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一种无谐波检测的并联混合型APF的仿真研究

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2010年9月 内蒙古科技大学学报 September,2010 第29卷第3期 Journal of Inner Mongolia University of Science and Technology Vo1.29,No.3 文章编号:1004—9762(2010)03—0241—05 一种无谐波检测的并联混合型APF的仿真研究 刘 颖 ,侯少海 ,张纯江 (1.哈电集团(秦皇岛)重型装备有限公司,河北秦皇岛066206;2.燕山大学电气工程学院,河北秦皇岛066004) 关键词:有源电力滤波器;无谐波检测;谐波抑制;无功补偿 中图分类号:TM727 文献标识码:A 摘要:有源电力滤波器是可动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置,有着广阔的应用前景.然而,传统的谐 波检测算法提高了系统的软硬件成本,并且由谐波检测算法引入的延时也会对APF的补偿性能产生影响.针对有 源电力滤波器研究了一种无谐波检测控制方法,分析了其工作原理,仿真验证了无谐波检测有源电力滤波器控制 方法的有效性. Simulation research on parallel hybrid APF based on a non.harmonic detection LIU Ying‘,HOU Shao—hai ,ZHANG Chun-jiang (1.Harbin Power Plant Equipment Corporation(QHD)Heavy Equipment Co.,Ltd.,Qinhuangdao 066206,China;2.Institute of Electircal Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China) Key words:active power iflter(APF);without harmonic detecting;harmonic suppression;reactive power compensation Abstract:APF is a new electronic de6ce which can dynamically suppress harmonic,compensate reactive power and hold broad applica— tion prospects.But the traditional harmonic detection algorithms enhance the systemg hardware and software costs,and time—delay in・ troduced by the harmonic detection algorithms will have an impact on the performance of compensation.A control method without har- monic detection in APF was researched and the operation was analyzed.Simulation proves the effectiveness of this control method of non.harmonicS detection. 2O世纪70年代以来,电力电子技术得到飞速 到其补偿效果.单独使用的APF目前则在容量和成 发展,各种电力电子装置大量应用到人们的工作、生 本方面不占优势. 活中,使得电网谐波污染问题13趋严重和突出 J. HAPF兼顾PPF和APF的优点,实用化程度较 目前,消除电网谐波的方法主要有无源滤波器 高,具有初期投资小、性价比高、能满足高压大容量 (Passive Power Filter,PPF)、有源电力滤波器(Ac— 系统实用化要求等优点,是目前工程应用中主要采 tire Power Filter,APF)以及混合型滤波器(Hybrid 用的形式. Active Power Filter,HAPF)等 . 