並聯有源電力濾波器交流側濾波電感的優化設計

2020-11-23 電子產品世界

摘要：探討了一種並聯有源電力濾波器的交流側濾波電感優化設計的方法；並應用於一臺15kVA並聯有源電力濾波器的實驗模型中，進行了實驗驗證。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/179667.htm

關鍵詞：諧波；有源電力濾波器；濾波電感設計

　 　

0 引言

並聯有源電力濾波器是一種用於動態抑制諧波和補償無功的新型電力電子裝置，近年來，有源電力濾波器的理論研究和應用均取得了較大的成功。對其主電路（VSI）參數的設計也進行了許多探討，但是，目前交流側濾波電感還沒有十分有效的設計方法，然而該電感對有源濾波器的補償性能十分關鍵。本文通過分析有源電力濾波器的交流側濾波電感對電流補償性能的影響，在滿足一定效率的條件下，探討了該電感的優化設計方法，仿真和實驗初步表明該方法是有效的。

1 三相四線並聯型有源電力濾波器的結構與工作原理

圖1為三相四線制並聯型有源電力濾波器的結構。主電路採用電容中點式的電壓型逆變器。電流跟蹤控制方式採用滯環控制。

圖1 三相四線制並聯型有源濾波器的結構

以圖2的單相控制為例，分析滯環控制PWM調製方式實現電流跟蹤的原理。在該控制方式中，指令電流計算電路產生的指令信號ic＊與實際的補償電流信號ic進行比較，兩者的偏差作為滯環比較器的輸入，通過滯環比較器產生控制主電路的PWM的信號，此信號再通過死區和驅動控制電路，用於驅動相應橋臂的上、下兩隻功率器件，從而實現電流ic的控制。

圖2 滯環控制PWM調製方式實現電流跟蹤的原理圖

以圖3中A相半橋為例分析電路的工作過程。開關器件S1和S4組成A相的半橋變換器，電容C1和C2為儲能元件。uc1和uc2為相應電容上的電壓。為了能使半橋變換器正常跟蹤指令電流，應使其電壓uc1和uc2大於輸入電壓的峰值。

（a）ica>0,dica/dt>0（b）ica>0,dica/dt0

（c）ica0,dica/dt0（d）ica0,dica/dt>0

圖3 電壓型逆變器A相工作過程圖

當電流ica>0時，若S1關斷，S4導通，則電流流經S4使電容C2放電，如圖3（a）所示，同時，由於uc2大於輸入電壓的峰值，故電流ica增大(dica/dt>0)。對應於圖4中的t0～t1時間段。

當電流增大到ica＊＋δ時（其中ica＊為指令電流，δ為滯環寬度），在如前所述的滯環控制方式下，使得電路狀態轉換到圖3(b)，即S4關斷，電流流經S1的反並二極體給電容C1充電，同時電流ica下降(dica/dt0)。相對應於圖4中的t1～t2時間段。

圖4 滯環控制PWM調製器的工作狀態

同樣的道理可以分析ica0的情況。通過整個電路工作情況分析，得出在滯環PWM調製電路的控制下，通過半橋變換器上下橋臂開關管的開通和關斷，可使得其產生的電流在一個差帶寬度為2δ的範圍內跟蹤指令電流的變化。

當有源濾波器的主電路採用電容中點式拓撲時，A，B，C三相的滯環控制脈衝是相對獨立的。其他兩相的工作情況與此相同。

2 濾波電感對補償精度的影響

非線性負載為三相不控整流橋帶電阻負載，非線性負載交流側電流iLa及其基波分量如圖5所示（以下單相分析均以A相為例）。指令電流和實際補償電流如圖6所示。當指令電流變化相對平緩時（如從π/2到5π/6段），電流跟蹤效果好，此時，網側電流波形較好。而當指令電流變化很快時（從π/6開始的一小段），電流跟蹤誤差很大；這樣會造成補償後網側電流的尖刺。使網側電流補償精度較低。

圖5 三相不控整流負載交流側A相電流及基波分量

圖6 指令電流與實際補償電流波形

假如不考慮指令電流的計算誤差，則網側電流的諧波含量即為補償電流對指令電流的跟蹤誤差（即圖6中陰影A1，A2，A3，A4部分）。補償電流

對指令電流的跟蹤誤差越小（即A1，A2，A3，A4部分面積越小），網側電流的諧波含量（尖刺）也就越小，當補償電流完全跟蹤指令電流時（即A1，A2，A3，A4部分面積為零時），網側電流也就完全是基波有功電流。由於滯環的頻率較高，不考慮由於滯環造成的跟蹤誤差，則如圖6所示網側電流的跟蹤誤差主要為負載電流突變時補償電流跟蹤不上所造成的。

分析三相不控整流橋帶電阻負載，設Id為負載電流直流側平均值。Ip為負載電流基波有功分量的幅值，I0=Id。

下面介紹如何計算A1面積的大小，

在π/6ωtπ/2區間內

ic＊(ωt)=Ipsinωt－Id（1）

在π/6ωtωt1一小段區間內，電流ic(ωt)可近似為直線，設a1為直線的截距，表達式為

ic(ωt)=a1－×t（2）

ic(π/6)=ic＊(π/6)（3）

ic(t1)=ic＊(t1)（4）

由式(1)～式(4)可以求出a1及t1的值。


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