有源電力濾波器設(shè)計(jì)

O 引言
近年來(lái)，公用電網(wǎng)受到了諧波電流和諧波電壓的嚴(yán)重污染，而電力電子裝置是其主要的諧波污染源。隨著電力電子裝置的日益廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)中的諧波污染也日益嚴(yán)重，并影響到供電質(zhì)量和用戶使用的安全性，因此電網(wǎng)諧波污染的治理越來(lái)越受到關(guān)注。
有源電力濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功功率的新型電力電子裝置，能對(duì)大小和頻率都變化的諧波及無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償。和傳統(tǒng)的無(wú)源濾波器相比，有突出的優(yōu)點(diǎn)。
(1)對(duì)各次諧波和分?jǐn)?shù)諧波均能有效地抑制，且可提高功率因數(shù)；
(2)系統(tǒng)阻抗和頻率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，不會(huì)影響補(bǔ)償效果。并能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響；
(3)不會(huì)產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，且能抑制由于外電路的諧振產(chǎn)生的諧波電流的變化；
(4)用一臺(tái)裝置就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各次諧波和基波無(wú)功功率的補(bǔ)償；
(5)不存在過(guò)載問(wèn)題，即當(dāng)系統(tǒng)中諧波較大時(shí)，裝置仍可運(yùn)行，無(wú)需斷開(kāi)等。
由以上可看出，它克服了傳統(tǒng)的無(wú)源濾波器的缺點(diǎn)，具有良好的調(diào)節(jié)性能，因而有很大的發(fā)展前途。
本文對(duì)適用于電力系統(tǒng)的有源電力濾波器的原理和設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

l 有源電力濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
有源電力濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖l所示。

有源電力濾波器的基本工作原理是：實(shí)時(shí)檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運(yùn)算單元計(jì)算出補(bǔ)償電流指令信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路放大產(chǎn)生補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中需用補(bǔ)償?shù)闹C渡及無(wú)功等電流抵消，最終得到期望的電源電流。在圖1中的體現(xiàn)是，當(dāng)需要補(bǔ)償負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流時(shí)，有源電力濾波器檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象負(fù)載電流iL中的諧波分量iLb后，將其反極性作為補(bǔ)償電流的指令信號(hào)iC*，再由補(bǔ)償電流發(fā)生電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流ic，其中補(bǔ)償電流ic與負(fù)載電流中諧波分量iLh大小相等，方向相反，因而兩者相互抵消，使得電源中電流中只含基波，達(dá)到消除電源電流中諧波的目的。
圖1為有源濾波器的系統(tǒng)框圖。通過(guò)霍爾傳感器檢測(cè)非線性負(fù)載的電流iLa、iLb、iLc經(jīng)電流信號(hào)調(diào)理后送入指令電流產(chǎn)生電路，指令電流產(chǎn)生模塊是由TI公司的DSP TMS320LF2407為核心建立的。DSP計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)闹C波和無(wú)功電流后，通過(guò)外部D／A送入電流跟蹤控制電路。霍爾傳感器檢測(cè)有源電力濾波器主電路的電流ica、icb、icc，經(jīng)電流信號(hào)調(diào)理后也送入電流跟蹤控制電路，電流跟蹤控制電路對(duì)主電路補(bǔ)償電流與指令電流進(jìn)行滯環(huán)比較后送出柵極開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路接受來(lái)自前級(jí)電流跟蹤控制電路的PWM信號(hào)，并經(jīng)隔離放大后驅(qū)動(dòng)主電路的開(kāi)關(guān)管，以控制主電流的電路跟隨指令電流的變化，最終達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波與無(wú)功功率的目的。電壓傳感器檢測(cè)變流器直流側(cè)總電壓，經(jīng)電壓信號(hào)調(diào)理后送入指令電流發(fā)生電路，通過(guò)合理的控制以凋節(jié)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。啟動(dòng)、關(guān)斷和保護(hù)模塊按一定的時(shí)序控制裝置的啟動(dòng)和關(guān)斷，并提供裝置的過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)熱、缺相等故障保護(hù)功能。

