， 造成资源浪费 】 。 国家 自然科学基金项 日( 5 0 0 7 7 7 0 1 5 ， 5 0 8 3 7 0 0 1 ) 图1 并联型有源电力滤波器系统框图 Fi g ． 1 Sy s t e m c o n fig u r a t i o n o f s h u n t a c t i v e p o we r fil t e r 一 1 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 7卷第 5 4 0期 2 0 1 0年第 1 2期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t& I ns t r u m e n t a t i o n Vo 1 ．4 7 NO ． 5 4 O De c ． 2 0 1 0 侧和直流侧的能量交换 ， 而三相的瞬时有功功率决定 了交流侧和直流侧 的能量交换 。 图1 中A P F 可以对谐波和无功功率进行补偿。利 用A k a g i ． H的瞬时功率理论 ，假设负载侧的瞬时有功 功率和瞬时无功功率分别为p h g 。 因负载电流中存在 谐波， 所以P h g 。 _中含有交流分量， 主要由直流分量p q 和 交流分量p g l l卡 6勺 成 。对于A P F 系统 ， 假设交流侧 的瞬时有功功率和瞬时无功功率分别为p 、 q 。 当A P F 只补偿无功功率时 ， A P F 的瞬时有功功率 始终为零 ， A P F 的直流侧和交流侧在任意时刻没有能 量交换 ， 直流侧 电压保持恒定。电容只需很小容量以 储存能量用于维持开关器件正常工作即可。 正常状态下 ， 电源需要提供负载所需的瞬时有功 功率和瞬时无功功率的直流分量 ， 即p q 。当A P F 只 补偿谐波时 ， 需提供谐波所对应的负载电流中交流分 量， 使电源电流对应负载电流的基波分量p 即： p A = ~ P l ( 1 ) A P F 正常T作 ， 各部分损耗之和变 化较小 ， 可视 为定值 ， 如果忽略这部分损耗 ， ~ IJ A P F 交流侧的瞬时 有功功率p 全部传递到直流侧。所以， 负载电流 中交 流分量的波动和A P F 直流侧所储存能量的波动一致 。 综合以上分析 ， 对 于一定容量的AP F ， 在正常1 = 作时直流侧容量应能保证输出负载 电流中交流成分 和维持损耗的需要 。在直流侧电压参考值确定后 ， 直 流侧电容值由A P F 的补偿容量 、 直流电压允许波动幅 值决定 。 2 直流侧电容选择 由式 ( 1 )可知 ，负载电流 中交流分量的波动和 A P F 交流侧的有功功率波动一致。直流侧 电压在参考 值附近随瞬时有功功率中的交流成分波动而波动。 在A P F 系统中，各部分的损耗之和等效为A P F 交 流侧的有功功率 ， A P F 正常工作时 ， 其变化相对较小 ， 可视为定值 ， 它X ~ A P F 交流侧有功功率的波动没有影 响。如果忽略A P F 系统内各部分损耗 ， 则其交流侧 的 瞬时有功功率全部传递到直流侧。所以， 负载电流中 交流分量的波动和A P F 直 流侧所储存能量 的波动一 致 。 假设电网电压无畸变 ， 三相电网电压对称为 ： e =x／2 Es i n wt eb =、 v ／ 2 E s i n ( t o t 一 2 ／ 3 r r ) e ， = E s i n ( + 2 ／ 3 订) ( 2 ) 一， ) 一 三相三线制 电路中， 三相负载电流对称为： = ∑ s in ( n x o t + q ~ ) i ∑ s i n [ ( 一 2 ／ 3 霄 ) + ， ] i = ∑ n [ n ( ∞ + 2 ／ 3 1 T ) + ( 3 ) 式中O J 为基波角频率 ； n = 3 k + l ， 为整数 ， 为0 时 ， 为 1 。 根据瞬时功率理论 ， 计算负载 电流 中的瞬时有功 功率 ： 。 p L = 3 E l ,c o s ( 一 ， ) + 3 E ∑ s 【 ( 1 干 n ) ￡ 干 ( 4 ) p L = 3 E 1 l c o s ( ~ 1 ) ( 5 ) 3 E ∑ s [ ( 1 -T - n ) ( EJ 干 ( 6 ) 由式 ( 1 ) 可知 ， A P F 的直流侧所储存 能量 的波动 频率和p 的波动频率相同，即为基波频率的3 的整倍 数。根据能量守恒原理 ， A P F 直流侧 电容波动时释放 的能量和负载有功电流 中的交流成分吸收的能量相 等 ， 有 ： 』 P t d I d + △ ，2一c ( u l- a u ) ( 7 ) 式中7 1 为波动周期 ； C 为直流侧电容值 ； U d 为直流侧 电 压参考值 ； A t U 为直流侧电压波动幅值的一半 。 