关键字 |
| 电力系统谐波、有源电力滤波器、谐波缓解、电能质量、控制策略 |
介绍 |
| 电力电子设备广泛应用于工业、商业和消费环境。这些设备产生谐波和无功功率的实用系统。改善电能质量,减少谐波已成为一个重要的问题现在[1 - 4]。一般来说,无源LC滤波器用于消除线路电流谐波和提高功率因数。但是被动过滤器有许多缺点,例如固定补偿,大尺寸和共振问题。为了解决上述问题,介绍了有源电力滤波器。 |
| 电能质量可以被定义为电力与电气设备之间的交互。如果电气设备正常运行和可靠而不受伤害或有压力时,我们会说,电能质量很好。另一方面,如果电气设备故障,是不可靠的,或者是在正常使用损坏,我们会怀疑电能质量很差。电能质量决定了电力消费者的健身设备。电力系统谐波的波形是电能质量问题的主要原因。谐波有许多不良对配电系统的影响。它会导致过度的电压畸变,增加电阻或电压损失压力,减少交流电动机在电力系统效率、产品质量等。谐波生成设备的广泛使用,谐波电流的控制来维持高水平的电能质量越来越重要。谐波抑制的一种有效的方法是通过使用有源电力滤波器谐波补偿。有源电力滤波器是一种可行的解决方案,减少电流谐波和无功功率由于其体积小,不是调优和稳定运行的要求。 |
| 有源滤波器的基本补偿原则提出了1970左右。他们作为谐波电流源提供一个有效的结果,消除谐波电流补偿无功功率。 |
答:电力系统谐波 |
| 电力系统谐波基本电力系统频率的整数倍。电力系统谐波是由非线性设备连接到电力系统。谐波电压和电流频率是骑在正常的正弦电压和电流波形。谐波的存在(电流和电压)被视为影响电力系统运行的“污染”。 |
| 最常见的谐波失真来源使用开关型电源是电子设备,如电脑、可调速驱动器和高效电子镇流器。谐波波形的特点是他们的振幅和谐波数。当正弦电压应用于某种类型的负载,负载引起的电流改变不成比例的电压在每个循环周期。这些被归类为非线性负载,当前采取的将一个非正弦波形。当有显著阻抗的路径从电源到非线性负载,这些当前的扭曲也在负载的电压波形产生畸变。波形失真可以数学分析表明,它相当于其他频率成分叠加到一个纯正弦波(图2.1)。这些频率谐波(整数倍)的基本频率,和有时会向外传播的非线性负载,导致问题在电力系统。 |
| 最常见的非线性负载所产生的谐波有以下属性: |
| •低阶谐波往往支配着振幅 |
| •如果波形半波对称甚至没有谐波 |
| •大量非线性负载的谐波排放量将相同类型的添加。 |
| 图2.1显示了谐波对正常的电压或电流波形的影响[5]。奇怪的谐波波形为电力系统的不稳定作出更大贡献。在图中添加谐波的波形显示了结果的根本。 |
| 电力系统谐波的来源可以成为各种不受欢迎的影响。例如,谐波会引起信号干扰,在电压,数据丢失,和断路器故障,以及设备加热,故障和损坏。任何现代电子设备配电线路服务将包含某种程度的谐波频率。电力由非线性负载越大,造成更大的电压畸变的程度。潜在的问题(或问题)的症状归因于谐波包括: |
| •故障敏感设备 |
| •随机断路器的跳闸 |
| •闪烁的灯光 |
| •非常高的中性电流 |
| •过热阶段导体、面板和变压器 |
| •过早失效的变压器和不间断电源(ups) |
| •降低功率因数 |
| •降低系统容量(因为谐波创建额外的热量、变压器和其他配电设备无法携带完整的额定负载) |
| 此外,非线性负载产生的谐波电流会交流广泛的电力系统设备,特别是电容器、变压器、马达,造成额外的损失,过热,过载。这些谐波电流与电信线路和错误也会导致干扰计量设备。由于谐波对电能质量的不良影响,标准定义了一个合理的谐波控制的框架。谐波失真在配电系统中可以使用不同的方法抑制。其中之一是有源电力滤波器的使用。 |
有源电力滤波器(APF) |
| 在配电系统谐波失真可以抑制主要由被动和主动过滤。传统被动过滤是最简单的解决方案来缓解谐波失真。被动元素的使用并不总是正确响应的动力配电系统。被动的过滤器是导致共振,从而影响配电系统的稳定性。频率变化的配电系统和组件中的公差值影响被动滤波特性。监管要求越来越严格,被动的过滤器可能无法满足未来的特定标准的修订。这可能需要改造的新过滤器。 |
| 显著进步在电力电子刺激对有源电力滤波器(APF)的兴趣降低谐波失真。有源滤波是一种相对较新的技术,几乎不到四十年的历史。APF的基本原理是利用电力电子技术来产生特定的当前组件取消造成的谐波电流分量非线性负载。 |
