有源滤波与动态无功综合补偿控制装置设计

王 昊,贾克音,赵宇海,张大明,王太金

(国网四平供电公司,吉林 四平 136000)

近年来,针对大量变流型负荷的广泛应用造成了电网谐波污染,对用户设备的安全运行构成威胁的局面,研发了有源电力滤波器(APF)。作为一种抑制谐波污染的主动式补偿装置,能有效治理电力系统谐波,改善电能质量。然而受大功率可关断器件,如巨型晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)发展水平的限制,APF不能满足高电压、大容量的非线性负荷交流系统侧谐波抑制的要求。为了满足大容量非线性负荷的滤波要求,从 20世纪 90年代有人提出了各种 APF与无源滤波器(PF)进行混合滤波的设想,即有源滤波与动态无功功率综合补偿装置[1-2]。

有源滤波与动态无功功率综合补偿装置兼顾了两者的优点,初期投资小,性价比高,能满足高压大容量系统实用化的要求,是目前工程中具有广阔应用前景的发展模式[3-4];然而,仍存在着在综合补偿滤波效果与系统稳定性之间的矛盾,即如何协调控制,提高系统运行性能和稳定性的技术难题有待解决[5-6]。其主要问题为当电力系统中存在电容补偿装置时,APF本身作为一个谐波源,在投入运行后,APF与电容补偿装置存在着谐波通道,而且从理论上,凡是使用电容补偿时,在某一特定频率的均存在于电网阻抗发生谐振的可能性[7],因此,APF与无功补偿装置并联使用时,不同于 APF单独使用的工作模式,需对 APF的一次侧电流互感器的安装及电容补偿装置进行适当的处理[8]。

本文设计一种有源滤波与动态无功功率综合补偿装置,该装置将有源电力滤波器与晶闸管投切电容器(TSC)结合进行混合滤波与补偿,能有效抑制各次谐波和闪变,补偿无功,将自动跟踪补偿变化的谐波和无功,提高功率因数,改善配电网电能质量,以解决综合补偿滤波效果与系统稳定性之间的矛盾。

1 装置主电路拓扑结构及工作原理

1．1 装置主电路拓扑结构

本装置采用的方案是：有源滤波与动态无功功率综合补偿装置是一种新型的静止动态补偿装置,包括有源电力滤波器,动态无功功率补偿器和一套三DSP与 FPGA组合控制板。图1所示为实施方案结构示意图。其中有源电力滤波器由电压源逆变器、直流侧电容器和交流输出滤波器构成,动态无功功率补偿器由晶闸管反并联开关和电容器组构成。功率因数控制器(PFC)为EPCOS公司产品。无功功率补偿单元为晶闸管控制投切电容器组(TSC),由一组反并联晶闸管开关串联补偿电容器,并串接消谐电抗器,通过晶闸管的触发控制,进行电容器组投切,以补偿大部分的无功功率。

图1 装置系统方案示意图

有源电力滤波器的拓扑结构为三单相电压源逆变器结构,逆变器的直流侧由大容量电容器提供稳定的直流电压源,交流输出通过最低充电电平(LCL)滤波支路并联在400 V低压配电网上。它是电力电子技术在配电系统中的应用,称为 Custom Power技术或称 DFACTS(配电系统柔性交流输电)技术[9]。该技术的核心器件 IGBT比GTO具有更高的开关频率,因此 DFACTS装置具有更快的响应。

1．2 APF+TSC并行运行工作原理

APF+T SC系统并行工作原理为：首先,装置通过 EPCOS的功率因数检测系统的功率因数及需要补偿无功功率,通过投切若干组的TSC,补偿与所需无功功率大小最为相近的无功,此时将系统的功率因数提高,有源滤波器通过谐波电流检测算法检测系统中谐波及无功电流,将系统中各次的谐波及剩余所需要补偿的无功电流计算出,最后,通过功率脉冲触发单元驱动IGBT,对系统的谐波及剩余的无功进行补偿,从而实现较为精确的谐波抑制及无功功率补偿。

2 控制电路系统及控制策略设计

2．1 控制电路系统设计

APF+TSC综合补偿装置采用控制电路系统,该控制电路系统包括如下 3部分。

a．底层控制主板。底层主控制板主要由电源模块、采样输入模块、FPGA(现场可编程门阵列)[10]数据存储处理模块、光纤通讯模块、交流接触器及继电器控制模块及 PWM输出模块组成。

