带耦合变压器的直流侧有源电力滤波器的仿真研究

第 35 卷 第 8 期 电 网 技 术 Vol. 35 No. 8 2011 年 8 月 Power System Technology Aug. 2011 文章编号：1000-3673（2011）08-0109-05 中图分类号：TM 714 文献标志码：A 学科代码：470·4051 带耦合变压器的直流侧有源电力滤波器的仿真研究 侯世英，曾建兴，房勇，张诣，张闯 （输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)，重庆市 沙坪坝区 400044） Simulation Study on DC Side Series Active Power Filter Based on Coupling Transformer HOU Shiying, ZENG Jianxing, FANG Yong, ZHANG Yi, ZHANG Chuang (State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology (Chongqing University), Shapingba District, Chongqing 400044, China) ABSTRACT: A new DC side series active power filter (APF) in proposed, in which the APF is connected to main circuit via a coupling transformer, which acts as transformer and reactor. Comparing with the APFs without transformer, the proposed APF can flexibly vary the output voltage in a wide range, thus the capacity of switching component can be fully utilized and the insulation isolation between the APF and main circuit is implemented to prevent the interferences from power system directly come into the APF. Besides, the number of active switch is reduced by half than that in traditional AC side APFs, thus the circuit structure is simplified and the cost is decreased. Results from theoretical analysis and simulation show that the proposed topological structure is correct. KEY WORDS: active power filter; DC side; transformer; series type; harmonics 摘要：提出了一种基于耦合变压器的直流侧串联型有源电 力滤波器(active power filter，APF)。该 APF 通过一个耦 合变压器与主电路相连。与不带变压器的直流侧串联型 APF 相比，它可以灵活地、大范围地改变 APF 的输出电 压，从而充分利用开关器件的容量，并且能够实现 APF 与主电路的绝缘隔离，防止电力系统的各种干扰直接进入 APF 中；与传统的交流侧串联型有源电力滤波器相比，有 源开关的数量减少了一半，简化了电路结构，降低了成本。 理论分析及仿真结果验证了所提拓扑结构的正确性及优 越性。 关键词：有源电力滤波器；直流侧；变压器；串联型；谐波 0 引言 电力电子装置在电力系统中的广泛使用，给电 网注入了大量的谐波电流，造成了严重的谐波污 染。有源电力滤波器(active power filter，APF)作为 一种有效的谐波抑制装置已经成为广大学者研究 的热点[1-6]。目前，APF 的研究主要集中在并联型 APF，但是并联型 APF 对电压型谐波源的负载来说 (如电容滤波的整流器)并不是一种理想的补偿装 置，这类负载更适合用串联型 APF 来补偿[7-13]。 文献[14]提出一种直流侧并联型 APF，专门用 于整流负荷的谐波治理，将有源开关数量减少了一 半，改善了补偿效果；文献[15-16]提出并研究了一 种单相直流侧串联型有源电力滤波器，该单相直流 侧串联型有源电力滤波器串联在单相整流桥的直 流侧，主电路只有 2 个开关管，结构简单，控制方 便；文献[17]对文献[15]提出的结构进行了改进，提 出了一种单相输出可调压的新型直流侧串联型有 源电力滤波器，实现了输出电压的可调，简化了相 应控制，减小了储能电容容量。