| apf有许多优于被动过滤器。首先,他们不仅可以抑制电源电流谐波,但也无功电流。此外,与被动过滤器,他们不会导致有害与配电系统共振。因此,apf表演是独立的配电系统属性。有源滤波是一种相对较新的技术,几乎不到四十年的历史。仍有需要进一步的研究和发展这项技术。 |
c . APF的工作 |
| 图2.2显示了典型的APF系统及其组件连接。补偿参考信号的估计量驱动整个系统控制器。这反过来提供控制信号发生器的控制。控制信号发生器的输出控制电路通过一个合适的接口[6]。 |
| 最后,广义的电源电路框图可以连接并联,串联或并联/串联配置取决于所使用的连接电感/变压器。APF的不利但不可分割的特性是大电流的快速交换的必要性APF的电源电路。 |
| 一个有源电力滤波器可以被认为是作为电力系统谐波的补偿器。电力有源滤波器的工作主要包括三个阶段[7]。它们是: |
| 1。信号调节 |
| 2。推导的补偿信号。 |
| 3所示。代的门信号。 |
| 信号调节是指检测或感应配电线路的谐波。如图2.2,所要处理的参考信号的控制器APF的关键组件,确保正确的操作。 |
| 参考信号估计开始通过基本电压/电流信号的检测收集准确的系统变量信息。电力系统的电压和电流变量是感觉到通过潜在的变形金刚,电流互感器,电压隔离放大器等变量感觉到交流电压源,APF的直流母线电压,电压接口变压器。典型的电流变量是负载电流,交流电流源,APF补偿电流和直流母线电流。基于这些系统变量反馈、参考信号估计的电压/电流水平估计在频域或时域。 |
| 下一阶段是补偿信号从干扰波的推导由基波和谐波含量。它可以通过两种不同methods-frequency域方法和时域方法。频域方法使用傅里叶变换方法。虽然时域方法使用不同的方法如瞬时无功定理,Synchronous-Reference-Frame定理,同步检测定理,Sine-Multiplication定理,陷波滤波器方法等。 |
| 第三阶段是谐波抑制的控制信号的生成。很多像空间矢量PWM控制技术,重复控制、滞环电流控制,一个周期的控制,非周期的控制、滑模控制、模糊控制和人工神经网络方法进行了介绍,并应用于各种有源电力滤波器配置。控制信号发生器在APF的一般框图是用于此目的。 |
d . APF的分类 |
| APF可以连接在多个电源电路配置如下框图如图2.3所示。一般来说,他们分为三大类,即并联APF,系列APF和混合型APF [6] [8]。 |
| 1)并联型有源电力滤波器 |
| 这类滤波器的配置是最重要和最广泛使用的类型在有源滤波的应用程序。它连接到主电源电路,如Fig.2.4的单行的图所示。 |
| 目的是为了取消负载电流谐波的供应。它也可以导致无功补偿和平衡三相的电流,如上所述。平行过滤器只携带补偿电流的优势+少量的主动提供基本电流来补偿系统的损失。也可以连接几个过滤器并联更高的电流,使这种类型的电路适用于广泛的评级。 |
| 2)串联型有源电力滤波器 |
| 此配置中的有源滤波器产生PWM电压波形添加或减去,在瞬时的基础上,从电源电压/保持纯正弦电压波形负载。主电源电路配置Fig.2.5所示。 |
| 这样一个系统是一个附带的逆变器配置voltage-fed逆变器电流控制回路。系列活动过滤器是不太常见的工业,比并行活动过滤器。这是因为系列电路的主要缺点,即它们必须处理高负载电流,从而增加他们的额定电流明显与平行过滤器相比,尤其是在耦合变压器的二次侧。 |
| 系列过滤器的主要优势在平行的是他们理想的消除电压波形谐波、三相电压平衡。事实上,这意味着这类过滤器是用于提高系统电压质量,造福负载。它为负载提供了一个纯正弦波形,为电压特异性设备这是很重要的。 |
| 3)混合有源电力滤波器 |
| 传统技术的局限性APF和混合型APF的配置是可以克服的。他们通常的组合基本apf和被动的过滤器。混合型apf,继承的优点都被动的过滤器和apf提供改进的性能和具有成本效益的解决方案。这个计划背后的理念是同时减少开关噪声和电磁干扰。 |
| 混合型APF的理念提出了一些研究人员。在这个方案中,一个低成本的无源高通滤波器(高通滤波器)除了传统的APF。谐波滤波任务分为两个过滤器。APF取消低阶谐波,而高通滤波器过滤高次谐波。混合型APF的主要目的,因此是提高高阶谐波的滤波性能,同时提供具有成本效益的低阶谐波缓解。 |
