电力电容器zw

第 38 卷第 5 期 :0033-0036 2017 年 10 月 电力电容器与无功补偿 Power Capacitor & Reactive Power Compensation Vol.38,No.5:0033-0036 Oct. 2017 DOI:10.14044/j.1674-1757.pcrpc.2017.05.007 有源电力滤波器最小直流侧电压优化控制 李辉 1, 袁婷婷 (1. 武昌工学院, 湖北武汉 430065;2. 平高集团, 北京 100084) 2 摘要 : 直流侧电压控制是有源电力滤波器 (active power filter,apf) 的关键技术之一, 直接关系到 APF 的稳定运行 补偿效果和功率损耗 为了保证 APF 的运行和补偿效果, 并有效地减小由直流侧电压产生的功率损耗, 本文从无功功率传递的角度, 提出一种优化的直流侧最小电压控制策略 该策略可以根据负载无功功率变化的情况, 实时计算出最小直流侧电压值, 在保证 APF 补偿效果的前提下有效地减小系统功率损耗 通过软件仿真和样机实验, 验证了所提出策略的可行性和优越性 关键词 : 有源电力滤波器 ; 无功功率 ; 补偿效果 ; 功率损耗 Optimize Control of Minimum DC Side Voltage for Active Power Filter LI Hui 1,YUAN Tingting 2 (1. Wuchang Institute of Technology,Wuhan 430065;2. Pinggao Group,Beijing 100084) Abstract: DC side voltage control is one of the key technologies in APF,and it is directly related to the stable operation,compensation effect and power loss in APF. In order to ensure the operation and compensation effect of APF,and effectively reduce the power loss generated by DC side voltage,an optimal DC side minimum voltage control strategy based on transfer reactive power is proposed in this paper. The proposed strategy can calculate the minimum DC side voltage value in real-time according to the change of the load reactive power,and effectively reduce the power loss under the premise of ensuring APF compensation effect. Through the simulation and prototype experiment results,the feasibility and superiority of the proposed strategy are verified. Keywords: active power filter;compensation performance;power loss;reactive power 0 引言随着电力电子技术和工业的发展, 越来越多的电力电子装置应用于电力系统中 由于电力电子装置的非线性特性, 使其向电力系统注入大量的谐波电流和无功功率, 这使得电网负载侧上的电能质 [1] 量成为电网所要面临的关键问题之一 有源电力滤波器 (active power filter,apf) 通过向电网注入与原有谐波电流大小相等方向相反的补偿电流, 可以补偿电网的谐波与无功功率, 提高电能质量, 增强电网的可靠性和稳定性, 其良好的性能在国内外引 [2] 起了广泛关注 直流侧电压控制是 APF 的关键技术之一, 为了保证 APF 能正常运行及输出补偿电流的跟踪性能, 达到理想的谐波治理效果, 直流侧电压必须保持在 [3] 设定的一个足够高的值上 然而, 直流侧电压越高, 需要的直流侧电容耐压值更大, 也将产生更大 [4] 的系统电能消耗 开关噪声和开关损耗 为了保证 APF 的运行和补偿效果, 并有效地减小由直流侧电压产生的功率损耗, 最小直流侧电压的概念被提出并应用到 APF 上, 取得了理想的效果 文献 [5-7] 讨论了 APF 的最小直流侧电压取值, 在此基础上, 文献 [8-10] 提出了最小直流侧电压自适应控制策略, 在确保 APF 稳定运行和补偿效果的前提下, 使得直流侧电压始终随着电网电压 系统参数 负载谐波 传输能量等的变化而自适应地保持在设定的最小值, 有效地减小了因直流侧电压产生的系统功率损耗 为了进一步深化 APF 直流侧电压最小值控制策略的研究, 拓宽直流侧电压最小值控制策略的应 收稿日期 :2017 06 26 基金项目 : 湖北省教育厅科学技术研究计划项目 (B2015257) 33

