獨(dú)立電源系統(tǒng)有源濾波器諧波和無功電流補(bǔ)償策略研究

① 當(dāng)諧波電流次數(shù)補(bǔ)償優(yōu)先級功能開啟時(shí)，有源濾波器首先補(bǔ)償優(yōu)先級高的諧波電流。該電流完全補(bǔ)償后，如果有源濾波器還未達(dá)到其限流輸出，有源濾波器再依次補(bǔ)償優(yōu)先級較低的諧波電流，最終使有源濾波器的輸出達(dá)到限流補(bǔ)償狀態(tài)。

② 當(dāng)諧波電流次數(shù)補(bǔ)償優(yōu)先級功能關(guān)閉時(shí)，有源濾波器補(bǔ)償所選擇次數(shù)的諧波沒有先后之分。將所有選擇的諧波電流乘以一個(gè)小于1的比例系數(shù)，保持有源濾波器工作在限流補(bǔ)償狀態(tài)，因此所選的諧波不能被完全補(bǔ)償。

(3)諧波電流的全部補(bǔ)償

諧波電流全部補(bǔ)償，相當(dāng)于在諧波電流部分補(bǔ)償時(shí)，將所有能夠補(bǔ)償?shù)闹C波電流全部選中。在該補(bǔ)償狀態(tài)下，如果將優(yōu)先級功能打開，首先必須認(rèn)為將所有次數(shù)諧波按照補(bǔ)償優(yōu)先級別高低進(jìn)行分類。而后，有源濾波器根據(jù)諧波補(bǔ)償次數(shù)的優(yōu)先級別，首先補(bǔ)償優(yōu)先級較高的諧波電流，而后再補(bǔ)償優(yōu)先級次之的諧波電流，直到有源濾波器達(dá)到設(shè)定的限流輸出值。因此，在工業(yè)化應(yīng)用過程中，可以實(shí)現(xiàn)將有限的輸出功率補(bǔ)償用戶需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流，以便用戶在有源濾波器的諧波電流補(bǔ)償功能與線路中其它設(shè)備補(bǔ)償功能之間得到更好的匹配。

3.1.2 單獨(dú)補(bǔ)償無功電流

有源濾波器補(bǔ)償獨(dú)立電源系統(tǒng)中的無功電流，當(dāng)有源濾波器設(shè)定的限流輸出值大于需要補(bǔ)償?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/無功">無功電流時(shí)，電源中的無功電流能夠被完全補(bǔ)償。當(dāng)有源濾波器設(shè)定的限流輸出值不能滿足全部無功功率補(bǔ)償時(shí)，需要將無功電流乘以比例系數(shù)kq再進(jìn)行補(bǔ)償。此時(shí)，有源濾波器處理單元根據(jù)提取出無功電流不斷計(jì)算比例系數(shù)kq，并在補(bǔ)償過程中實(shí)時(shí)更新。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(4)

式中：Iout-q表示有源濾波器單獨(dú)補(bǔ)償無功時(shí)的輸出補(bǔ)償電流;Iq為非線性負(fù)載中的無功電流;Iq-ms為非線性負(fù)載中無功電流的有效值;k為有源濾波器額定補(bǔ)償功率百分比;IAPF為有源濾波器額定補(bǔ)償電流有效值。