| 如今各种混合型apf使用在电子行业,但两个最著名的Figure2.6所示。Figure2.6 (a)的系统配置混合并联APF。并联APF和无源滤波器并行连接的非线性负载。混合型APF的功能可以分为两个部分:低阶的谐波是由并联APF取消的,在更高的频率谐波由无源高通滤波器过滤。这种拓扑适合改造应用程序与现有的并联APF。 |
| 图2.6 (b)显示了APF系统配置的混合系列,系列APF的耦合接口变压器配电线路的[4]。并联无源滤波器由一个或多个单调谐LC滤波器和/或一个高通滤波器。 |
参考信号估算技术 |
| 最热门的软件部分之一(在DSP实现的情况下)有源滤波器的谐波检测方法。简单地说,它代表了一部分有能力的确定特定的信号属性从一个输入信号(电压,电流,可以或两者)通过使用一个特殊的数学算法。 |
| 不同的谐波检测算法的出现,导致一个大的科学辩论的焦点应该放在哪个部分,检测精度,速度,过滤器稳定,容易和廉价的实现等。这些方法的分类可以做到相对于数学模型的域。因此,这里所描述的两个主要方向,时域和频域方法。 |
| 表3.1说明了考虑参考信号估计技术[9]。他们不能被认为属于控制回路,因为他们执行一个独立的任务,为控制器提供所需的参考资料进一步处理。本节介绍了考虑参考信号估计技术,为每个人提供一个简短的描述他们的基本特征。 |
答:频域方法 |
| 参考信号在频域估计既适用于单系统-和三个阶段。他们主要来源于傅里叶分析的原理如下。 |
| 原则上,傅里叶变换(常规或快速傅里叶变换(FFT))应用于捕获的电压/电流信号。捕获的电压/电流的谐波成分信号首先被消除的基本组件。傅里叶反变换来估计补偿参考信号在时间域。 |
| 这种方法的主要缺点是伴随时间延迟系统变量抽样和傅里叶系数的计算。这使它不切实际的实时和动态加载应用程序。因此,这种技术只适合慢变负载条件下。为了使计算速度更快,提出了一些修改,以后练习。在这个修改后的傅里叶级数方案,只有当前计算的基本组件,这是用来区分总谐波信号和负载电流波形采样。 |
b .时域方法 |
| 时域方法是基于瞬时估计参考信号电压或电流信号的形式从扭曲和harmonic-polluted电压和电流信号。这些方法适用于单相和三相系统除了同步检测定理和synchronous-reference-frame定理,只能采用三相系统[9]。 |
| 1)瞬时功率理论 |
| 瞬时功率理论(变异)决定了瞬时功率的谐波失真计算在三相系统中,这是乘法的电流和电压的瞬时值。计算可能在αβ-coordinates完成如下的方程。 |
 (1) |
| 瞬时功率p和q的值,这是真正的各自的想象的力量,包含dcand ac组件根据现有的活动,系统中无功和扭曲的力量。p和q的直流成分代表主动和被动的权力,必须删除与高通滤波器(切割频率5赫兹- 35赫兹)仅保留交流信号。根据瞬时无功功率理论,p和q,分别分解为瞬时真实和想象的力量。计算ac-components abc-frame代表谐波失真,这是作为参考电流控制器。数字滤波器的存在又有影响的动态和准确性为整个APF [9] [11]。 |
| 这个框图的计算可能会受到影响,如果系统零序分量由于现有的不平衡。也因此,p0组件必须添加到提供一个完整的分析。其他技术基于同样的原理改善不同的其他功能,就像取消中性电流,能量的最小化存储元素,输入的预处理保持只有正序电压。 |
| 2)同步dq坐标系 |
| 同步基本dq-frame来源于空间矢量变换的输入信号,实现最初的abc-coordinates(静止参考系)传感器,然后转换成dq-coordinates(与基本频率旋转参考系)通过公园的转换方程(下图)。这里基本的dq坐标系旋转角频率。在这个框架的基本电流直流分量和谐波出现交流信号[9][12]。 |
| 让id、智商和ia ib,集成电路中的电流dq-frame abc-frame分别;θ角的参考。然后,id和智商可以表示如下所示, |
 (2) |
| 三相系统的主动和被动组件分别代表的直接和正交组件。这个定理的基本组件转换为DC数量可以很容易通过过滤分离。因此,谐波的检测成为一种消除直流信号与一个高通滤波器(切割频率之间25 Hz - 120赫兹)。 |
