（电力电子与电力传动专业论文）并联型三相四线制有源电力滤波器参数设计与仿真.pdf

四川人学硕十学位论文 f r e q u e n c y h a r m o n i c sp r o d u c e db ya p f i na d d i t i o n ，t h ea p p r o p r i a t e p a r a m e t e r so fs n u b b e rc i f c u it sa n dd e a d t j m e sf o ri g b tw e r ew o r k e do u t f i n a l l y ，s m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v e da l lt h ev a l i d i t ya n d r e l i a b i li t yh e r e i n b e f o r e k e y w o r d s ：a p f ，s h u n t ，t h r e e p h a s e ，f o u r w i r e ，h a r m o n i cs u p p r e s s i o n ， s i m u l a t i o n 四川大学硕士学位论文 1 概述 1 1 谐波抑制和有源电力滤波器 在公用电网中，电力电子装置、变压器、发电机、电弧炉、荧光灯等都会 产生大量的谐波。并且随着电力电子装置在工业中日益广泛应用，产生的谐波 和无功电流对电力系统的危害越来越大。谐波使电能的生产、传输和利用的效 率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短， 甚至发生故障或烧毁。谐波会引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波 含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作， 使电能计量出现混乱。对电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严 重干扰。 为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一 条是装设谐波补偿装置来补筒皆波，这对各种谐波源都适用：另一条是对电力 电予装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为l ，这只适用 于主要谐波源是电力电子装置的隋况。 装设谐波补偿装置的传统方法是采用l c 调谐滤波器。这种方法既可补偿 谐波，又可补偿无功功率，而且具有投资少、结构简单、运行可嚣及维护方便 等优点，因此是目前广泛采用的黼螂黻吸无功补偿的手段。由于无源滤波器 是通过在系统中为谐波提供个并联低阻通路而起到滤波作用。其滤波特性由 系统和滤波器的阻抗比决定，因而补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和 系统发生并联谐振，导致谐波放大，使l c 滤波器过载甚至烧毁。此外，它只 能补偿固定频率谐波，补偿效果也不甚理想。 由于无源滤波器具有以上缺点，目前谐波抑制的个重要趋势是采用有源 电力滤i 皮器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，缩写为a f f ) 。有源电力滤波器也是种 电力电子装置。舅辫原理嘘幼峙阼撇中检测出谐波电流，由 卜l 磐睫置产生 个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波 分量。这种滤波器的特点为： ( 1 ) 实现了动态补偿，可对频率和大小都变化帆旨波以及变化的无功功率 进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应； ( 2 ) 可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率的大小可做到连 四川大学硕士学位论文 1 概述 1 1 谐波抑制和有源电力滤波器 在公用电网中，电力电子装置、变压器、发电机、电弧炉、荧光灯等都会 产生大量的谐波。并且随着电力电子装置在工业中日益广泛应用，产生的谐波 和无功电流对电力系统的危害越来越大。谐波使电能的生产、传输和利用的效 率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短， 甚至发生故障或烧毁。谐波会引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波 含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作， 使电能计量出现混乱。对电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严 重干扰。 为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一 条是装设谐波补偿装置来补筒皆波，这对各种谐波源都适用：另一条是对电力 电予装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为l ，这只适用 于主要谐波源是电力电子装置的隋况。 装设谐波补偿装置的传统方法是采用l c 调谐滤波器。这种方法既可补偿 谐波，又可补偿无功功率，而且具有投资少、结构简单、运行可嚣及维护方便 等优点，因此是目前广泛采用的黼螂黻吸无功补偿的手段。由于无源滤波器 是通过在系统中为谐波提供个并联低阻通路而起到滤波作用。其滤波特性由 系统和滤波器的阻抗比决定，因而补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和 系统发生并联谐振，导致谐波放大，使l c 滤波器过载甚至烧毁。此外，它只 能补偿固定频率谐波，补偿效果也不甚理想。 由于无源滤波器具有以上缺点，目前谐波抑制的个重要趋势是采用有源 电力滤i 皮器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，缩写为a f f ) 。有源电力滤波器也是种 电力电子装置。