并联混合有源电力滤波器的参数设计与仿真

廖代发

(广东电网有限责任公司 江门供电局, 广东 江门　529000)



并联混合有源电力滤波器的参数设计与仿真

廖代发

(广东电网有限责任公司 江门供电局, 广东 江门529000)

摘要:针对有源滤波器技术的实际工程需要,探讨了并联混合型有源电力滤波器的参数设计,主要包括无源滤波器的参数设计和IGBT模块的组合分析,并根据一个变电站实测的电流数据,建立了仿真研究模型,仿真结果验证了设计的正确性和可行性.

关键词：并联混合型有源电力滤波器; 参数设计; 仿真研究

目前工程应用中,并联混合有源电力滤波器是抑制谐波的有效手段,本文以高压大容量系统谐波治理为目的,对有源滤波器的参数设计进行了探讨.

1无源部分的参数设计

根据一般设计原则[1-6]可知,无源滤波器的谐波容量要加上10%的背景谐波容量,以避免各支路之间的并联谐振.无源滤波器的电路原理和频率阻抗特性如图1所示.

滤波器对n次谐波的阻抗为:

(1)

式中:R——等效电阻;

Ws——基波角频率;

L——等效电感;

C——等效电容.

单调谐滤波器的品质因数为:

(2)

根据文献[7]可知,当电容安装容量最小时其投资最小.电容安装容量为基波无功容量和谐波无功容量之和,即:

(3)

式中:I1——基波电流;

In——n次谐波电流.

滤波支路的最小电容为:

(4)

式中:U1——基波电压.

滤波器的电感为:

(5)

根据参数设计原则和方法,[8-9]可得注入支路的参数:

(6)

式中:L1——注入支路等效电感.

图1　无源滤波器电路原理和频率阻抗特性

2有源部分的参数设计

2.1　IGBT模块的选择原则

绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)存在不同电压等级的型号,如600 V,1 200 V,1 400V,1 700 V,3 300 V和6 500 V等.文献[10]和文献[11]结合我国电力电子工业的发展提出了逆变器选择的一般原则和方法,主要是从稳定功耗、开关功耗、总功耗几个方面来选择IGBT的型号.

稳定功耗为:

(7)

开关功耗为:

(8)

总功耗为:

(9)

式中:Esw(on)——每一个脉冲对应的IGBT开通能量;

Esw(off)——每个脉冲对应的IGBT关断能量;

Icp——正弦输出电流的峰值,通常Icp=Iep;

Uce(sat)——IGBT的饱和电压降;

Fsw——变频器每臂的PWM(脉冲宽度调制)开关功率;

D——PWM信号的占空比;

θ——输出电压与电流之间的相位角;

cosθ——功率因数.

若将D取0.5,cosθ取0.8,则有

Pss=0.142 5IcpUce(sat)

(10)

Psw=955.4(Esw(on)+Esw(off))

(11)

通过Uce(sat),Esw(on),Esw(off)和Icp计算出各功率损耗,则可以选择合适的逆变器开关器件.一般原则是损耗越小越好,开关频率越高越有利.

2.2　逆变器的工程设计

本文项目组设计了一个容量为50 kW的有源电力滤波装置,其主电路如图2所示.按照额定线电压为380 V设计,则有源电力滤波器的容量为:

658.16I=50×1 000

得交流输出电流I=75.97 A.

为了避免装置工作中的过电压问题,选择的IGBT耐压等级要为其稳定工作电压的2~3倍,工作电流为其稳定输出电流的1.5~2倍.因此IGBT耐压为1 700 V,电流为150 A.可以选择的IGBT有以下4种:600 V/150 A,1 200 V/150 A,1 400 V/150 A和1 700 V/150 A.查询富士电机系列IGBT型号和相关技术参数,提出以下4种理论选型方案.

(1) 用3只600 V的IGBT串联,型号为2MBI150U2A-060,相关技术数据如下:

Pss=0.1425×150×2.3×3=147.487 5 W

Psw=955.4×(0.007+0.007 5)×3=41.559 9 W

Pc=Pss+Psw=147.487 5+41.559 9=189.047 4 W

(2) 用1只1 200 V和1只600 V的IGBT串联,型号分别为2MBI150U4A-120和2MBI150-U2A-060,相关技术数据如下.