2017 年第 5 期电力电容器与无功补偿第 38 卷 用范围, 本文从无功功率传递的角度, 提出一种优 化的直流侧最小电压控制策略 所提出的控制策 略使得直流侧电压指令值能随着负载的无功功率 变换而自适应调整到最小值, 有效地减小由直流侧 电压产生的功率损耗 通过软件仿真和 APF 样机 实验验证了所提出控制策略的有效性与实用性 1 三相四线制 APF 结构及功率传递模型推导 三相四线制电容中分式并联型 APF 拓扑结构 如图 1 所示 图中 :U sa U sb U sc 为三相电网电压 ;i sa i sb i sc 为三相电网电流 ;i La i Lb i Lc 为三相负载电流 ; i ca i cb i cc 为 APF 输出三相补偿电流 ;L 为 APF 的三 相输出电感 ;R 为 APF 交流侧电感的附加电阻 ;C 为 APF 直流侧的电容 ;U dc 为 APF 直流侧电压 Fig. 1 图 1 三相四线制 APF 系统结构 The system structure of three-phase four-wire center-split shunt APF 图 2 为 APF 的单相等效电路, 并以感性无功功 率为正 U s 为电网系统电压 ;i s 为电网电流 ;Q s 为电 网侧无功功率 ;Q c 为 APF 直流侧电容的无功功率 ; Q l 为 APF 输出电感上的无功功率 ;Q L 为非线性负 载侧的无功功率 根据能量守恒定律和等效电路图可知 Fig. 2 Q s = Q C + Q l + Q L (1) 图 2 SAPF 单相等效电路 Single phase equivalent circuit of the SAPF 当 APF 完全补偿时,Q s = 0, 由此可得 Q C = -Q L - Q l (2) 所以, 在实际中 APF 应要补偿的无功功率为 Q Cref = -Q L - Q l = Q C - Q s (3) 对于 APF 直流侧电容, 其两端电压会有波动这 是无法避免的, 因此, 直流侧的电容储能为 W C = 1 2 C ( U 2 - U 2 dc max dc min ) = 1 2 C( U - U ) dc max dc min ( ) C U dc ΔU dc U dc max + U dc min = 式中 ΔU dc 为 APF 直流侧电压波动值 (4) 由式 (4) 可知, 当系统参数确定时, 电压波动和 电容电压共同对补偿性能造成影响, 由此可得 ΔU dc U dc Q Cref f C (5) 由式 (5) 可知, 当负载无变化时, 直流侧电压升 高, 电压波动减小, 但对于器件来说, 功率损耗增 加 ; 直流侧电压降低, 电压波动则升高, 当电压波动 超过电容的限定值时, 可以看作是变换器工作失 稳 因此, 为得到最小的工作电压, 应当将电压波 动值调节至电容可以稳定工作的最大值, 且这一数 值应当随电压等级或补偿等级而变化 因此, 可设定控制直流侧最小参考电压为 Q U dcmin.ref = Cref (6) fckδu dc APF 的开关损耗包括开通损耗和关断损耗, 其 表达式如式 (7) 所示, 式中 U dc I cm I cn t Rn t Fn 和 f sw 分 别为直流侧电压 最大集电极电流 额定集电极电 流 额定上升时间 额定下降时间和开关频率 由 式可知,APF 直流侧电压越高, 系统的开关损耗越 大, 反之亦然 如果在保证 APF 补偿效果的情况 下, 直流侧电压可以保持在最小值, 系统的电能消 耗和开关损耗将得到最大程度的降低 P loss = U dc I CM f SW ( 1 8 t I CM RN + t I FN ( 1 CN 3π + 1 I CM )) (7) 24 I CN 2 基于最小直流侧电压值的控制策略 由上述以无功功率关系为基础的最小直流侧 电压推导, 可以得到优化的自适应最小值直流侧电 压控制策略, 其控制框图如图 3 所示 在 dq 同步坐标系下, 无功功率 Q 和有功功率 P 的计算方式为 U sd U sq ép ù ê ëq û ú = é ë ê ùé U ú sq -U ê ù sd ûë i û ú (8) sq 然后, 由无功功率值 Q c 根据式 (10) 计算出最小 直流侧参考电压 U dcmin 为实际测量的直流侧电压值, 当负载无功功率发生变化时, 直流侧最小电压指令 i sd 34

2017 年第 5 期李辉, 等有源电力滤波器最小直流侧电压优化控制 ( 总第 173 期 ) 值也会自适应地产生变化 此外, 负载无功功率的 变化会导致计算得到的直流侧无功功率值的变化, 从而使得直流侧电压指令值发生变化 为此, 设置 负载无功功率参考等级, 使直流侧电压参考值在 10% 的负载无功功率变换范围内保持稳定, 如图 3 所示 Fig. 3 图 3 直流侧电压最小值自适应控制器 The adaptive minimum DC side voltage controller 3 仿真验证样机实验验证为了验证上述理论分析, 采用 Matlab 搭建仿真模型进行分析, 并通 APF 样机进行实验验证, 其仿真和实验参数见表 1 系统电压外环采用 PI 控制, 电流内环采用 PI+ 重复控制并联控制, 补偿电流采 [11-12] 用 SVPWM 调制策略 偿, 谐波畸变率分别降到 4.69% 和 4.55%, 均符合国标标准, 取得了很好的补偿效果, 如图 5 图 6 所示 由图可知, 采用本文所提出的直流侧电压最小控制可保证系统稳态运行及良好的补偿效果, 并有效地降低了由直流侧电压引起的功率损耗 Table 1 表 1 APF 仿真实验参数 Simulation experimental parameters of APF 参数数值电网电压 Us / V 220 电网频率 f / Hz 50 开关频率 fs/ khz 9.6 滤波电感 L / mh 0.45 电感等效电阻 R / ohm 0.2 直流侧电容 C/μF 10 000 当负载无功功率变化时, 直流侧电压和补偿电流的运行情况如图 4 所示 由图可知, 在 t=1.5 s 时, 无功功率由 45.54 kvar 降至 40.5 kvar, 直流侧参考电压由 700 V 降至 680 V; 在 t=2 