其中电源模块用以提供控制板工作所需电压;采样输入模块通过两块 AD7656采样芯片分别对 6路电压(三相系统电压、APF三相直流侧电容电压)、6路电流(三相系统电流、三相 APF发出电流)进行采样;FPGA数据存储处理模块用以对采样的信号进行运算处理;光纤通讯模块用以实现主控制板与装置显示屏的高速通讯以及提供外部通讯接口;交流接触器与继电器控制模块用以实现装置T SC投切继电器控制、APF软启动控制、APF交流接触器控制;PWM(脉冲宽度调制)输出模块用以输出 PWM控制信号。

b．顶层控制主板。顶层控制主板由主、从TMS320F2812DSP[11]、双向通讯 FPGA组成。

其中主控 M-DSP主要用以实现系统的保护控制、算法的运算、与液晶触摸屏的交互通讯、PWM指令的生成;从机 S-DSP负责负载电流的无功、谐波电流的检测运算;双向通讯 FPGA用以实现顶层双机双向通讯及与底层 FPGA的数据交换(采样信号、PWM信号)。

c．驱动电路板。驱动电路板共有6路输入信号：每个逆变器上4路H桥的PWM信号、故障反馈信号F-Faulat及故障复位信号 Fault-Reset。这6路信号经由 FPGA送给 IGBT的驱动去触发 IGBT产生动作。当驱动板上检测到故障信号 F-Fault时,驱动板自己本身对 PWM信号封锁,禁止 PWM至 IGBT的驱动,接收到驱动板发出的故障反馈信号后,底层主控制板上FPGA产生相应动作关闭交流接触器分闸保护。等下一次运行时,主机数字信号处理(DSP)产生一个故障复位信号的高脉冲对故障信号进行复位,使得 PWM继续可以发出。

2．2 APF+TSC综合补偿控制策略

本系统中,T SC采用开环控制方式对无功进行大容量的分级补偿;APF采用双闭环控制方式对负载和 TSC的无功级差进行补偿,并且改善系统的动态和稳态性能。

APF+ TSC综合补偿控制策略原理如图 2所示,其中,QF为补偿的无功功率;QL为负载的无功功率;当负载中的无功功率发生变化时,由 T SC自动地进行分级无功功率补偿;TSC各级之间剩余的无功功率由 APF进行补偿;此外,当负载中含有谐波电流时,由 APF对其进行滤波,从而实现在负载含有谐波电流情况下无功功率的快速连续补偿。

图2 APF+TSC综合补偿控制策略原理

3 仿真验证

根据上述设计,选用仿真软件 MAT LAB/Simulink进行仿真验证。仿真框图如图 3所示。图中 ,USuvw、ILuvw、 ITuvw、 IAuvw、Udc分别为电网电压、负载电流、TSC发出电流、APF发出电流、APF直流侧电容电压的采样值;STSC、SAPF分别为 TSC和 APF的控制信号。图4为装置投运前U相系统电压 /电流波形及系统电流 FFT分析图,由图可以看出,补偿前系统含有大量无功,且电流出现严重畸变,畸变率(T HD)达到了 29．33%。

图3 Matlab仿真框图

为了补偿无功电流,投入无功补偿装置 TSC,图5为投入 TSC后系统电压、电流波形及系统电流FFT分析图。由图中可以明显看出,T SC补偿装置投入后,电流波形接近正弦波,系统电流电压相位几乎保持一致,功率因数接近1,且电流畸变率降到16．40%,但电流仍然畸变严重。

为了进一步优化电流波形,将T SC与APF同时投放运行。首先,需要进行APF直流侧的稳定控制,图6所示为直流侧稳定仿真波形,设定指令直流侧电压为 700 V,经仿真验证,直流侧稳定效果良好。图7为 TSC+APF同时投放运行系统电压电流波形图及系统电流 FFT分析。由图可以看出,同时投入APF与 TSC后滤波效果更明显,系统侧畸变率3．50%,更接近正弦波,同时使系统侧电压和电流的相位差更小,几乎同相位,提高了功率因数,电流质量明显提高。

图4 装置投放前系统电压、电流波形及系统电流FFT分析

图5 仅投放TSC时系统电压、电流波形及FFT分析

图6 直流侧稳定仿真波形

图7 TSC+APF同时投放时系统电压、电流波形及FFT分析

4 实验分析

对该综合补偿控制装置进行实验验证,将其应用于某电动汽车充电站。图8a是综合装置投运前 U相系统电压 /电流波形,从图中看出,投运前电流畸变严重,主要含有 5、7次等主导谐波,基波功率因数较低,只有 0．71左右,并且电流有效值达到了 441 A,U相无功功率达到 90．64 kvar;图8b是仅投入无功补偿装置 TSC时系统电压 /电流波形,从图中看出,TSC投运之后,U相主导谐波电流仍较大,不过基波功率因数提高到 0．92,U相无功功率降为 38 kvar;图 8c是 APF与 T SC均投入以后系统电压 /电流波形,从图中看出,该综合装置投运之后,U相主导谐波电流大大衰减,补偿后网侧电流正弦化,同时基波功率因数提高到0．95,U相无功功率降为23．72 kvar,这表明该综合补偿装置既能对补偿无功,又能达到消除谐波的目的,补偿效果显著。

图8 U相系统电压 /电流波形

5 结论

本文基于传统有源滤波装置的容量和成本的矛盾设计一种有源滤波及无功功率综合补偿控制装置,将其应用于电动汽车充电站现场,运行效果良好。然而,仍存在着在综合补偿滤波效果与系统稳定性之间的矛盾 ,因此,如何协调控制 APF与 TSC,提高系统运行性能和稳定性的技术难题还有待解决。

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