直流側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展，產生了兩方面的問題：一是電力電子變流電路產生的諧波干擾已成為電力系統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中最薄弱的環節。

為了消除諧波的影響，近幾年國內外進行了電壓型和電流型有源濾波器的研究，在電網交流側進行補償。在電力電子系統中帶負載的變換器是一個諧波源，引起直流側的電流和電壓的波動，若人為地在直流側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，達到諧波內補償的作用。用高頻有源濾波器取代電解電容是一種“硅解“無源元件的辦法。這種新結構既可使諧波不外傳，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節中的基本元件是電解電容，它可以吸收負載和電源產生的諧波。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分別為電壓源內部電阻和電感。虛線框內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，開關器件S1-S4采用功率MOSFET，其工作頻率高，響應速度快。LF為有源濾波器直流側儲能元件，C為解調交流電容。

電抗器LF中的電流if經開關器件S1-S4切換，在有源濾波器輸入端產生包含逆變器輸入紋波電流id.ac在內的調制波電流if.ac。電流if.ac經交流電容解調后產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電壓滯環控制的方法，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)，滯環比較器，過零比較器，整流電路和比較器組成。直流環電壓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通過滯環比較器產生邏輯信號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一方面經過零比較器產生代表電流極性的邏輯信號I2，另一方面經整流電路和比較器產生判斷|id.ac|是否超過閾A的邏輯信號I3。I1-I3經譯碼器產生開關器件(S1-S4)的控制信號Ugs1-Ugs4。

電抗器LF平均電流控制部分由PI調節器，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投入工作或逆變器輸入紋波電流發生突變時LB和C之間可能發生的諧振。

4 PSPICE仿真結果

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電壓ud和直流環電流i的PSPICE仿真波形。結果表明，直流環電壓和電流為基本平直的電壓和電流。

5 結論

(a)直流環電壓ud
(b)直流環電流i
圖3PSPICE仿真結果

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，實現交流電路的諧波內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的發展，這種諧振自適應系統會具有很高的應用價值。

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