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50kVA变频调速器谐波的混合有源滤波

时间:2017-07-13 10:30 来源:未知 作者:源创电气

    1 引言
 
    电机是最典型的耗能设备之一。随着电力电子技术的发展,变频调速器已成为电机的主要驱动设备。目前,应用于现场的变频调速器多数并不具备自主谐波抑制能力,是典型的非线性设备和谐波源。
 
    谐波对整个电力系统的安全、输变用电设备、继保、计量、通信设备等存在恶劣影响。而且,有越来越严重的趋势_j ]。这一问题,已引起了广泛的重视。许多国家及地区已经制定了各自的谐波标准。我国也分别于1984年及1993年通过了“电力系统谐波管理暂行规定”及“电能质量公用电网谐波”(GB/T一14549— 93),用以限制供电系统及用电设备的谐波污染。
 
    在我国,虽然目前电力电子装置应用不如发达国家普及,但在工业现场,也有因谐波而无法给多台电机安装变频器和无法使用计算机网络的事例。本文将试图展示我国工业现场电网谐波状况一斑,并提出一种 昆合有源滤波器的治理方案。
 
    2 变频器谐波及其特征
 
    采用PWM 技术的变频调速器,一般具有AC—DC—AC(交一直一交)的能量变换环节,其AC—DC环节以容性滤波的相控或不控整流居多。众所周知,它将向电网吸取大量奇次谐波。图1b所示为这类谐波源的谐波主要波形特征。
 
    通过对不同容量、不同运行频率时的测试表明:变频器(组)引起的谐波电流相当严重。电流总谐波畸变率THD (相对基波I )为46.5 ~157% ,有的甚至高达220 。这大大超过IEEE一51 9标准关于配电系统规定5 ~2O 的限值。当然,注入电网的谐波电流绝对值也将大大超过国家标准值。一个典型的变频器相电流及其频域分析波形如图1。
 
    从以上结果可见:工业现场变频器组引起电流谐波状况恶劣,虽然随输出频率和变频器容量上升相对谐波有下降趋势,但下降幅度有限。在所有测试样本中,电流畸变率丁HD 均在46.5 以上,(相对总电流THD R也在42 以上),仍然大大超过标准值。
 
    较大的谐波电流注入电网,将会引起电压畸变。只有在负载容量相对系统容量较小(如<10 )时,引起的电网电压谐波较小。测试现场就属于这种情况,见图2a。图2b为截止频率 一1.5 kHz数字滤波后的电压波形,接近纯净正弦波。说明谐波中以高次谐波为主。其频域电压及频谱分别如图2c、图2d。相电压谐波的主要参数如下:谐波电压含量为己T < 8V;电压总畸变率(相对基波)为THD <3.5 ,(0.38 kV 系统标准极限值为5 l_4 );单次谐波含有率(相对基波)为HRUh<1 ,(HRU 最大,其余<0.5 )。
 
    显然,这是工业电网安全的必要保证,是以牺牲系统容量为代价的。当大量使用变频器之类的非线性负载时,将导致电网电压的明显畸变。这是变频器负载电网谐波特征。
 
    此外,这类负载谐波的另一个特征是谐波容量变化范围大(10% ~1()()%)。变频器输出功率变化范围大。而非线性负载的谐波可视为幅值与负载呈比例的谐波电流源。在所有负载工况下,这类负载谐波被抑制到一定的标准之内,在谐波抑制的实现上是要采取特殊措施的。
 
    3 变频器谐波混合有源抑制
 
    为了解决电力电子等非线性负载所带来的日益严重的谐波问题 ,近年来,许多有源电力滤波器(APF)方案被提出,并逐步地得到应用.以克服无源滤波(PF)的许多不足一 。在这之中,一种F.Z.PENG提出的串联混合型滤波器(SHAPF)一 ,以它卓越的滤波性能和较小的APF容量(典型值为负载的5 )及较省的投资得到了广泛的关注。
 
    然而,对上述变频器负载谐波变化范围大、以及电网谐波较大和保护困难 等因素,事实上,仅有美国将它用于实际电力系统的报道 。针对1台5O kVA变频调速器的谐波,提出一种性能优、成本低、易实现、工作可靠的HAPF。其原理等效图,如图3。图3b和图3c分别是其基波和谐波等效电路。各变量的含义及方向(斜体变量均为向量,以下同)定义如图3。
 
    其中,有源部分APF实现为一个受控电压源,它对谐波呈阻值为k的阻抗,而对基波阻抗为零。PF通常由5 ,7 I C调谐滤波器及一高通组成。一般的谐波抑制系统以抑制非线性负载产生的谐波电流( —— 负载谐波电流)对电网支路的污染( — — 电网谐波电流)和电网的谐波电压( )对负载的影响( —— 负载侧谐波电压)为目的,可表达为
 
    可见,点值较大,对抑制效果有利。当点》lz+zF 时,I ≈ O, I 】 ≈ 一zF· l1c然而,实现HAPF的方案时,点并不能太大,这是因为大点值意味着大容量的APF,和系统稳定余量减小。
 
