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基于无功功率理论的低压有源电力滤波系统实验研究

发布日期:2020-04-16   来源:《变频器世界》19-11期   作者:戴罡 扬中   浏览次数:7127
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【摘   要】:为进一步实现高质量的电能传输,减少谐波干扰,提高抗干扰性能,进行了基于无功功率理论的低压有源电力滤波系统可靠性的实验研究。主要研究了低压有源电力滤波系统的工作原理,利用钳式功率计,数字功率计等设备进行安全方面的测试,借助示波器观察波形,测试在电压、频率、损耗测量时的响应时间。另外测试电磁干扰等对系统的影响。将实验结果和参考值进行对比,验证了低压有源电力滤波系统的可靠性和安全性、快速性、稳定性、实用性

 

关键词:低压有源电力滤波无功功率理论可靠性安全性快速性

 


1  引言

电能在电力系统中的传输,其质量对电力系统的安全稳定运行是十分重要的。随着国民经济的发展,很多电子设备在交通、化工、计算机、军事、通讯以及家用电器设备方面都得到了广泛的应用。其中类似于电弧炉之类的非线性负载的加入,对电网的安全稳定运行以及电能质量的影响也很严重,特别是这类非线性元器件的加入,引起了电网谐波的污染[1]

对于谐波问题,大容量的不间断电源等设备会产生5次、7次、11次等谐波.另外在不对称电路中,谐波又可以根据对称分量法,可以分为正序、负序、零序分量。这些谐波次数越低,对电网的影响越严重。因此,对无功功率、谐波以及三相电平衡的检测和补偿就显得尤为重要。要处理这类问题,装置有有源电力滤波器和无源电力滤波器。对于无源电力滤波器来说,主要是有电感、电容、电阻所组成的滤波器,由于存在电容器和电抗器,二者配合有一定滤波作用,用于大电流的设备。而对于有源电力滤波器,主要运用运算放大晶体管、模拟电路中的电感和电容组成的滤波电路,另外电容电感的存在,也可以起到无功补偿的作用,用于小电流的设备。

基于无功功率的有源电力滤波系统,采用了无功功率的谐波检测法,能够对谐波和无功的情况进行实时分析,进行调节。因此,为了验证低压有源电力滤波系统的可靠性,进行了安全性能、调节性能、抗干扰性能的实验。最后验证了上述内容。

2  低压有源电力滤波系统

有源电力滤波装置(APF),主要采用的是高频电力电子开关PWM变流技术、DSP控制技术进行实时检测电网中非线性负载的谐波分量和无功电流,然后产生大小相等、相位相反的电流,进行实时补偿,从而实现滤除谐波、补偿无功的功能,是改善电力系统电流质量问题的最有效的方式。其连接方式、APF系统框图见图1、图2所示。

 

1 APF连接电网示意图

 

2 APF系统框图

 

主要通过将带有谐波的负载侧的电流通过APF的指令电流运算电路,检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量,然后通过电流跟踪控制电路、驱动电路、主要根据指令运算电路得到的补偿指令,产生实际的补偿电流,进而传输到电网中,达到补偿无功以及滤波的作用。其中,主电路主要有IGBT构成的PWM电压型变流器,以及与其相连的电感和直流侧电容组成[2][3]

在技术方面,改进以后的电力滤波装置,基于无功功率理论的检测技术,可实时检测谐波电流,自动恩总负载谐波变化,具有高度的可控性和快速响应性。采用独特的分相谐波提取算法,在负载三相不平衡时,可实现各项独立控制,在容量足够时可选择消除不平衡的功能。采用有效值峰值双限流算法,可以自动将设备输出限制在100%输出,无过载现象。

3  实验验证

此次实验验证所用的设备是低压有源滤波补偿柜。本台设备参数见表1所示。

1  实验设备参数

3.1电压实验
实验目的主要是考察在额定条件下、欠电压和过电压的情况下,是否可以正常运行。另外,通过这两种情况下,测试在带载情况下,滤波装置的限流能力。测试的目的,同样是检测在不正常运行条件下的安全性和可靠性。
3.1 电压实验

装置外接谐波源负载,处于自动滤波补偿状态,开启限流功能,主回路输入电压340V,调节负载到350A,有源滤波器输出为351A。当增大感性负载到438A时,滤波器输出为350A,并能正常运行。当主回路输入电压460V,调节负载到350A,有源滤波器输出为350A时。增大感性负载到438A,滤波器输出为350A,并能正常运行。在处于额定条件下,当增加感性负载到438A时,滤波器输出为350A,也能正常运行。

另外使用示波器测量了在两种电压模式下,在突加负载、突减负载情况下响应时间图像。结果见图3-图6。

 

3 U=340V 突加负载响应时间

 

通过图3可知,340V情况下突加负载响应时间为16ms。

 

4 U=340V 突减负载响应时间

Fig.4 U=340V sudden load response time

通过图4可知,340V情况下突减负载响应时间为14.7ms。

 

5 U=460V 突加负载响应时间

 

通过图5可知,460V情况下突加负载响应时间为15.8ms。

 

6 U=460V 突减负载响应时间

通过图6可知,在U=460V情况下,突减负载响应时间为15ms。另外同样的方法测量在额定运行条件下,在突加负载情况下响应时间为16.5ms;在突减负载情况下响应时间为16.0ms。

综上所述,通过示波器观察波形,在正常运行及不正常运行状态下突增突减负载,滤波器的响应都比较快,说明其快速性较好。

3.2 频率实验

考察在频率变化的情况下,滤波器的安全、稳定、可靠、快速性。首先,通过实验测得,在频率为49Hz、511Hz条件下都可以正常启动。对其输出限流能力检测时,发现在不同的频率条件下,在增大感性负载到438A时,滤波器输出都为351A,并且都可以正常运行。

对其突变负载时,不同频率条件下,其响应时间的情况为:当频率为49Hz时,突加负载时响应时间为15.9ms,突减负载时响应时间为16.3ms;当频率为51Hz时,突加负载时响应时间为15.5ms,突减负载时响应时间为16.0。其结果都在小于40ms的允许值范围之内。进行噪声实验时,使用声级计,在滤波器的四个面进行测量噪声的分贝数。

通过检测,发现无论频率为49Hz还是51Hz,从A、B、C、D四个方向检测的噪声分贝值在60~62之间,小于65的允许值。进行不同频率下总谐波补偿率的情况,情况见表2、表3.

 

 

 

 

 

 

通过实验数据可知,频率变化时,系统的谐波补偿率较高,可靠性高。

4  结论

本文针对低压有源电力滤波装置的安全性、可靠性、稳定性、快速性、实用性进行了一系列的检测实验,采用多个相关的仪器进行测试,通过分析和实验验证,可以得到以下结论:通过电压实验、频率试验,证明了在正常与非正常运行条件下,系统的稳定性。表明在正常与非正常运行条件下,都可以较好的完成谐波的补偿,具有实用性。基于无功功率理论的低压有源电力滤波系统可以实时监测系统,并在正常、非正常条件下都可以实现无功功率的补偿和谐波滤除的效果。

 

 

 
 
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