直流側APF主電路參數與補償性能的關系

1　引言

　　電力電子裝置的廣泛應用，在電力系統中產生了大量的電力諧波。電力諧波主要有以下幾個方面的危害[1-3]：使電能的生產、傳輸和利用效率降低；使電器過熱、產生振動和噪聲；并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀；引起電力系統局部并聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀；引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現混亂；對于電力系統外部，諧波對通信設備和電子設備會產生嚴重的電磁干擾等。有源電力濾波器(APF)被認為是一種很有前途的諧波治理方法。文中討論的直流側APF主要針對整流負載的諧波治理[4]。

　　直流側有源電力濾波器主電路的參數與其補償性能和整個系統的成本有著密切的關系，因此主電路參數的確定就尤為重要。主電路參數選取是否適當，不僅決定系統能否正常工作，而且影響系統的補償性能，還影響整個系統的成本。文中分別討論了主電路的主要參數(電感L、直流側儲能電容C)以及電容電壓Uc與補償性能之間的關系，并給出了參數選取標準。為直流側有源電力濾波器主電路參數的設計提供了理論依據。最后，根據文中提出的參數選取標準，設計并調試了一臺試驗樣機，試驗結果證明了文中理論分析的正確性。

2　直流側APF的工作原理[4]
　　
　　與交流側APF相比，直流側APF主電路結構由全橋或半橋結構簡化為雙向 Boost結構。其功率級電路如圖1所示，其中L、S1、S2、Cp構成兩象限Boost型變換器。開關S1、S2互補導通，在一個開關周期中，S1導通的時間為占空比D對應的時間。

　　對于 DC側APF來說，如果從整流橋直流側向輸出端看去，負載和與之相并聯的DC側APF一起視為純電阻，則達到了控制目的。此時，對于電源來說，可以用一個等效電阻來模擬非線性負載與DC側APF相并聯的整體電路，并設該等效電阻為Re，則DC側APF的控制目標可表示為

　　(1)
　　在準靜態狀態，兩象限Boost變換器的輸入輸出關系滿足

　　(2)
　　將DC側APF的控制目標(1)式帶入(2)式，等式兩邊同乘電流ig取樣比Rs,得到

　　(3)
　　令，則(3)式可以簡寫為

　　(4)
　　在每個開關周期TS內，認為ig、vm近似不變，對(4)式兩邊同時在一個開關周期內積分，得

　　(5)
　　方程（5）可以采用單周控制方式[4]來實現。如果在每個開關周期中都滿足了(5)式，也就使電網輸出電流保持為正弦波，達到了諧波補償的目的。

3主電路參數與補償性能的關系

3.1電感L的確定

　　控制APF中各開關器件的目的是使APF產生的補償電流能夠實時跟蹤非線性負載電流中的諧波和無功電流的變化，并提供大小相同、方向相反的諧波和無功電流，使電網向負載和APF構成的整體電路提供正弦電流。電感電流的動態指標決定了APF的跟蹤效果。從理論上講，在一定范圍內，電感電流的動態變化率越大，補償效果越好。在ugmax，Uc相同的情況下，如果L的值小一些，就會大一些。當然也不是L越小越好。L越小，越大，會在補償電流中產生過大的紋波電流，從而影響補償效果。因此應確定APF可以跟蹤的負載電流最大變化率。下面將推導確定負載電流變化最大值的近似公式。如果APF的開關頻率為fs，那么APF能夠補償的最高次數諧波頻率
fh＝

　　(6)
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