本文提出一种基于 耦合变压器的直流侧串联型有源电力滤波器，在直 流侧通过一个耦合变压器使 APF 与主电路相连。 1 电路拓扑及工作原理 1.1 电路拓扑 基于耦合变压器的直流侧串联型有源电力滤 波器主电路拓扑如图 1 所示。图中：S1、S2为有源 开关；D1、D2 为二极管；C1 为储能电容；C0 为滤 波电容；L 为平波电感；T 为变压器，其变比为 n1:n2。 耦合变压器的使用需要注意以下几点： 1）当电流很大时耦合变压器可能工作在直流 Un2 US IS C0 Ud S1 D2 D1 L U0 S2 UC Un1 T C1 负 载 n1:n2 图 1 基于变压器的直流侧串联型 APF 主电路 Fig. 1 Main circuit of DC side series APF based on transformer 110 侯世英等：带耦合变压器的直流侧有源电力滤波器的仿真研究 Vol. 35 No. 8 偏磁状态，容易使变压器的铁心饱和，使系统不能 正常工作。 2）耦合变压器的励磁电流相对一般变压器比 较大，其铁心需带有气隙。 3）耦合变压器必须要有较宽工作频带。由于 谐波的频率范围较宽，如从次谐波到 50 次谐波， 即频率从几 Hz 到 2 500 Hz，所以要求耦合变压器的 通频带从几 Hz 到 2 500 Hz。 4）耦合变压器对漏抗有较高的要求。对于串 联变压器要求基波的漏抗很小，才能保证串联变压 器负荷侧的短路容量不会显著变小。 5）有源电力滤波器的耦合变压器通常采用单 相变压器或三相五铁心结构，防止变压器三相磁路 互相影响，一般铁心材料选用薄硅钢片或非晶体合 金磁性材料。 针对以上几点，应在保证耦合变压器的铁心不 饱和及电抗值适中的情况下，尽量减小气隙尺寸以 提高耦合变压器传输效率。 1.2 工作原理 在电路中，有源开关 S1 为低频开关，主要用于 调整 APF 的能量流向；S2为高频开关，通过控制有 源开关 S2 的通断，可以使 APF 成为一个完全可控 的电压源，使其产生一个与负载谐波源大小相等相 位相反的电压。设一个高频开关周期对应的时间为 TS，其导通占空比 d。为了分析方便，做如下简化 处理：假定高频开关 S2 开关频率远高于电源工频和 非线性负载电流的频率，在理想情况下，电源电压 US为正弦波；APF 的储能电容 C1 很大，使 UC在稳 态时近似为恒值；变压器 T 为理想变压器。 下面分 2 个区间 I、II 对电路进行分析。区间 I， 当整流桥直流侧电压大于输出电压时，即 Ud>U0 时，低频开关 S1 关断，电源向负载供电，同时向储 能电容 C0 充电，APF 储存能量，其等效电路如图 2 所示。 每个高频开关周期 TS内，在 0U0 时 S1 断开；当 Ud 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 控制电路，进行仿真。仿真参数 设置如下：电源电压有效值为 220 V；频率为 50 Hz； 滤波电感 L 为 1 mH；滤波电容 C0 为 2 500 μF；储 能电容 C1 为 2 000 μF；负载 R0为 20 Ω；变压器变 比 n1:n2 为 1:2。 图 11 为电源电压波形、APF 补偿前后的电源 电流波形。图 12 为补偿前后电源电流频谱图。加 入 APF 前，电源电流带有大量谐波，其功率因数为 0.63，总的谐波畸变率为 145.5%；补偿后，电源电 流谐波得到有效抑制，其功率因素为 0.98，总的谐 波畸变率为 2.2%。可见，APF 很好地改善了功率 因素，抑制了谐波，达到了补偿目的。 图 13(a)为负载在 0.15 s 从 20 Ω突变到 10 Ω时 112 侯世英等：带耦合变压器的直流侧有源电力滤波器的仿真研究 Vol. 35 No. 8 500 −500 0 0.10 0.15 0.20 时间/s (a) 电源电压波形 电 压 /V 200 −200 0 0.10 0.15 0.20 时间/s (b) 补偿前电源电流波形 电 流 /A 40 −40 0 0.10 0.15 0.20 时间/s (c) 补偿后电源电流波形 电 流 /A 图 11 仿真结果 Fig. 11 Simulation results 频率/kHz (a) 补偿前 电 流 /A 0.00 0.60 1.000.20 0.40 0.80 30 0 20 10 频率/kHz (b) 补偿后 电 流 /A 0.00 0.60 1.000.20 0.40 0.80 30 0 20 10 图 12 电源电流频谱 Fig. 12 The frequency spectrums of source current 的电源电流波形，图 13(b)为负载从 20 Ω突变到 40 Ω 时的电流波形。由图 13 可见，当负载发生突变后， 系统在 1 个周期内很快就能进入新的稳态，无论是 在重载还是轻载情况下，APF 都能快速、有效地补 偿系统谐波和无功。 