s 时, 无功功率由 40.5 kvar 升至 45.54 kvar, 直流侧参考电压由 680 V 升至 700 V 相应的, 在 APF 样机实验中, 当负载无功功率分别为 45.61 kvar 及 41.54 kvar 时, 直流侧参考电压分别维持在 700 V 和 680 V, 经 APF 补偿后的电网电流几近正弦波, 原含有的谐波成本已被很好地补 图 4 Fig. 4 负载无功功率变化时直流侧电压运行情况 DC-link voltage operation when load reactive power varies 此外, 当负载无功功率从 45.61 kvar 降低到 41.54 kvar 时, 直流侧参考电压也自适应的由 700 V 降至 680 V, 如图 7 所示 由图可见, 直流侧电压指 令值能够平稳地自适应调整, 并保证了系统波形不 出现大的突变, 保证了系统的正常运行, 并使得直 流侧电压随着负载无功功率的变化始终维持在计 算的最小值 35

2017 年第 5 期 第 38 卷 电力电容器与无功补偿 4 图 5 当 Qcref =45.61 kvar 时系统电压电流运行情况 Fig. 5 APF waveforms when Qcref =45.61 kvar 结束语 为了保证 APF 的运行和补偿效果 并有效地减 小由直流侧电压产生的功率损耗 本文从无功功率 传递的角度 提出一种优化的直流侧最小电压控制 策略 该策略可以根据负载无功功率变化的情况 实时计算出最小直流侧电压值 在保证 APF 正常运 行和补偿效果的前提下有效地减小系统功率损 耗 通过软件仿真和样机实验 验证了所提出策略 的可行性和优越性 具有理论和实用价值 参考文献 1 OLIVARES D E MEHRIZI-SANI A ETEMADI A H et al. Trends in microgrid control J. IEEE Transactions on Smart Grid 2014 5 4 : 1905-1919. 2 李战鹰 任震 杨泽明. 有源滤波装置及其应用研究综 述 J. 电网技术 2004 28 22 40-43. LI Zhanying REN Zhen YANG Zeming. Survey on active power filter devices and their application study J. Power System Technology 2004 28 22 : 40-43. 图 6 当 Qcref =41.54 kvar 时系统电压电流运行情况 Fig. 6 APF waveforms when Qcref =41.54 kvar 3 王裕. 三相四线制有源电力滤波器关键技术研究 D. 通过实际实验测量 不同电压等级以及负荷下 开关管的损耗功率见表 2 由图可知 采用本文所 提出的自适应直流侧电压方法 直流侧电压可随负 载无功自适应变化 可较采用固定直流侧电压控制 时有效降低开关管损耗 从而降低了系统的总功率 损耗 提升 APF 的总体效率 4 M C WONG J T HAN Y d. Cylindrical coordinate control 广州 华南理工大学 2015. of three dimensional PWM technique in three phase four wired tri- level inverter J. IEEE Transaction on Power Electronics 2003 18 1 : 208-220. 5 LAO Kengweng DAI Ningyi LIU Weigang et al. Hybrid power quality compensator with minimum DC operation voltage design for high- speed traction power systems J. IEEE Transaction on Power Electronics 2013 28 4 : 2024-2036. 6 LAM Chiseng CUI Xiaoxi WANG Manchung et al. Min imum DC-link voltage design of three-phase four-wire ac tive power filters C //2012 IEEE 13th Workshop on Con trol and Modeling for Power Electronics 2012: 1-5. 7 WANG Yu XIE Yunxiang LIU Xiang et al. Minimum DC- side voltage design for three- phase four- wire active 图 7 负载无功功率降低时系统电压电流运行情况 Fig. 7 APF waveforms when load reactive power sudden changes 表 2 不同直流侧电压下 APF 开关管损耗 Table 2 Loss of switches with different DC side voltages 较 800 V 固定电压 负载 自适应直流 开关管总 无功/kvar 侧电压/V 损耗/W 52.8 700 22.2 27.9 58.8 740 25.8 16.2 56.9 61.7 67.4 36 720 760 800 24.3 27.5 30.8 降低损耗/% 21.1 10.7 0 power filter J. 39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society 2013: 990 994. 