在传统的APF控制方法中,谐波实时监测对控 PPF具有低成本和高效率的优势.然而,电力系 制效果的影响很大,因此高性能、快速的检测方法一 统阻抗值的变化和PPF本身参数的偏差都会影响 直是人们研究的重点之一,高速、高性能检测方法使 } 收稿日期:2010—06—06 作者简介:刘颖(1982一),河北唐II1人,哈电集团(秦皇岛)霞型装备有限公司助理f: 师,燕山大学电气工程学院工程硕f:研究 生,主要从事燃气轮机发电 控制研究. 242 内蒙古科技大学学报 2010年9月 第29卷第3期 得控制算法的复杂程度随之提高,复杂的谐波检测 算法会占用较多的CPU时间,此外复杂算法引入系 统的延时也会对APF的补偿性能产生较大的影响, 再参考负载容量可计算得出各PPF参数如下: C5=60 F, 5=6.8 mH,R5=0.09 Q; C7:47 IxF,L7=4.4 mH,R7=0.09 n; Cl】=28 IxF, I】=3 mH,Rl1=0.09 n.. 这大幅提高了控制系统的软硬件成本 . 近年来,无谐波检测的APF控制方法引起关 注 j J.本文对检测直流侧电容电压和电网侧电流的 无谐波检测APF控制方法进行了研究,论述了其工 2.2 无谐波检测的APF工作原理 近年来,研究学者提出了无谐波检测的控制方 法,引起广泛关注和研究,比较典型的无谐波检测控 作原理,设计了并联型HAPF系统,进行了仿真验证. 制方法是单周期控制.本文对检测直流侧电容电压 1 并联型HAPF系统结构 设计的并联型HAPF系统原理图如图1所示,它 是由有源电力滤波器和无源滤波器共同形成的滤波 装置.无源滤波器主要滤除低次谐波,有源滤波器主 要滤除高次谐波.该种混合型滤波器可减小对有源滤 波器的功率要求,并可获得较好的谐波抑制效果. 图1并联型HAPF原理图 Fig.1 The schematic of parallel HAPF 仿真中使用二极管整流桥带阻感负载模拟电网 谐波电流源;根据对负载电流的谐波分析,无源滤波 器滤除5次、7次和11次主要负载谐波电流;电网 和APF变流器输出侧均用串联的电阻和电感模拟 实际系统的传输线路分布参数. 2并联型HAPF系统工作原理 2.1 PPF工作原理及设计 无源滤波器设计为单调谐滤波器.单调谐滤波 器是利用串联L,C谐振原理构成的,故滤波器对/Z 次谐波(09 =n )的阻抗为: + ( 一 ), 式中,下标 表示第n次的单调谐滤波器;09 是基波 角频率. 在谐振点处,容抗和感抗之和为0, =尺 ,因 为尺 很小,所以n次谐波电流主要由 分流,只有 较少谐波电流流入电网;而对于其他次数的谐波, z >>尺 ,滤波器分流很少. 各次数单调谐无源滤波器的参数计算公式为: n = , ×c= . 和电网侧电流的无谐波检测APF控制方法进行了 研究,图2是这种方法的基本控制结构.i 是检测的 电网电流,“ 为电网电压,“眦为检测的直流电压,它 与直流侧参考电压做差经PI调节器后再和经锁相 的单位正弦波相乘,从而得到网侧电流参考值 , 使实际的电网电流跟踪这一正弦指令从而获得正弦 的电网电流.正弦指令电流的幅值可以通过检测变 流器直流侧电容电压来获得,相位可以通过PLL(锁 相环)得到. 电流波形跟踪控制 图2无谐波检测控制方法原理 Fig.2 Basic structure of control mode without har- monic detection 直接电流控制方法具有网侧电流闭环控制,使 得变换器网侧电流动、静态性能得到提高,同时也使 网侧电流控制对系统参数不敏感,增强了控制系统 的鲁棒性. 当电流环采用PI调节器时,在两相旋转坐标系 (d,q)中的PI调节器则可实现电流无静差控制,并 且同步旋转坐标系中的指令电流为直流是不变信 号,易于有功、无功电流的解耦控制 .所以仿真中 的控制是在同步旋转坐标系下进行,如图3. 3 系统仿真 使用Matlab7.1/Simulink6.0按照图1所示的 并联型HAPF系统进行仿真.仿真系统主电路为三 相三线制,采用三相二极管不控整流带阻感负载模 拟电网谐波源.电网线电压为380 V,整流桥后的电 阻为l0 n,电感为10 mH. 