4 结论 本文提出的直流侧 APF 能够灵活地、大范围地 改变 APF 的输出电压和电流，减小储能电容的电 时间/s (a) 负载由小变大时的电源电流波形 电 流 /A 0.100 0.175 0.2000.125 0.150 −20 60 20 −60 时间/s (b) 负载由大变小时的电源电流波形 电 流 /A 0.100 0.175 0.2000.125 0.150 −20 40 20 −40 0 图 13 负载突变时的暂态响应 Fig. 13 Transient responses when the load change abruptly 压，从而充分利用开关器件的电压电流容量。此外， 该 APF 能实现与主电路的绝缘隔离，可以防止电力 系统的各种干扰直接进入到有源电力滤波器中，提 高了可靠性。 引入耦合变压器也会带来一些负面影响，要考 虑变压器直流偏磁、气隙、工作频带、漏抗等因素。 此外，变压器也会带来一定的损耗，使装置的整体 效率下降，引入变压器后 APF 的效率约下降 4%~8%，特别是气隙尺寸较大时，损耗较大，总体 装置的能量利用率约为 80%左右。 参考文献 [1] 万蕴杰，周林，张海，等．基于数字信号处理器的有源电力滤波 器控制方案综述[J]．电网技术，2005，29(15)：51-55． Wan Yunjie，Zhou lin，Zhang Hai，et al．Control schemes of active power filter using digtal signal processor[J] ． Power System Technology，2005，29(15)：51-55(in Chinese)． [2] 曾江，刘艳，叶小军，等．有源滤波器的低损耗滞环电流控制方 法[J]．电网技术，2010，34(1)：73-78． Zeng Jiang，Liu Yan，Ye Xiaojun，et al．A novel hystersis current control method for active power filter with low switching loss[J]． Power System Technology，2010，34(1)：73-78(in Chinese)． [3] Pan Z G，Peng F Z，Wang S L．Power factor correction using a series active filter[J]．IEEE Transactions on Power Electronics，2005，20(1)： 148-153． [4] Quesada I，Lazaro A，Barrado A．Extension of the harmonic elimination technique in the presence of non linear loads[C]//Power Electronics Specialists Conference．Orlando，USA：IEEE，2007： 43-46． [5] 张大禹，谭光慧，纪延超．级联型有源电力滤波器的新型控制策 略[J]．电网技术，2008，32(3)：70-74． Zhang Dayu，Tan Guanghui，Ji Yanchao．A novel control strategy for cascaded active power filters[J]．Power System Technology，2008， 32(3)：70-74(in Chinese)． [6] 周雒维，张东，杜雄，等．一种新型的串联型有源电力滤波器[J]． 第 35 卷 第 8 期 电 网 技 术 113 中国电机工程学报，2005，25 (14)：41-45． Zhou Louwei，Zhang Dong，Du Xiong，et al．A novel series active power filter[J]．Proceedings of the CSEE，2005，25(14)：41-45(in Chinese)． [7] 王广柱．有源电力滤波器两种补偿目标的分析和比较[J]．中国电 机工程学报，2007，27(19)：115-120． Wang Guangzhu．Comparison between two types of compensation objectives in active power filters[J]．Proceedings of the CSEE，2007， 27(19)：115-120(in Chinese)． [8] Da Yili，Jun Tian．A novel active power filter for the voltage-source type harmonic source[C]//International Conference on Electrical Machines and Systems．Wuhan，China： IEEE，2008：2077-2080． [9] 李圣清，刘苗生，罗飞．有源电力滤波器对变流器谐波源补偿特 性的研究[J]．湖南大学学报：自然科学版，2002，29(3)：75-80． Li Shengqing，Liu Miaosheng，Luo Fei．