2 有源電力濾波器主電路設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)主電路時(shí)，應(yīng)首先確定主電路的形式，目前，有源電力濾波器主電路的形式絕大多數(shù)采用電壓型，本文選擇主電路為并聯(lián)電壓型、單個(gè)變流器的形式。
主電路設(shè)計(jì)需要解決的問(wèn)題是：主電路容量的計(jì)算；開(kāi)關(guān)器件的選擇及其參數(shù)的確定；對(duì)補(bǔ)償電流的跟蹤特性起決定作用的參數(shù)(輸出電感L、直流側(cè)電容電壓Ud、滯環(huán)寬度δ)的設(shè)計(jì)；按所選器件要求的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)以及整個(gè)裝置的各種保護(hù)電路設(shè)計(jì)。
2．1 主電路容量的計(jì)算
有源電力濾波器的容量SA由式(1)確定

式中：E為電網(wǎng)相電壓有效值；
Lc為補(bǔ)償電流有效值。
如果所設(shè)計(jì)裝置的容量為15 kVA，則

Ic=SA/3E=15x103/3x220=22．7 A
2．2 功率開(kāi)關(guān)器件的選取
目前適用于APFP中的全控型開(kāi)關(guān)器件主要有GTR、IGBT、IGCT等，器件的選擇，首先應(yīng)當(dāng)滿足工作頻率和器件容量的要求，當(dāng)單個(gè)器件的容量難以滿足要求時(shí)，可考慮采用器件的串并聯(lián)或主電路多重化等方式。其次，再考慮它們的價(jià)格。
器件的種類確定后，再確定其額定參數(shù)。其中，額定電壓由直流側(cè)電壓決定，并考慮適當(dāng)?shù)陌踩Ａ俊ｎ~定電流由補(bǔ)償電流決定。
2.3 主電路滯環(huán)寬度的選取
由于有源電力濾波器的指令電流包含高次諧波和暫態(tài)電流，故要求實(shí)際輸出的電流對(duì)指令電流有很高的跟蹤能力。在有源電力濾波器的補(bǔ)償對(duì)象已確定的情況下，有源電力濾波器主電路參數(shù)的選取，對(duì)有源電力濾波器的性能和效率有較大的影響。
下面以A相為例，分析采用滯環(huán)控制時(shí)逆變器的工作頻率f與電網(wǎng)電壓ea、變流器直流側(cè)電壓Ud及主電路電感值和滯環(huán)寬度δ間的相互關(guān)系。
對(duì)于A相半橋逆變電路，可得電路方程為

式(6)為正，即電感電流在上升。
設(shè)UC1=UC2=Ud/2，假定逆變器的工作開(kāi)關(guān)頻率較高，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)可認(rèn)為電壓ea基本不變，則滯環(huán)控制時(shí)補(bǔ)償電流的波形如圖2所示，其中δ為滯環(huán)寬度。

由圖2，以及式(4)和式(6)，可分別計(jì)算出電流的上升時(shí)間Tu和下降時(shí)間Td，即

由式(9)知，逆變器的最小工作頻率和最大工作頻率分別為

取電流滯環(huán)寬度δ為1．2A，直流側(cè)電壓Ud為l000V，主電路電感L為5mH，則由上述公式可得：最小開(kāi)關(guān)頻率為12．767 kHz，最大開(kāi)關(guān)頻率為20．833kHz，平均開(kāi)關(guān)頻率16．8 kHz。
2．4 直流側(cè)電壓的計(jì)算和電容的選取
主電路的工作模式及相應(yīng)的開(kāi)關(guān)系數(shù)，如表1所列，等效電路圖如圖3所示。

