基于基波磁通补偿的三相有源电力滤波器

　

摘要：电力电子装置和非线性负载的广泛应用使电力系统产生了大量的谐波。电力系统谐波已经成为电力系统的一大公害，也是近10年来国内外专家和学者普遍关注的问题。文献提出了一种基于变压器基波磁通补偿(FMFC）的串联混合型有源电力滤波器，通过检测变压器一次侧的基波电流，并采用电压型PWM逆变器产生一个基波补偿电流、将此补偿基波电流注入串联变压器的二次侧，当二次侧注入基波电流和电网电流中的基波成分满足基波补偿条件时，串联变压器对基波呈现变压器一次侧漏阻抗，而对谐波呈现励磁阻抗。这种有源滤波器仅仅提高了系统对谐波的阻抗，从而迫使谐波电流流入无源滤波器支路、真正起到了谐波隔离作用。

关键词：基波磁通补偿 三相有源电力滤波器
1 引言

　　电力电子装置和非线性负载的广泛应用使电力系统产生了大量的谐波。电力系统谐波已经成为电力系统的一大公害，也是近10年来国内外专家和学者普遍关注的问题。文献提出了一种基于变压器基波磁通补偿(FMFC）的串联混合型有源电力滤波器，通过检测变压器一次侧的基波电流，并采用电压型PWM逆变器产生一个基波补偿电流、将此补偿基波电流注入串联变压器的二次侧，当二次侧注入基波电流和电网电流中的基波成分满足基波补偿条件时，串联变压器对基波呈现变压器一次侧漏阻抗，而对谐波呈现励磁阻抗。这种有源滤波器仅仅提高了系统对谐波的阻抗，从而迫使谐波电流流入无源滤波器支路、真正起到了谐波隔离作用。但文献仅仅是为了验证原理而设计的滤波装置，其容量设计得很小；同时，该文仅就单相系统进行了分析，但是在实际中的谐波源大多为三相结构。因此，文献的滤波装置无法满足实际工程的需要。
　　本文在单相有源电力滤波器基础上研制出一套基于基波磁通补偿的三相滤波系统、分析了其主电路结构、设计了串联变压器及无源滤波器参数，对电流控制的参数进行了分析计算，现场运行及在武汉高压研究所试验结果表明该三相有源滤波器具有优良的滤波效果，而且在无源到有源之间可平稳过渡。 2 三相有源滤波器原理结构
图1 为基于基波磁通补偿的三相有源电力滤波器原理结构图。


图1 基于基波磁通补偿的三相有源电力滤波器原理图
　　图1中μa，μb，μc为380V系统电压；Zas，Zbs，Zcs为系统阻抗；T1，T2，T3为3个独立的单相串联变压器，其一次侧串联在电网和谐波源之间，二次次侧均与3个独立的电压型逆变器接在一起，3个逆变器共用一个直流电源Ud（来源于120V三相交流电整流）；三相系统中主要是5，7，11等次谐波，因此无源滤波器只设立了采用星形接法的5次和7次支路；滤波源为三相不控整流装置；负载电阻为湖北追日电气设备有限公司专门提供的液态电阻；Ld和Cd用于抑制逆变器产生的高频谐波。整个电流控制电路和逆变器电路用于产生基波补偿电流。当逆变器出现故障时，为了不影响负载正常运行，可将变压器的二次侧短路，因此图1中加入一个接触器用于短路变压器二次测，以保护逆变器装置。
　　本文的三相电路结构不同于文献中的结构，逆变器和串联变压器完全独立，每相单独成果控制，主要考虑实际的三相系统中可能有一定的不对称性，3个独立的串联变压器之间没有耦台，控制简单方便，在实际中可将每相设计成完全一样的模块。
3 系统参数设计与仿真

　　根据基波磁通补偿的有源电力滤波器的新原理，考虑图1三根系统中的一相，变压器一次侧对基波呈现很小以致可以忽略的一次侧漏抗，而对谐波呈现一次侧励磁阻抗。在低压380V三相系统中、系统等效内阻抗可以忽略不计。设串联变压器基波励磁阻抗为Zp，当控制系统满足基波磁通补偿条件时，串联变压器基本不增加系统的基波阻抗，而对n次谐波的阻抗nZp。为了改善系统的滤波效果，串联变压器的励磁阻抗不能太小。而在图3所示的谐波源中，功率因数一般都很高，因此不需补充无功，故滤波电容器可以设计得小一些。综合考虑串联变压器的励磁阻抗和无源支路，并运用MATLAB进行仿真，当串联变压器的基波励磁阻抗Zp取为6.28Ω，无源支路C5=30μF，L5=13.5mH，C7=20μF，L7=10.35mH时，加滤波器之前的系统电流和电流波形如图2所示，而加滤波器之后的系统电压和电流波形如图3所示。整个系统的滤波效果非常理想，其功率因数接近于1。

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