Study on compensation characteristics of active power filter to converter of harmonic sources[J]．Journal of Hunan University：Natural Science，2002， 29(3)：75- 80(in Chinese)． [10] 杜雄．电力谐波有源补偿新方法的研究[D]．重庆：重庆大学，2005． [11] 姚为正，王群，王兆安，等．有源电力滤波器对不同类型谐波源 的补偿特性[J]．电工技术学报，2000，15(6)：40-44． Yao Weizheng，Wang Qun，Liu Jinjun， et al．Compensation characteristics of active power filter to different types of harmonic sources[J]．Transactions of China Electrotechnical Society，2000， 15(6)：40-44(in Chinese)． [12] 侯世英，郑含博，周雒维，等．新型直流侧串联型有源电力滤波 器[J]．电网技术，2008，32(15)：36-40． Hou Shiying，Zheng Hanbo，Zhou Luowei，et al．A novel DC side series active power filter[J]．Power System Technology，2008，32(15)： 36-40(in Chinese)． [13] 侯世英，郑含博，周雒维，等．基于单周控制的三相直流侧串联 型有源电力滤波器[J]．电网技术，2008，32(18)：52-56． Hou Shiying，Zheng Hanbo，Zhou Luowei，et al．A novel three-phase DC side series active power filter with one cycle control[J]．Power System Technology，2008，32(18)：52-56(in Chinese)． [14] 谢品芳，杜雄，周雒维．单周控制直流侧单相有源电力滤波器[J]． 电工技术学报，2003，18(4)：51-55． Xie Pinfang，Du Xiong，Zhou Luowei．One cycle controlled DC side single phase active power filter[J] ． Transactions of China Electro-technical Society，2003，18(4)：51-55(in Chinese)． [15] 侯世英，郑含博，刘庚，等．单相串联型直流侧有源电力滤波器 [J]．重庆大学学报：自然科学版，2008，31(4)：408-412． Hou Shiying，Zheng Hanbo，Liu Geng，et al．A series type direct current side active power filter on single phase[J]． Journal of Chongqing University：Natural Science，2008，31(4)： 408-412(in Chinese)． [16] 侯世英，郑含博，周雒维，等．双环控制整流桥直流侧串联型有 源电力滤波器及实验研究[J]．中国电机工程学报，2009，29(4)： 78-83． Hou Shiying，Zheng Hanbo，Zhou Luowei，et al．DC side series active power filter and experimental study with dual control[J]．Proceedings of the CSEE，2009，29(4)：78-83 (in Chinese)． [17] 侯世英，嵇丽明，索丽娟，等．改进的直流侧有源电力滤波器[J]． 电网技术，2009，33(18)：63-67． Hou Shiying，Ji Liming，Suo Lijian，et al．An improved DC side series active power filter[J]．Power System Technology，2009，33(18)： 63-67(in Chinese)． 收稿日期：2010-12-08。 作者简介： 侯世英(1962)，女，博士，教授，研究方向为 控制理论、电力电子技术在电力系统中的应用， E-mail：houshiying@163.com； 曾建兴(1982)，男，硕士研究生，研究方向为 电力电子技术在电力系统中的应用，E-mail： zjxyzln@163.com； 侯世英 房勇(1983)，男，硕士研究生，研究方向为可再生能源发电技术； 张诣(1986)，男，硕士研究生，研究方向为电力电子技术在电力系 统中的应用； 张闯(1985)，男，硕士研究生，研究方向为电力电子技术在电力系 统中的应用。 （责任编辑 褚晓杰）