取大波 动周期 3 。 ， 为基波周期。 所 以 ： 一 4 ∞ f 3 E ∑ c o s [ ( 1 -T - n ) w t T q ~， ] c ： ： 竺 ! ( 8 ) 2 U g l U 当 ≥2 fl ~， 有 ： 一T ． ／ 4 ∞ f 1 ． 1 f 3 E ‘ c 0 s [ ( 1 干 忍 ) w t T -q ~， = 0 一T 。 ／ 4 】 这样 ， 有 ： 0 伯 ％ 一 I 、 J J 3 ／ c o s [ ( 1 干 n ) ￡ 干 5 D ] =j 3 E [& c o s ( 3 to t ~ P 2 ) + 一 n 一 。 s ( 3 w ／ + q ~ 4 ) 1 = — 2 x — 3 E _ l ( I ～2 + ／ 4 ) ( 9 ) 式( 9 ) 中3 E ( ， ’ + ， 4 ) 可近似看成A P F 的补偿容量s 。 由此 ， 式( 8 ) 可化简为 ： 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 7卷第 5 4 0期 2 0 1 0年第 1 2期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t＆ I n s t r u m e nt a t i o n Vo 1 ． 4 7 No ． 5 4 O De c ． 2 0 1 0 c： 3 0 0 1 v x U ~U ( 1 0 ) 由式( 1 0 ) 可知 ， 在A P F 补偿容量 、 A P F 直流侧 电容 电压参考值和电压允许波动范围确定后 ， 电容的最小 容量就确定。当实际电容大于计算值时 ， 电容电压的 波动幅值会减小； 反之亦然。 也说明， 电容值的大小与 开关频率 、 A P F 连接的滤波电感大小等因素无关。 3 设计举例 设计3 0 k V A的有源电力滤波器 ， 直流侧电压参考 值为8 0 0 V， 由式( 9 ) 可得 ： c： ： ： 4． 0 f mF) 3 0 0 ~x UAU 3 0 0 "r r x 8 0 0 x l 0 、 4 仿真分析 在MA T L A B ／ s i m u l i n k 仿真软件中建立模型 ， 如图2 所示。仿真参数如下 ： 三相 电网电压2 2 0 V ／ 5 0 H z ， 负载 为三相不控整流桥带阻感负载 ， R。 2 Q， L = 1 0 mH。 A P F 与电网连接 的滤波电感L = 0 ． 6 m H， 变流器直流侧电压 U d = 8 0 0 V， 直流侧电容C = 4 mF 。A P I ~． 置为只对电源电 流中谐波进行补偿。 图2电压源并联型有源电力滤波器仿真模型 图 Fi g ． 2 S i mu l a t i o n mo d e l o f v o l t a g e —s o ur c e s h u n t a c t i v e p o we r fil t e r 如图3 所示 ， 补偿前 ， A P F 系统直流侧电压维持在 参考电压不变。补偿后 ， 直流侧 电压在参考值附近出 现波动 ， 如图4 所示。 图4 中， 直流侧 电压 的波动频率为 ( ，d Ⅳ o 5 o ． 0 S 5 0 o 6 o o 8 5 o ． 0 7 o 0 7 5 0 ． 0 8 o ． 0 8 5 0 ． 0 9 图3补偿前直流侧 电压 和电源电流i F i g ． 3 DC v o l t a g e U a a n d s o u r c e i b e f o r e c o mp e n s a t i o n o5 0． o5 5 o． o 6 o 065 oo7 o ． o75 o． o 丑 o o8 5 0 0 9 图 4补 偿后 电源 电流 i 和 直 流侧 电压 Fi g ． 4 S o u f c e i s a nd DC v o l t a g e a f t e r c o mp e n s a t i o n 基波频率的6 倍( 即3 的倍数次) 。 如图5 所示 ，直流侧电压的波动频率和负载瞬时 有功电流的波动频率相同， 说明A P F 直流侧与负载之 间存在能量交换 ， 能量交换的大小与负载电流中交流 分量的大小有关。 0 5 oo55 o． ∞oo6 5 0 ． 0 7 o． o75 o o8 0 ． o85 o． 0。 