刘颖等:一种无谐波检测的并联}昆合型APF的仿真研究 243 G -0. -0 .5】 = ] 图3无谐波检测APF控制框图 Fig.3 Control block diagram of APF without harmonics detection 在刁蝴APF和PPF的情况下,通过Powergui模块 单独加入专门滤除5,7,11次谐波PPF后,A相 心 ( 一一三一矗【IH I)1三 。。0 的障里叶分析功能观察负载电流波形,如图4(a)所示,负 电网电流波形如图5(a),其频谱分析如图5(b).” 5  O 载电流频谱分析见图4(b)(此时电网电流和负载电流一 从图5(b)中可以看出,加入PPF后A相电网 样),图中纵 I垒标为 l欠{皆波橱对弓墩自鼢比. 电流基波幅值为50.19 A,而加入PPF之前电网电 从图4(b)中可以看出,此时负载电流基波幅值 流基波幅值为49.66 A,可知PPF对电网基波电流 为49.66 A,THD高达26.43%,其中,5,7,11等 影响很小,其变化率为: 2n±1次数谐波占主要成分,其21.14%,11.58%和7.96%.THD分别为 50.19—49.66 49.66 ×100%=1.07%. F .j i .…... TiIll s 0 500 l 000 1 500 :000 Frequalcy:Hz 图4无补偿时电网电流波形及频谱 Fig.4 The grid current waveform and frequency spectrum without any compensation fb) Ft’equency。Hz 图5加入PPF后电网电流波形和频谱 Fig.5 Grid current wave ̄rm and its frequency spectrum when PPF was used 内蒙古科技大学学报 2010年9月 第29卷第3期 : I1至毒P1Il 0。乞甚叫占 lm O 总THD降低为3.49%,5,7,11次谐波得到较好抑 制. 网电流波形如图6(a),其频谱分析如图6(b).从图 6(b)中可以看出,5,7,11次谐波下降到很低,电网 电流总THD为0.29%,近乎理想,达到预期目的. 再次加入APF,即同时使用PPF和APF时,电 Flequealc) ̄Hz 图6同时加入PPF和APF时电网电流波形和频谱 Fig.6 Grid current waveform and its frequency spectrum when PPF and APF were used simultaneously (a) H吓windox ̄ :4 of 10 q’des ofselected s h1l 在并联型HAPF中,PPF的A相输出电流频谱 分析如图7.并联型HAPF中APF部分的A相输出 电流频谱分析见图8. Fmtdam atalr 50}Iz)=11 39 THD=25 58o …….・.-I i。..。 I.。 0 200 400 .I.。.。..I— I_……一 600 800 l 000 I. F1eqllencyI-Iz 图7 PPF的A相输出电流频谱分析图 Fig.7 Frequency spectrum of phase A in passive filter FtequencyI-1.z 从图7,8中看到,无源滤波器组A相输出电流 中含有的谐波主要为5,7,11次,有源滤波器组A相 图8 APF的A相输出电流和频谱 Fjg.8 Current waveform and frequency spectrum of phase A in APF 输出电流中含有的谐波主要为5,7次,11,13次和 l7,l9次.无源滤波器A相输出电流基波为11.39 A, 而有源滤波器A相输出电流基波为5.999 A,约为无 4 结论 本文介绍了PPF和APF的优缺点,对兼有两种 技术优点的混合滤波器也进行了简要介绍.设计了 单调谐无源滤波器,重点研究了一种无谐涉检测的 有源滤波器拧制方法,给出了基于旋转坐标系下的 控制框图,仿真验证了这种无谐波检测控制方法是 有效的.这种控制方法不需要检测谐波,在一定程度 源滤波器输出电流的一半,从而降低了对有源滤波器 容量的要求,降低了APF的成本. 从并联型HAPF系统的各仿真可以发现,在加 入PPF和APF后的电网电流基波幅值与未加入 PPF和APF时变化不大,其变化率为: ×100%:1.47%. 