直流側(cè)電力有源濾波器濾除諧波干擾的原理及方案

1 引言

隨著電力電子裝置的迅速發(fā)展，產(chǎn)生了兩方面的問題：一是電力電子變流電路產(chǎn)生的諧波干擾已成為電力系統(tǒng)之中諧波的主要來源，諧波造成的危害日益嚴重。二是電力電子系統(tǒng)中的無源元件，特別是電解電容在成本、體積和可靠性等方面無多大改進。由于諧波引起發(fā)熱危及電解電容的使用壽命，因此，電解電容成為電力電子系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)。

為了消除諧波的影響，近幾年國內(nèi)外進行了電壓型和電流型有源濾波器的研究，在電網(wǎng)交流側(cè)進行補償。在電力電子系統(tǒng)中帶負載的變換器是一個諧波源，引起直流側(cè)的電流和電壓的波動，若人為地在直流側(cè)再加一個反相位的諧波源，即可控有源濾波器就可使兩者諧波相互抵消，達到諧波內(nèi)補償?shù)淖饔谩Ｓ酶哳l有源濾波器取代電解電容是一種“硅解“無源元件的辦法。這種新結(jié)構(gòu)既可使諧波不外傳，又可取消電解電容。

本文介紹電壓型逆變器用作直流側(cè)電力有源濾波器濾除諧波，同時取代電解電容的原理及方案。

2 諧波補償原理

電壓型變換器在直流環(huán)節(jié)中的基本元件是電解電容，它可以吸收負載和電源產(chǎn)生的諧波。用電力有源濾波器替代電解電容，一方面“硅解”電解電容，另一方面可以更好地實現(xiàn)諧波補償。

圖1為電壓型逆變器主電路圖。為簡化分析，電路采用直流電壓源供電。圖中UB為直流電壓源，RB、LB分別為電壓源內(nèi)部電阻和電感。虛線框內(nèi)為取代電解電容的電力有源濾波器。

負載為感性時，逆變器輸入電流包括兩部分：直流量id.dc和紋波id.ac即：

id=id.dc+id.ac(1)

為補償諧波電流id.ac，要求電力有源濾波器輸入電流ig與id.ac大小相等方向相反，即：

ig=-id.ac(2)

這時直流電壓源輸出電流為：

i=id+ig=id.dc(3)

直流電壓源輸出電流等于逆變器輸入電流的直流分量。

圖1用有源濾波器替代電解電容的單相逆變器

電力有源濾波器為單相電流型，開關(guān)器件S1-S4采用功率MOSFET，其工作頻率高，響應(yīng)速度快。LF為有源濾波器直流側(cè)儲能元件，C為解調(diào)交流電容。

電抗器LF中的電流if經(jīng)開關(guān)器件S1-S4切換，在有源濾波器輸入端產(chǎn)生包含逆變器輸入紋波電流id.ac在內(nèi)的調(diào)制波電流if.ac。電流if.ac經(jīng)交流電容解調(diào)后產(chǎn)生與逆變器輸入紋波電流id.ac近似等值而反向的電流ig，從而補償了逆變器輸入紋波電流id.ac。

3 電力有源濾波器的控制

電力有源濾波器采用直流環(huán)電壓滯環(huán)控制的方法，控制電路方框圖如圖2所示。它包括基本控制，電抗器LF的平均電流控制及諧振抑制等。

圖2有源濾波器控制框圖

基本控制部分由低通濾波器(1)和(2)，滯環(huán)比較器，過零比較器，整流電路和比較器組成。直流環(huán)電壓ud減去低通濾波器(1)檢測到的直流分量ud.dc得紋波分量ua.ac，ua.ac通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生邏輯信號I1。逆變器輸入電流id減去低通濾波器(2)檢測的直流分量id.dc，得紋波電流信號id.ac。id.ac一方面經(jīng)過零比較器產(chǎn)生代表電流極性的邏輯信號I2，另一方面經(jīng)整流電路和比較器產(chǎn)生判斷|id.ac|是否超過閾A的邏輯信號I3。I1-I3經(jīng)譯碼器產(chǎn)生開關(guān)器件(S1-S4)的控制信號Ugs1-Ugs4。

電抗器LF平均電流控制部分由PI調(diào)節(jié)器，超前補償器和低通濾波器(3)組成。此部分可使電抗器的平均電流保持恒值并使電抗器具有足夠的能量。if*為參考電流，if.dc為低通濾波器(3)檢測出的電抗器電流if的平均分量。偏差電壓信號ue反映了if.dc和if*的偏差。ue和ud.ac疊加，通過滯環(huán)比較器改變有源濾波器電流if.ac的占空比，從而使電抗器上承受正向平均電壓。

諧波抑制部分包括帶通濾波器和放大器As。此控制部分用以抑制系統(tǒng)投入工作或逆變器輸入紋波電流發(fā)生突變時LB和C之間可能發(fā)生的諧振。

4 PSPICE仿真結(jié)果

圖1所示單相橋式PWM逆變器電路，取UB為300V，RB為0.1Ω，LB為100μH，輸出頻率為30Hz。負載為阻感性負載，其中電阻為10Ω，電感為700mH。有源濾波器的電感LF為85mH，電容C為10μF。S1-S4采用功率MOSFET。仿真控制電路框圖如圖2所示。

圖3(a)(b)分別為逆變器直流環(huán)電壓ud和直流環(huán)電流i的PSPICE仿真波形。結(jié)果表明，直流環(huán)電壓和電流為基本平直的電壓和電流。

5 結(jié)論

(a)直流環(huán)電壓ud
(b)直流環(huán)電流i
圖3PSPICE仿真結(jié)果

電力有源濾波器作為諧波源，可以替代電解電容，補償逆變器輸入紋波電流，實現(xiàn)交流電路的諧波內(nèi)補償及電解電容的硅解。隨著電力電子器件高頻化及電力電子技術(shù)的發(fā)展，這種諧振自適應(yīng)系統(tǒng)會具有很高的應(yīng)用價值。

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