图5负载瞬时有功 电流 。 和直流侧 电压 Fi g ． 5 Lo a d a c t i v e c u r r e n t i a n d d c v o l t a g e ． 图6 中，对A P F 在不同的开关频率下直流侧 电压 的波动情况进行对 比， 从图中可清楚地发现 ， 直流侧 的波动的幅值和频率与开关频率无关 。 ( f l 0 k Hz ) 景 o 5 o 0 6 5 o o B 。 0 6 5 o o 7 n o 7 5 o o $ n o 8 6 o 9 图6不 同开 关频 率下A P F 直 流侧 电压 Fi g ． 6 DC v o l t a g e o f APF i n di f f e r e n t s wi t c h i n g f r e q ue n c i e s 5 结论 本文针对有源 电力滤波器在应用中直流侧 电容 值 的选择问题 ，基于能量平衡原理建 ( 下转第 6 4页 ) 一 3 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 7 卷第 5 4 0期 2 0 1 0年第 1 2期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e n t& I n s t r u m e n t a t i o n Vo 1 ． 4 7 NO ． 5 4 0 De c ． 2 0 1 0 4 结束语 通过对低压 自适应型接触器工作原理 的介绍及 对其应用的分析 ， 可 以得到如下结论 ： 由于低压 自适 应型接触器在供电系统中的有效应用 ， 可最大限度地 避免瞬态过电压和浪涌电流对接触器的损害 ， 有效提 高接触器各电气寿命 。特别是在电力 电容 、 电动机等 工况时避免供电质量的降低和设备的损坏。 参 考 文 献 [ 1 】 电工手册编写组． 电工手册[ M1． 第三版， 上海： 上海科学技术出版社 1 9 9 4 ． f 2 ] 林 在荣． 电子式 零投切接触 器一 无功补偿 专用 接触器『 J J ． 浙汀 电力 2 0 0 2 ， 2 1 ( 1 ) ： 3 3 — 3 5 ． L I N z a i — r an g ．An El e c t r o c o n t a c t o r W i t h o u t Ar c ： A S p e c i a l Co n t a c t o r f o r R e a c t i v e P o w e r C o mp e n s a t i o n 【 J ]． Z h e J i a n g E l e c t r i c P o w e r ， 2 0 0 2 ， 2 1 ( 1 ) ： 3 3 — 3 5 ． [ 3 ] 张若愚 ， 林在荣． 一种分相控制 的高低压 开关 电器及其控制方法 【 P 】． 中国专利 ： 公开号1 5 2 1 7 8 5， 2 0 0 4 — 0 8 — 1 8 ． 【 4 ]4李进中．并联 电容器选相同步投切技术 【 J ] ． 农 村电气化， 2 0 0 8 ， ( o 9 ) ： 6 2 -6 3 ． 作者简介 ： 林在荣 ( 1 9 4 8 一 ) ， 男 ， 高级工程师 ， 本科 ， 从事智能化测试技术研究及开 发 。 金玉麟( 1 9 6 4 一 ) 男 ， 工程师 ， 本科， 从事开关设备研发。 黄晓霞( 1 9 8 4 一 ) ， 女 ， 助理工 稃师， 大专 ， 从事智能化电器研发 。 收稿 日期 ： 2 0 1 0 — 1 0 — 1 1 ( 杨长江 编发 ) ( 上接第 3页 ) 立数学模型， 给出了直流侧电容值的选择方法。文中 详细分析了有源电力滤波器在正常工作时的能量流 动问题 ， 讨论 了与有源电力滤波器 中直流侧电容容量 的有关的各个因素 ，指出在直流侧电压参考值确定 后 ， 直流侧 电容值 由A P F 的补偿容量 、 直流电压允许 波动幅值共 同决定。仿真和实验结果表明， 该方法简 单 、 实用性强。 参 考 文 献 f l 】 王兆安 ， 杨君 ， 刘进军 ．谐 波抑制和无 功功率补偿[ M] ．北京 ： 机械 工业出版社 ， 2 0 0 5 ： 2 8 0 — 2 8 4 ． [ 2 ] 陈坚． 电力电子学一电力电子变换和控制技术[ M 】 ． 