3.1.3 諧波和無功電流同時(shí)補(bǔ)償

獨(dú)立電源系統(tǒng)有源濾波器，在諧波和無功電流同時(shí)補(bǔ)償時(shí)有3種策略可以選擇：諧波補(bǔ)償優(yōu)先、無功補(bǔ)償優(yōu)先和二者優(yōu)先級相同。諧波補(bǔ)償優(yōu)先時(shí)，首先優(yōu)先補(bǔ)償電源系統(tǒng)中的諧波電流，當(dāng)補(bǔ)償需要的諧波電流后，如果有源濾波器還未達(dá)到限流補(bǔ)償狀態(tài)，即有源濾波器還有一定剩余的補(bǔ)償容量，將其用于補(bǔ)償系統(tǒng)的無功功率。無功補(bǔ)償優(yōu)先時(shí)，即當(dāng)有源濾波器在補(bǔ)償過程中，其補(bǔ)償功率首先用于電源系統(tǒng)的無功電流補(bǔ)償，而后，如果補(bǔ)償系統(tǒng)還有剩余的補(bǔ)償容量，則補(bǔ)償電源系統(tǒng)中的諧波電流。諧波補(bǔ)償和無功補(bǔ)償優(yōu)先級相同時(shí)，當(dāng)有源濾波器的補(bǔ)償容量滿足二者全部補(bǔ)償時(shí)，直接將二者同時(shí)輸出補(bǔ)償即可。否則，電源中的諧波和無功電流不能得到全部補(bǔ)償，補(bǔ)償電流需要乘以比例系數(shù)后再注入電網(wǎng)。

3.2 新型策略的補(bǔ)償性能分析

針對該新型補(bǔ)償策略的補(bǔ)償性能，現(xiàn)以補(bǔ)償電源中的諧波電流為例加以說明。如果電源系統(tǒng)接入非線性負(fù)載后，電源電流為380A，電源的總諧波電流畸變率THDi=32%。計(jì)算得出負(fù)載電流中的基波電流為362A，統(tǒng)計(jì)(2~25)次諧波內(nèi)的諧波電流，其中5次、7次、11次、13次、17次諧波含量較大，其電流畸變率及諧波電流值如表1所示。

表1 非線性負(fù)載電流、畸變率及其各次諧波含量

如果設(shè)置諧波電流全部補(bǔ)償，則需要有源濾波器的補(bǔ)償電流為116A。由于有源濾波器的補(bǔ)償能力僅為100A，諧波電流不能被全部補(bǔ)償。對該表中所列次數(shù)的諧波電流進(jìn)行分次補(bǔ)償，且各次諧波電流之間沒有優(yōu)先級。補(bǔ)償電流為其實(shí)際需求的90.7%，各次諧波電流的補(bǔ)償電流、剩余電流及其諧波百分含量如表2所示。

表2 無優(yōu)先級時(shí)，所選次數(shù)的諧波全部補(bǔ)償電流及補(bǔ)償后其各次諧波含量

由表2可知，經(jīng)過無優(yōu)先級的補(bǔ)償后，仍有部分次諧波電流超過國家標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)假設(shè)優(yōu)先級順序按照表2中由前至后，5次諧波電流優(yōu)先級最高，17次優(yōu)先級最低。利用本文提出的方法經(jīng)過補(bǔ)償后得到結(jié)果如表3所示。

表3 通過優(yōu)先級算法后，需要補(bǔ)償諧波電流的補(bǔ)償效果表

比較表2和表3可知，固定補(bǔ)償容量的有源濾波器通過優(yōu)先級補(bǔ)償算法后，各次諧波電流得到了有效的補(bǔ)償，且均達(dá)到了規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，使得有源濾波器有效的補(bǔ)償電流容量，在需要補(bǔ)償?shù)母鞔沃C波電流中得到了更好的分配和合理的利用。同時(shí)，也方便用戶實(shí)現(xiàn)對固定次諧波電流的有效濾除功能。同樣，在單獨(dú)補(bǔ)償無功電流以及諧波和無功電流同時(shí)補(bǔ)償時(shí)，本文提出的補(bǔ)償策略均發(fā)揮了較好的補(bǔ)償效果。

3.3補(bǔ)償策略的軟件實(shí)現(xiàn)

有源濾波器的補(bǔ)償策略軟件控制部分通過DSP實(shí)現(xiàn)，其補(bǔ)償策略的選擇框圖如圖2所示。由圖中可以得知，針對不同的應(yīng)用場合，有源濾波器選擇不同的補(bǔ)償策略，不但能夠很好地滿足實(shí)際工況的需求，并可提高有源濾波器的補(bǔ)償效益。

圖2 有源濾波器的補(bǔ)償策略框圖

針對有源濾波器工作在諧波和無功電流同時(shí)補(bǔ)償時(shí)，其系統(tǒng)的軟件流程框圖如圖3所示。

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