當(dāng)Ka=-1/3時(shí)，電流ica上升，即要求如果直流側(cè)電壓不能滿足大于有源電力濾波器與供電系統(tǒng)連接點(diǎn)的相電壓峰伉(Em)的3倍，即

就不會(huì)永遠(yuǎn)成立，這是不希望出現(xiàn)的。
同理，當(dāng)Ka=1／3時(shí)，電流ica下降，即要求

也不會(huì)永遠(yuǎn)成立。
所以直流側(cè)電壓應(yīng)滿足如下條件，即

意味著主電路直流側(cè)電壓值應(yīng)大于有源電力濾波器與供電系統(tǒng)連接點(diǎn)的相電壓峰值(Em)的3倍。在此基礎(chǔ)上，直流側(cè)電壓值越大，補(bǔ)償電流的跟隨性能越好，但器件的耐壓要求也就越高，因此要綜合考慮。
由式(15)，得

由此可選取直流側(cè)參考電壓Udref為1000V。
有源電力濾波器在實(shí)際運(yùn)行時(shí)很難將主電路直流側(cè)電壓控制在某一恒定值，直流側(cè)電壓波動(dòng)的根本原因在于補(bǔ)償電流在交流電源與有源電力濾波器之間的能量脈動(dòng)。若電容值選擇過(guò)小。主電路直流側(cè)電壓波動(dòng)就會(huì)過(guò)大，影響有源電力濾波器的補(bǔ)償效果；而若電容值選擇過(guò)大，則主電路直流側(cè)電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢，電容體積和價(jià)格也會(huì)增加。因此必須綜合考慮，合理選擇。
假設(shè)在某一PwM周期內(nèi)電容始終處于充電或放電狀態(tài)，直流側(cè)電容電壓最大允許偏離設(shè)定值為△Udmax，則

2．5 輸出電感值的選取
電壓型有源濾波器的補(bǔ)償特性豐要取決于輸出補(bǔ)償電流對(duì)于補(bǔ)償指令電流的跟蹤控制能力。而輸出電感值直接決定了補(bǔ)償電流的跟蹤速度，從而很大程度地影響電力有源濾波器的工作性能。電感值過(guò)大，則系統(tǒng)不能適時(shí)跟蹤指令電流信號(hào)，而且電感值的增大也會(huì)造成設(shè)備成本的增加；反之。如果太小，則補(bǔ)償后的紋波電流過(guò)大。因此，設(shè)計(jì)時(shí)必須合理選擇主電路交流側(cè)輸出電感值。
2．5．1 電感的最大取值
由主電路的模型，對(duì)于A相有

式(23)中，對(duì)于不同的諧波源和不同的補(bǔ)償要求，指令電流ica*是不同的，其最大電流變化率與補(bǔ)償參考電流的具體表達(dá)形式密切相關(guān)。其經(jīng)驗(yàn)公式為

2．5．2 電感的最小取值
如果電感取值太小，則會(huì)使補(bǔ)償電流的紋波過(guò)大，影響有源電力濾波器的補(bǔ)償效果。因此，電感的最小值主要由主電路開(kāi)關(guān)器件所產(chǎn)牛的紋波決定，電感的作用是將其在補(bǔ)償電流上產(chǎn)生的紋波限定在一定范圍內(nèi)。若有源電力濾波器的實(shí)際輸出電流偏離指令電流的最大允許值為△imax，則

因而可以根據(jù)式(23)和式(29)，并結(jié)合實(shí)際情況對(duì)交流側(cè)電感值進(jìn)行選取和調(diào)整，從而選擇合適的電感值。

3 結(jié)語(yǔ)
本文分析了有源電力濾波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)其主電路的參數(shù)設(shè)計(jì)給出了理論上的依據(jù)，討論了采用滯環(huán)控制時(shí)電網(wǎng)電壓、變流器工作頻率、直流側(cè)電壓及主電路電感值和滯環(huán)寬度間的相互關(guān)系。