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适用于矿山工况的混合有源滤波器的研究

2021-03-26

矿山设备有矿井提升机、胶带运输机、通风机等大型设备,这些设备都采用变流器驱动,由于电力电子设备的固有特性,变流器工作过程中产生了大量谐波,对电网造成了严重的谐波污染,需要专门的谐波治理装置来进行抑制。20世纪80年代以来,随着电力电子技术以及PWM控制技术的发展,对供电质量提出更高的要求。而传统的谐波抑制和无功补偿主要采用LC滤波器,它由于结构简单、成本低,自身存在一定的缺点。而有源电力滤波器(Active Power Filter,简称APF)是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置,它能够对幅值和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。与无源滤波器相比,APF具有高度可控性和快速响应特性,并能跟踪补偿各次谐波,自动产生所需变化的无功功率。2无源滤波器和有源滤波器的性能比较传统的谐波治理和无功补偿的方法是采用无源滤波器。无源滤波器由电力电容器、电抗器和电阻器组合而成。其优点是经济、实用和可靠。APF与无源滤波器相比,有如下特点:(1)可同时对谐波和无功进行补偿,且补偿无功功率的大小可做到连续调节。(2)有源滤波装置是一个高阻抗电流源,它的接入对系统阻抗不会产生影响。(3)补偿无功功率时不需要储能元件。(4)装置可以仅输出所需补偿的高次谐波电流,不输出基波无功功率。(5)即使补偿对象电流过大,有源滤波器不会发生过载,并且能正常发挥补偿作用。(6)可实现动态补偿,可对频率和大小均变化的谐波及变化的无功功率进行补偿,对补偿对象的变化有极快的响应速度。3 APF有源滤波器的原理分析:如下图1所示为最基本的有源电力滤波器系统的构成原理图。图1有源电力滤波器系统的原理图图1中,es表示交流电源,负载为谐波源,它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由两大部分组成,即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中,指令电流运补偿电流发生电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量,因此有时也称之为谐波和无功电流检测电路。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号,产生实际的补偿电流,主电路采用PWM变流器。在产生补偿电流时,主要由逆变器工作。而在电网向有源电力滤波器直流侧储能元件充电时,它就作为整流器工作。两种工作状态无严格区分。4电力有源滤波器的分类图2并联型有源滤波器图3串联型有源滤波器图2中,负载为产生谐波的谐波源,变流器和与其相连的电感、直流侧贮能元件(电容)共同组成有源电力滤波器的主回路。与APF并联的小容量的一阶高通滤波器,主要用于滤除APF所产生的补偿电流中开关频率附近的谐波。图3中,并联型有源电力滤波器主要补偿可看作电流源的谐波源,如直流侧为阻感负载的整流电路。此时,APF向电网注入补偿电流,抵消谐波源产生的谐波,使电源电流为正弦波。5新型并联混合滤波器的研究单独使用有源滤波器可用在小容量非线性负载的场合,但是在大容量场合就得采用混合型电力滤波器。按使用的方式可分为两大类:一类是并联混合型电力滤波器,一类是串联混合型电力滤波器。在并联混合型电力滤波器中,通常需要一个高带宽的PWM变流器作为有源滤波器,这又使得现有的混合滤波系统只适应于补偿对象在中等功率以下,一般是500KW-10MW。对于功率大于10MW的非线性负载,如何抑制所产生的谐波和无功补偿,一直是混合型滤波器研究的重要内容。在此介绍一种新型的交流并联混合型电力滤波器的拓扑结构,使得有源滤波器的容量大大减小,小于补偿对象容量的1%,使之应用范围可扩展到大功率应用场合。

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