上简化了控制算法,降低了对控制系统软硬件的要 刘颖等:一种无谐波检测的并联混合型APF的仿真研究 (5):26-72. 245 求.配合无源滤波器,一方面可减小对有源滤波器的 功率要求,另一方面可获得较好的谐波抑制效果,有 很好的应用前景. 参考文献: [1]吴非,张延迟,解大,等.电力有源滤波器的技术 现状[J].华东电力,2006,34(7):71-74. E2; 李达义,陈乔夫,贾正春.电力系统谐波源的种类和滤 波方法综述[J].电气传动,2005,35(12):3-7. 1-43袁敞,王晓钰,刘进军,等.串联型有源滤波器的一 种无谐波检测的新型控制方法研究[A].中国电源学 会第十七界学术年会论文集[c].合肥:中国电源学 会,2007.213-216 E53王晓钰,刘进军,袁敞.并联型有源电力滤波器控制 方法的统一描述及对比研究[A].中国电源学会第十 七界学术年会论文集Ec3.合肥:中国电源学会,2007. 245-248. -13-]李凤祥,赵不贿.谐波抑制和无功功率补偿技术的研 究与应用[J].电力系统及其自动化学报,2001,13 [63张崇巍,张兴.PWM整流器及其控制[M].北京:机 械工业出版社,2003.10:221-243 , “ ” 。 ” ” 。 。 。 ” ” ” “ “ ” ” 一卜 ” 。 ” “ 。 。 ” 。 。、 :知识窗 ; ; : ; { j ; ; } 科学分析能耗结构 不断降低烧结能耗 目前,国内外烧结生产企业在降低固体燃耗方面主要有采取以下几种途径. : ; { { { ; ; 一是提高料层厚度.生产实践证明,烧结料层厚度对于提高产量、降低能耗具有重大影响.通过提高; 二是采取燃料分加,改善固体燃料的燃烧条件.加强原料的混合制粒后,传统的燃料添加方式会造; t料层厚度,充分利用烧结过程的自动蓄热,可以降低烧结料中的固体燃料用量. {成矿粉深层包裹燃料,影响燃料颗粒的燃烧.通过把燃料在一混、二混分别添加,以燃料为核 t ̄,J'l-裹矿粉{ I的颗粒数量和深层嵌埋于矿粉粘附层里的燃料数量都会受到限制,而大多数燃料附着在球粒表层,甚至; }明显暴露在外,从而处于有利的燃烧状态.因此,燃料分加有利于燃料的充分燃烧,可改善燃烧效果,降{ ;低固体燃耗. ; { 三是偏析布料与双层配炭烧结.烧结料层的自动蓄热作用会使下部料层温度高于上部料层.生产实{ j ;践证明,上层烧结温度一般仅为1 100~1 200℃,最下层则可高达1 600 oC.采用偏析布料和多层配炭烧{ j结不仅能够避免烧结料发生过烧,而且可以降低固体燃耗. ; 四是提高混合料温度.烧结混合料温度较低时,水汽在料层中会形成过湿现象,使烧结料层透气性; ; j变差.提高混合料层温度,除水汽在料层中的冷凝量,改善料层的透气性,使燃烧速度加快,台时产量提j ;高.并且由于部分显热可部分代替固体燃料的燃烧热,因此也可降低固体燃料的能耗. j 五是强化制粒.强化混合料制粒是强化烧结生产和节能的主要手段之一,须予以高度重视,强化制! }粒工艺,改善混合料的粒度组成,减少混合料中小于3 mm粒级的含量,增加3 mm~5 mm粒级的含量,{ !使混合料粒度趋于均匀,可明显改善烧结料层的透气性,增加料层厚度,提高烧结矿强度,降低能耗,生! ÷产中,可采用延长混合制粒时间、添加生石灰或黏结剂、小球烧结和精矿预制粒等措施,实现强化制粒. i ! 六是提高成品率以降低固体燃耗.采用多种有效措施,其中包括加强原料中和、稳定烧结作业等措j ÷施,提高成品率,以一定的固体燃料配加量生产尽可能多的烧结矿,可以达到减低单位烧结矿固体燃料÷ !消耗的目的.同时,: 随着成品率的提高,返矿量减少,用于烧结返矿的能耗降低,可进一步降低固体燃耗.j t ? i上  ,摘录自《中国冶金报)J JuJ 、口 I 目lH皿队 j/-)/ 2010—09—16(B\ 3,,) ..+ +... 一 + —+一 —+ ,.+ —+一 +,+ + + +。+,+~.. 一 +..+ + ..i上 i ' ++一 + + + 一. +一一. + + ~+ + + ,. + —●一 

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