8 CHOI W H LAM C S WONG M C et al. Analysis of DC- link voltage controls in three- phase four- wire hybrid active power filters J. IEEE Transactions on Power Elec tronics 2013 28 5 : 2180-2191. 9 LAM C S CHOI W H WONG M C et al. Adaptive DC- link voltage-controlled hybrid active power filters for reac tive power compensation J. IEEE Transactions on Power Electronics 2012 27 4 : 1758-1772. 10 WANG Yu XIE Yunxiang. Adaptive DC- link voltage (下转第 43 页)

2017 年第 5 期 蔡儒军 等 四桥臂有源电力滤波器改进模型预测控制策略研究 control set for converters J. Proceedings of the Chinese using a discrete space vector modulation with virtual state Society for Electrical Engineering 2012 32 33 : 37-44. 15 曹晓冬 谭国俊 王从刚 等. 一种低开关频率 PWM 整流 器的满意预测控制策略 J. 中国电机工程学报 2013 12 27 69-77. vectors C //2009 IEEE International Conference on Industrial Technology 2009: 1008-1507. 18 LIU Xiang XIE Yunxiang WANG Yu. A simplified 3DSVPWM algorithm for three- phase four- wire shunt active CAO Xiaodong TAN Guojun WANG Conggang et al. A research on low switching frequency PWM rectifiers with satisfactory and model predictive control J. Proceedings of the CSEE 2013 12 27 : 69-77. 16 杜少通 伍小杰 周娟 等. 一种采用虚拟磁链模型预测 的 新 型 PWM 算 法 J. 中 国 电 机 工 程 学 报 2015 35 3 688-694. DU Shaotong WU Xiaojie ZHOU Juan et al. A novel algorithm of PWM using virtual flux model prediction J. Proceedings of the CSEE 2015 35 3 : 688-694. 17 VAZQUEZ S LEON J I FRANQUELO L G et al. 总第 173 期 power filter C // 2014 17th International Conference on Electrical Machines and Systems 2014:1457-1462. 作者简介 成美丽 1987 女 工程师 从事变电站设计及其智能 化设计工作 蔡儒军 1991 男 助理工程师 从事变电站设计及其 智能化设计工作 周利柱 1982 男 工程师 从事变电站设计及其智能 化设计工作 史丽萍 1964 女 教授 研究方向为电能质量分析与 控制技术 Model predictive control with constant switching frequency (上接第 36 页) control for shunt active power filter J. Journal of Power 2015 43 8 21-28. Electronics 2014 14 4 : 764-777. WANG Yu LIU Xiang XIE Yunxiang. Optimization de sign of three-dimensional space vector pulse-width modu 11 邹志翔 王政 程明 等. 双模结构重复控制器在单相并 联有源滤波器中的应用 J. 中国电机工程学报 2013 lation strategy for three-phase four-wire system J. Jour 33 36 88-95. ZOU Zhixiang WANG Zheng CHENG Ming et al. A hy brid current regulation scheme for single-phase active pow er filters based on dual- mode structure repetitive control J. Proceedings of the CSEE 2013 33 36 : 88-95. 12 王裕 刘翔 谢运祥. 三相四线制系统 3D-SVPWM 调制 策略优化设计 J. 华南理工大学学报:自然科学版 nal of South China University of Technology Natural Sci ence Edition 2015 43 8 : 21-28. 作者简介 李辉 1980 女 讲师 研究方向为电能质量治理与电 力电子技术 袁婷婷 1982 女 工程师 从事电力电子技术技工 作 43