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[導(dǎo)讀]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(wèn)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(lái)源,諧波造成的危害日益嚴(yán)重。二是電

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(wèn)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(lái)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(wú)源元件,特別是電解電容在成本、體積和可靠性等方面無(wú)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(guó)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?。用高頻有源濾波器取代電解電容是一種“硅解“無(wú)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(jiǎn)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(guò)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(cè)到的直流分量ud.dc得紋波分量ua.ac,ua.ac通過(guò)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(cè)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(guò)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(guò)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(cè)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(guò)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。

 

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