有源電力濾波器設計

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重污染，而電力電子裝置是其主要的諧波污染源。隨著(zhù)電力電子裝置的日益廣泛應用，電網(wǎng)中的諧波污染也日益嚴重，并影響到供電質(zhì)量和用戶(hù)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、補償無(wú)功功率的新型電力電子裝置，能對大小和頻率都變化的諧波及無(wú)功功率進(jìn)行補償。和傳統的無(wú)源濾波器相比，有突出的優(yōu)點(diǎn)。
(1)對各次諧波和分數諧波均能有效地抑制，且可提高功率因數；
(2)系統阻抗和頻率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，不會(huì )影響補償效果。并能對頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補償，且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響；
(3)不會(huì )產(chǎn)生諧振現象，且能抑制由于外電路的諧振產(chǎn)生的諧波電流的變化；
(4)用一臺裝置就可以實(shí)現對各次諧波和基波無(wú)功功率的補償；
(5)不存在過(guò)載問(wèn)題，即當系統中諧波較大時(shí)，裝置仍可運行，無(wú)需斷開(kāi)等。
由以上可看出，它克服了傳統的無(wú)源濾波器的缺點(diǎn)，具有良好的調節性能，因而有很大的發(fā)展前途。
本文對適用于電力系統的有源電力濾波器的原理和設計進(jìn)行介紹。

l 有源電力濾波器系統結構
有源電力濾波器系統結構如圖l所示。

有源電力濾波器的基本工作原理是：實(shí)時(shí)檢測補償對象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運算單元計算出補償電流指令信號，該信號經(jīng)補償電流發(fā)生電路放大產(chǎn)生補償電流，補償電流與負載電流中需用補償的諧渡及無(wú)功等電流抵消，最終得到期望的電源電流。在圖1中的體現是，當需要補償負載所產(chǎn)生的諧波電流時(shí)，有源電力濾波器檢測出補償對象負載電流iL中的諧波分量iLb后，將其反極性作為補償電流的指令信號iC*，再由補償電流發(fā)生電路產(chǎn)生補償電流ic，其中補償電流ic與負載電流中諧波分量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，達到消除電源電流中諧波的目的。
圖1為有源濾波器的系統框圖。通過(guò)霍爾傳感器檢測非線(xiàn)性負載的電流iLa、iLb、iLc經(jīng)電流信號調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計算出需要補償的諧波和無(wú)功電流后，通過(guò)外部D／A送入電流跟蹤控制電路?；魻杺鞲衅鳈z測有源電力濾波器主電路的電流ica、icb、icc，經(jīng)電流信號調理后也送入電流跟蹤控制電路，電流跟蹤控制電路對主電路補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)驅動(dòng)信號，驅動(dòng)電路接受來(lái)自前級電流跟蹤控制電路的PWM信號，并經(jīng)隔離放大后驅動(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，最終達到實(shí)時(shí)補償諧波與無(wú)功功率的目的。電壓傳感器檢測變流器直流側總電壓，經(jīng)電壓信號調理后送入指令電流發(fā)生電路，通過(guò)合理的控制以凋節直流側電壓的穩定。啟動(dòng)、關(guān)斷和保護模塊按一定的時(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、缺相等故障保護功能。

2 有源電力濾波器主電路設計
設計主電路時(shí)，應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。
主電路設計需要解決的問(wèn)題是：主電路容量的計算；開(kāi)關(guān)器件的選擇及其參數的確定；對補償電流的跟蹤特性起決定作用的參數(輸出電感L、直流側電容電壓Ud、滯環(huán)寬度δ)的設計；按所選器件要求的驅動(dòng)電路的設計以及整個(gè)裝置的各種保護電路設計。
2．1 主電路容量的計算
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為補償電流有效值。
如果所設計裝置的容量為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A(yíng)PFP中的全控型開(kāi)關(guān)器件主要有GTR、IGBT、IGCT等，器件的選擇，首先應當滿(mǎn)足工作頻率和器件容量的要求，當單個(gè)器件的容量難以滿(mǎn)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(lèi)確定后，再確定其額定參數。其中，額定電壓由直流側電壓決定，并考慮適當的安全裕量。額定電流由補償電流決定。
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)際輸出的電流對指令電流有很高的跟蹤能力。在有源電力濾波器的補償對象已確定的情況下，有源電力濾波器主電路參數的選取，對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。
對于A(yíng)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)周期內可認為電壓ea基本不變，則滯環(huán)控制時(shí)補償電流的波形如圖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 直流側電壓的計算和電容的選取
主電路的工作模式及相應的開(kāi)關(guān)系數，如表1所列，等效電路圖如圖3所示。

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

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

也不會(huì )永遠成立。
所以直流側電壓應滿(mǎn)足如下條件，即

意味著(zhù)主電路直流側電壓值應大于有源電力濾波器與供電系統連接點(diǎn)的相電壓峰值(Em)的3倍。在此基礎上，直流側電壓值越大，補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

由此可選取直流側參考電壓Udref為1000V。
有源電力濾波器在實(shí)際運行時(shí)很難將主電路直流側電壓控制在某一恒定值，直流側電壓波動(dòng)的根本原因在于補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。主電路直流側電壓波動(dòng)就會(huì )過(guò)大，影響有源電力濾波器的補償效果；而若電容值選擇過(guò)大，則主電路直流側電壓動(dòng)態(tài)響應變慢，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。
假設在某一PwM周期內電容始終處于充電或放電狀態(tài)，直流側電容電壓最大允許偏離設定值為△Udmax，則

2．5 輸出電感值的選取
電壓型有源濾波器的補償特性豐要取決于輸出補償電流對于補償指令電流的跟蹤控制能力。而輸出電感值直接決定了補償電流的跟蹤速度，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，則系統不能適時(shí)跟蹤指令電流信號，而且電感值的增大也會(huì )造成設備成本的增加；反之。如果太小，則補償后的紋波電流過(guò)大。因此，設計時(shí)必須合理選擇主電路交流側輸出電感值。
2．5．1 電感的最大取值
由主電路的模型，對于A(yíng)相有

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

2．5．2 電感的最小取值
如果電感取值太小，則會(huì )使補償電流的紋波過(guò)大，影響有源電力濾波器的補償效果。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償電流上產(chǎn)生的紋波限定在一定范圍內。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

因而可以根據式(23)和式(29)，并結合實(shí)際情況對交流側電感值進(jìn)行選取和調整，從而選擇合適的電感值。

3 結語(yǔ)
本文分析了有源電力濾波器的系統結構和工作原理，對其主電路的參數設計給出了理論上的依據，討論了采用滯環(huán)控制時(shí)電網(wǎng)電壓、變流器工作頻率、直流側電壓及主電路電感值和滯環(huán)寬度間的相互關(guān)系。