    当负载变化范围大时,有如下问题。
 
    1)无功容量与谐波容量问题。一般PF中电容器额定电流应满足最大负载工况的要求,它引起的容性基波电流在轻载时不可接受。
 
    2)抑制效果与稳定问题。轻载时,APF、PF等设备利用率低,闭环环路放大倍数小,系统稳定余量大,而电网电流畸变率一般定义为丁HD 一I sh/( “, 分别为电网谐波电流和电网电流均方根值),由于此时电网电流小,大的点对较小的THD 有重要贡献;而重载时则相反,要求点应保证系统稳定、APF的不过容,而且此时电网电流较大,丁HD 容易满足。
 
    本文采用专门设计的PF和对环路参数点的自适应控制,能较好地解决上述问题。
 
    此外,如果APF用谐波发生器的DC环节的能量系统自动平衡,则对于负载电流变化范围大的变频器系统,其控制的自适应也是必要和有效的。对此,本文不再详述。
 
    3.1 多组无源滤波器(PF)设计
 
    PF是一组I C调谐滤波器及一高通。在负载范围变化时,下述条件必须满足。
 
    条件1: ≥ 、 ,这里 、 为PF电容器的额定电流,ICM为实际流过滤波器的基波无功与谐波电流向量和的最大值。而后者由负载电流及其畸变率丁HD 决定。
 
    条件2:由于PFs的引入所产生的基波无功电流 f 必须尽可能地小。而If 一U ·2refo·C这里 和 为系统额定电压和基波频率。Ifr-C的关系曲线如图4a所示。
 
    由于介质发热的原因,在电容器制造工艺中,c /uF(电流/微法)是一个重要而有限的指标,称为K 。因此,对一定容量系统, c 一定,其K 一C曲线如图4b所示。
 
    可见,为了满足条件1,电容值c不能太大,即在图4a的虚线左侧区域;同时,为了满足条件2,从图4b可见,小c值,大K 的电容器是必需的。一般电力电容器或滤波电容器的有关标准和产品中,K 参数值十分有限。不仅难以满足上述要求。而且,还有体积大、成本高、利用率低、及需水冷等诸多不宜因素。该系统采用了自行设计、专业厂家定制、K 比常规产品高出一个量级(>1 A/uF)的特殊电容器,这圆满地解决了上述问颢。
 
    当然,(、值较小也有不利的方面。如PF的带’宽AB将变窄,这是由于AB一. I h一2re·/ ·RC,其中 和R 分别为单调谐滤波器的谐振频率及电阻。为较好地吸收一定频宽的谐波,一系列如5、7、11、13次等单谐滤波器是必要的,较常规SHAPF多。而且,多组滤波器间易潜在谐振。好在其容量均较小、实际中的谐振也可通过简单设计而避免,整体上仍然有较大优势。表1是一组实用的PF参数。
 
    这样的PF组,可吸收大于3O A 的谐波电流,而仅引起小于3 A 的基波容性电流。可用于具有丁HD,一50 ,容量50 kVA 变化非线性负载的SHAPF中。同时,采用这种特殊设计电容的、多组PF结构的SHAPF,与其它目的在于减小基波无功电流的方法(如2阶PF)相比,可以不用大容量的电容或电感。
 
    3.2 参数k的自适应控制实现
 
    从式(1)及式(2)可见:大的点值,系统补偿性能较好。然而,由于前述原因,实际点值一般在2~ 8之问。图5为一种能根据负载大小自动调整环路参数的控制方法的K一 曲线及其实现电路框图。这将有利于保证重载时的谐波指标和系统稳定的同时,在轻载时充分发挥系统PF和APF的容量,在 较小时,也能有较小的 / 一般取一次的调整迹线即可满足要求,如取
 
    式中:L , 分别为k的上限和下限值,决定于APF容量、系统的稳定余量及抑制指标等,分别对应于轻载(10 )和重载(90 )点; 为负载相电流 的最大准峰值;G为除自适应环节外的环路倍数。
 
    其实现方框图包括:准峰值计算、低通滤波、增益调节、比较和双向限幅等单元。最后输出为调整后环路增益控制电压信号k 。
 
    4 仿真和实验结果
 
    针对1个50 kVA 的非线性负载的谐波抑制系统,按前述的PF参数和k的自适应控制方法,设电网电压有丁HD :12 的畸变的条件下,用电力电子仿真软件PSIM4.0,仿真的结果如图6
 
    从图6和图7可见,通过特殊设计的PFS和自适应调整k值,SHAPF在整个负载范围内均有良好的谐波抑制性能,PF引起的无功电流很小,也可忽略不计。THD 可从无SHAPF的85下降至1.7 以下,而 f ≤3A。
 
    验证性实验结果与仿真重复很好。图8给出了部分实验波形。其网侧电流 和负载(亦即PF)侧的输入电压 。 基本接近于正弦波。
 
    5 结论
 
    根据对工业现场用变频调速器(组)电网谐波的测试及分析,得出了电流谐波相当严重,丁HD在42 以上的定量结论,并探讨了变频器类负载的谐波特征。通过特殊设计、高电流/电容比、小容值电容器组成的、多个LC无源滤波器组的运用,采用自适应的控制HAPF环路参数k的方法,提出了一种新颖的SHAPF应用结构。给出了有关设计方法和原则。作为一个具体应用,对一个容量为50 kVA,变化范围为10 ~1()()%非线性负载的谐波抑制系统。仿真及实验均表明,用这些措施的SHAPF,在负载范围内具有系统稳定、性能良好和附加无功电流小等优点。
 
    由于本文讨论对象—— PWM 变频器,具有典型的DC功率环节,因而,提出的方法具有一般适应性。
 
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