北京： 高等教育出 版社 ． [ 3 ] Wn L o n g h u i ， Z h u o F a n g ， e t a1． S t u d y o n t h e i n fl u e n c e o f s u p p l y - v o l t a g e fl u c t u a t i o n o n s h u n t a c t i v e p o w e r fi l t e r叫． I E E E T r a n s a c t i o n s o n P o w e r d e l i v e r y ， Vo 1 ．2 2 ， n o ． 3 ， 2 0 0 7 ： 1 7 43 — 1 7 4 9． I 4 】 陆秀令 ， 张松华 ， 周腊吾 ．并联 混合型有 源滤波器的主要参数设计 l J J ．电力电子技术 ， 2 0 0 8 ， 4 2 (9 ) ： 9 - 1 1 ． L u Xi u l i n g ，Z h a n g S o n g h H a ，Z h o u La wu ．Ma i n P a r a me t e r s De s i g n o f S h u n t Hy b r i d A P F [ J ] ． P o w e r E l e c t r o i c s ，2 0 0 8 ， 4 2 f 9 1 ： 9 一 l 1 ． f 5 1 陈兵 ， 谢运祥 ， 宋静娴 ．单周控 制有 源电力 滤波器关 键参数的最优选 择『 J 1 _ 电工技术学报 ， 2 0 0 8 ， 2 3 ( 7 ) ： 8 6 — 9 1 ． Ch e n B i n g ,Xi e Yu n x i a n ~S o n g J i n g x i a n ． Op t i ma l S e l e c 6 o n o f S o me I mp o r t a n t P a r a m e t e r s i n On e — C y c l e C o n t r o l l e d A c t i v e P o w e r F i l t e r [ J I _ — 6 4． — E l e c t r o t e c h n i c al J o u rna l ， 2 0 0 8 ，2 3 ( 7 ) ：8 6 — 9 1 ． [ 6 ] 张 国荣 ， 齐国虎， 苏建徽 ， 等 ．并联型有源滤波器输出 电感选择的新 方法 【 J j ．中国电机工程学报 ， 2 0 1 0， 3 0 ( 6 ) ： 2 2 — 2 7 ． Z HA N G G u o — t o n g ，Q I G u o — h u ，S U J i a n - h u i ．A N e w Me t h o d o f O u t p u t I n d u c t a n c e S e l e c t i o n i n S h u n t A c t i v e P o w e r F i l t e r『 J 】 ． P r o c e e d in g o f t h e C S E E ， 2 0 1 0 ， 3 0 l( 6 ) ： 2 2 — 2 7 ． [ 7 ] 丁凯 ， 陈允平 ， 王晓峰． 并联 型有源电力滤波器直流侧电压 的相关 问 题探讨『 J J _ 电工技术学报 ， 2 0 0 2， ( 1 0 ) ： 2 7 - 2 9 ． Di n g Ka i ， Ch e n Yu n p i n g ， W a n g Xi a ofe n g ． I n v e s t i g a t io n o n Re l e v an t P r o b l e ms for D C S i d e V o l t a g e o f P a r a l l e l A c t i v e P o w e r F i h e r【 J 1 ．E l e c t r o t e c h n i c a l J o u rnal， 2 0 0 2 ， ( 1 0 ) ： 2 7 — 2 9 ． 作者简介 ： 张国荣( 1 9 6 3 ~ ) ， 男 ， 汉 ， 江苏 张家 港人 ， 研究 员 ， 硕士 生导 师 ， 博士。研究方向 ： 电能质量控制技术 ， 电力电子技 术 ， 计算机应用技术。 陈鹏( 1 9 8 4 一) ， 男 ， 汉 ， 河北衡水人 ， 合肥工业大学硕士研 究 生。研究方 向： 电能质量控制技术 ， 电力电子技术。 E - ma i l ： i ——am— c h e n @ 1 2 6．c o r n 投稿 日期 ： 2 0 1 0 — 0 9 — 0 2 ( 杨长江 编发 ) - _ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m