| 这个定理只适用于三相系统。以来的系统很稳定控制器主要处理DC数量。计算瞬时但产生时间延迟过滤DC数量。 |
有源电力滤波器的控制技术 |
| APF控制的目的是生成适当的控制信号开关晶体管的基础上估计补偿参考信号。APF的性能影响显著,控制技术的选择。因此,选择和实施的控制技术是非常重要的成就满意APF性能[10]。各种各样的控制技术,如线性控制、数字赖账的控制、滞环控制等实现对APF的应用程序。本节简要描述了考虑控制技术及其基本特征。 |
答:线性控制技术 |
| APF的线性控制是通过使用一个负反馈系统如图4.1 (a) [4]。在这种控制方案,补偿电流(如果)或电压(vf)信号与参考信号估计(ifref或vfref)通过补偿误差放大器产生控制信号。 |
| 然后产生的控制信号而锯齿通过脉冲宽度调制(PWM)信号控制器生成适当的控制信号开关晶体管。重复的锯齿的频率信号建立了开关频率。这个频率是线性控制技术保持不变。见fig.4.1 (b)门信号设置高当控制信号数值高于锯齿信号和通过。 |
| 一般来说,奈奎斯特稳定性判据和波德图是用来确定所需的适当补偿的反馈回路稳态和瞬态响应。与模拟PWM电路、响应快和它的实现很简单。然而,由于模拟电路固有的问题,线性控制技术有一个令人不满意的谐波补偿性能。这主要是由于限制实现补偿误差放大器的带宽。 |
b .磁滞控制技术 |
| APF的控制可实现磁滞控制技术。它强加一种继电器式控制瞬时控制力量和APF补偿电流(如果)或电压(vf)信号跟随其估计参考信号(ifref或vfref)在一定公差带。中显示了这种控制方案框图形式在Figure4.2。这种控制方案中,一个信号偏差(H)设计并对ifref或vfref形成磁滞带的上限和下限。如果或vf然后测量并与ifref或vfref;由此产生的错误受到滞后控制器确定控制信号,当超过设定的上限或下限(估计参考信号+ H / 2)或(估计参考信号- H / 2)。只要错误是在磁滞带,没有转换作用。切换时发生错误的滞后乐队。 |
| APF因此切换的方式补偿电流/电压信号的峰仅限于指定的乐队由H见fig4.2 (a)。滞环电流控制器实现固定H[4]更受欢迎。获得补偿电流(如果)切换涟漪尽可能小,可以减少H的价值。但它导致更高的开关频率和损失增加开关晶体管。使用滞环电流控制器的优点是其优良的动态性能和可控制性纹波电流的峰在指定滞后乐队。主要缺点是它产生不均匀的开关频率。因此,困难出现在设计无源高通滤波器。此外,有可能是一代的配电系统除了不必要的共振;不规则的切换也影响APF的效率和可靠性。 |
结论 |
| 在现代电力供应分销系统,有一个急剧上升的使用单相和三相非线性负载引起谐波干扰。有源电力滤波器是新兴的设备,它可以执行谐波消除的工作正常。首先检测到谐波干扰的电源线使用传感器,然后谐波波形是分开的基本使用参考正弦波信号估计技术。然后生成PWM信号控制目的使用任何一个控制信号生成方案。因此一个APF谐波消除提供更好的控制方法。 |
| 本文首先简要讨论谐波失真问题及其对电力系统的影响。然后评估常用的谐波检测方法和一代的有源电力滤波器控制信号的应用程序。审查和分类的工作表明,兴趣有显著增加的活跃过滤器和相关的控制方法。控制电路构成轻微活动过滤器的总成本的一部分。这是由于越来越多的担忧,对电能质量和合适的开关设备的可用性。 |
表乍一看 |
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| 表1 |
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数据乍一看 |
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| 图1 |
图2 |
图3 |
图4 |
图5 |
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| 图6 |
图7 |
图8 |
图9 |
图10 |
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引用 |
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