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(yán)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(jìn)。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(jìn)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(jìn)行補(bǔ)償。在電力電子系統(tǒng)中帶負(fù)載的變換器是一個(gè)諧波源，引起直流側(cè)的電流和電壓的波動(dòng)，若人為地在直流側(cè)再加一個(gè)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(dá)到諧波內(nèi)補(bǔ)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(shí)取代電解電容的原理及方案。

　　2 諧波補(bǔ)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(fù)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(shí)現(xiàn)諧波補(bǔ)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(fù)載為感性時(shí)，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(bǔ)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(shí)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(chǔ)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(bǔ)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)I3。I1－I3經(jīng)譯碼器產(chǎn)生開關(guān)器件（S1－S4）的控制信號(hào)Ugs1－Ugs4。

  電抗器LF平均電流控制部分由PI調(diào)節(jié)器，超前補(bǔ)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(hào)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(shí)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(fù)載為阻感性負(fù)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

　　

　?。╝）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(bǔ)償逆變器輸入紋波電流，實(shí)現(xiàn)交流電路的諧波內(nèi)補(bǔ)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(huì)具有很高的應(yīng)用價(jià)值。