1 200 V的IGBT管:

Pss1=0.142 5×150×2.35=50.232 15 W

Psw1=955.4×(0.01+0.014)=22.929 6 W

Pc1=Pss1+Psw1=50.231 25+22.929 6=73.161 75 W

600 V的IGBT管:

则,Pc=Pc1+Pc2=136.177 55 W

(3) 用1只1 400 V和1只600 V的IGBT串联,型号分别为2MBI150PC-140和2MBI150-U2A-060,相关技术数据如下:

1 400 V的IGBT管:

Pss1=0.142 5×150×3.3=70.537 5 W

Psw1=955.4×(0.035+0.015)=47.770 W

Pc1=Pss1+Psw1=118.307 5 W

600 V的IGBT管:

则,Pc=Pc1+Pc2=181.323 3 W

(4) 仅用1只1 700 V的IGBT管,型号为2MBI150U4H-170,相关技术数据如下:

Pss=0.142 5×150×2.8=59.85 W

Psw=955.4×(0.035+0.036)=67.833 4 W

Pc=Pss+Psw=59.85+67.833 4=

127.684 3 W

图2　有源电力滤波器的主电路

多电平IGBT串联时,存在静态均压问题和动态过压问题,[12-14]假若串联不当,会引起局部电压过高,烧坏IGBT管,甚至引起爆炸.因此,串联时两个管子最合适,且需考虑IGBT的型号和参数,最好是同电压等级、同型号的IGBT管子串联.出于安全考虑,本文选择第4种选型方案,即仅用1只1 700 V/150 A的IGBT,型号为2MBI150U4H-170,其中2代表2个单元,150代表额定输出电流150 A,U4代表U系列第4代,170代表耐压等级1 700 V.

3仿真研究

本文以广东某变电站低压10 kV侧谐波治理为研究对象,针对该变电站的实际情况,对混合有源电力滤波器进行设计,根据要求降低谐波含量,提高功率因素,减小谐波对电网相关设备的影响.该变电站处于工业区,表1为实测1号主变压器低压10 kV侧A相电流数据,其总的电流畸变率达86.5%,总的功率因素为0.8,系统电压畸变率满足国家标准,由表1可知,该变电站5,7,11,13次谐波严重超标,谐波治理对象为10 kV网侧电流,涉及容量大,电压等级较高.

表1　A相谐波电流实测数据

系统电路结构如图3所示.调谐滤波器品质因数取Q=55,此时基波电压U1=10 kV,In=165.21 A.可得注入支路和无源滤波支路参数如下:L1=15 mH,C1=676.16 μF,CG=19.32 μF,C5=20.95 μF,L5=19.37 mH,R5=0.56 Ω,C7=17.35 μF,L7=11.93 mH,R7=0.48 Ω,C11=13.68 μF,L11=6.13 mH,R11=0.25 Ω,C13=12.55 μF,L13=4.78 mH,R13=0.36 Ω.

考虑一定的容量裕度,IGBT选择两个3MBI150U4H-170型号的1 700 V/150 A并联.输出滤波器电容为C0=100 μF,电感为L0=0.2 mH.有源逆变器直流侧电容为C=3 300 μF,电阻为R1=1.5 Ω .空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)波产生电路中,比较三角波的幅值为50 μV ,频率为10 kHz.补偿装置投入前后电网侧电流波形及频谱分析如图4和图5所示.

由图4与图5可知,电流总畸变率由原来的69.46%降低为滤波后的5.04%,改善了系统的运行条件.

图3　并联混合有源电力滤波器的结构电路

图4　补偿前电网侧电流波形及频谱分析

图5　补偿装置投入后网侧电流波形及频谱分析

4结语

本文主要讨论了有源电力滤波器各相关参数的设计,重点对IBGT模块的选型进行了计算分析,为混合有源电力滤波器的设计和工程实际提供理论依据.最后,通过某变电站实测的电流验证了并联混合型有源电力滤波器的设计效果,实验数据表明其有效地抑制了系统谐波.

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(编辑桂金星)

Parameters Design and Simulation Study of Shunt Hybrid Active Power Filter

LIAO Daifa

(Jiangmen Power Supply Bureau, Guangdong Power Grid Corp., Jiangmen529000, China)

Abstract:With focus on practical requirement of the project of the application of active filter technology,the design of shunt hybrid active power filter is conducted,which mainly includes single tuned filter and IGBT portfolio analysis.Finaly,based on the measured currents of a substation,a simulation model is established.The simulation results show that the design is corret and feasible.

Key words:shunt hybrid active power filter; parameters design; simulation study

中图分类号：TN731.8

文献标志码：A

文章编号：1006-4729(2015)06-0543-04

通讯作者简介：廖代发(1983-),男,硕士,工程师,湖南郴州人.主要研究方向为电网规划.E-mail:254733063@qq.com.

收稿日期：2015-10-27

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2015.06.009