舅辫原理嘘幼峙阼撇中检测出谐波电流，由 卜l 磐睫置产生 个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波 分量。这种滤波器的特点为： ( 1 ) 实现了动态补偿，可对频率和大小都变化帆旨波以及变化的无功功率 进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应； ( 2 ) 可同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率的大小可做到连 四川大学硕士学位论文 续调节： ( 3 ) 补偿无功功率时不需要储能元件；补偿谐波时所需要储能元件容量也 不大； ( 4 ) 即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正常 发挥补偿作用； ( 5 ) 受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振： ( 6 ) 能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响； ( 7 ) 既可对竹皆波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补 偿。 总之，有源电力滤波器具有无源滤波器所不具备的巨大优势，因而受到广 泛的重视。 早在7 0 年代初期，日本学者就提出了有源电力滤波器的概念。1 9 7 6 年美 国西屋电气公司的lg y u g i 提出利用大功率晶体管组成的p w m 逆变器构成的有 源电力滤波器消除电网谐波。由于受到当时功率半导体器件水平的限制，有源 电力滤波器的研制一直处在实验研究阶段。进入8 0 年代以后，随着电力电子 技术的飞速发展，大功率可关断器件( g t r ，g t o ，i g b t 等) 的不断进步，以 及对非正弦条件下无功功率补偿理论的深入研究，特别是瞬时无功理论的提 出，为有源电力滤波器的实用化提供了必要的条件，使之在工业匕得到了广泛 的应用。 有源电力滤波器作为消除电力公害、改善供电质量的有力工具，在美国、 日本等发达工业国家旷泛用于国民经济的各个生产部门。自1 9 8 2 年世界e 第一台g t o 有源电力滤波器在日本投入运行，最大的一台容量达到2 0 m v a 。日 本作为电力电子技术最发达的国家，有源电力滤波器已经到了普及应用阶段。 与国外相比，我国的有源滤波技术还处在研究阶段，工业应用中只有少数几台 投入运行。随着我国国民经济的飞速发展，电力系统高次谐波问题的日益严重， 对有源电力澉器的研制和应用要提高到个新的认识黻。伴随着我国电能 质量治理工作的深入开展，利用a p f 进行谐波治理将会具有巨大的市场应用潜 力，有源滤波技术必将得到广泛的应用。 四川大学硕士学位论文 1 2 有源电力滤波器的基本原理 有源电力滤波器由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电 路( 由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成) 。其中，指令电 流运算电路的杨心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量，因此有 时也称之为谐波和无功电流检测电路。补偿电流发生电路的作用是根据指令电 流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。主电路目前均 采用p 1 j 】m 变流器。 作为主电路的p w m 变流器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器而工作。 但它并不仅仅是作为逆变器而工作的，如在电网向有源电力滤波器直流侧储能 元件充电时，它就作为整流器工作。也就是说，它既工作于逆变状态，也工作 于整流状态，且两种工作状态无法严格区分。因此，一般称其为变流器，而不 称之为逆变器。 臌r 斟照l 凡r 五_ 亡年 图1 ，1 并联型有源电力滤波器系统构成 如图1 1 所示，有源电力滤波器的基本工作原理是，检澳蚌 偿对象的电 压和电流，经指令嘲麟电路计算出补隆电流的指令信号，该信号经 h 尝电 流发生电路放大，得出补偿电流。补偿电流和负载电流中要补偿的谐波及无功 电流相抵消，最终得到期望的电源电流。例如，当要补偿负载所产生的谐波电 流时，有源电力滤波别佥测出补徽负载电流屯中的谐波分量“，将其反 极性后作为补偿电流的指令信号屯，由补偿电流发生电路产生的补偿电流f c 嚣j | | 文学壤士学霞论文 裁秘受裁中熬谐波分量垃大小糟等，方逸稳反，要$ 目抵消，使得电源卷凝孛 只含基波，达到_ ；降带4 电源电流中诣没酌蟊的。用公试装示为；龟= 如+ “； 0 = 一“；= 如+ i l = “( 豇，为负载电流的基波分爨) 。如要对之有源电力滤波器 在 隧潞波的弼懿，绻受载敬无功功攀，爨4 只要穰於偿电流靛指令售罨巾瀵 热与炱载瞧流的藻波无功分鬃笈极健的成分& i 可。逡祥， 聪龟流与受载电流 中的谐波褪无功成分掘抵消，魄源电# 藏簿予负载电流的基波裔功分量。腻榉， 有源奄力滤波器述霹戮对不辩称三相镦踌鲶受痔藏流等逶獬瞧。 1 。3 煮源电力滤波器的系统构成 稷攒肖源魄力滤波器揍久邀鹣静充式，将系统梅成分麓辩大类，= 箨联 型和串联墅。 祷港电力游漩嚣 r 并联熬串联激 荤狻餐鬻方式 繁独蕤耀方熨 卜鸯t e 滩渡器滢会髓黼方式l 潞渡豁甄含睫甩方蒜 l弩l _ g 潞渡嚣辩联 l卑嚣游滚熊零联 卜谟入嘲鼯方式 il c 串联谐攮方式 l c 并联鏊撬露装 。每穗黪耄鞔雾蘑雾装 固1 2 鸯谳电办滤波嚣的系统构戚旁式 1 3 1 并联型有源电力滤波器 毒滚魄力滤波器秘圭遣鼹与受载黪璇接入毫阏，稔必势驳墅。 l ，肇独使蕊鹤并联型有源滤波器 单馘聪熬势联型鸯源滤波嚣国交漩嚣、与其襁港熬患感、童滚熬裱缝嚣 侔( 电容) 构成。与有源电力滤波器并联的阶商邋游波器，用于滤除有源电 力滤波器所产生的补偿电流中歼关频攀附近的谐波。补偿电流基本上由有源电 4 嚣j | | 文学壤士学霞论文 裁秘受裁中熬谐波分量垃大小糟等，方逸稳反，要$ 目抵消，使得电源卷凝孛 只含基波，达到_ ；降带4 电源电流中诣没酌蟊的。用公试装示为；龟= 如+ “； 0 = 一“；= 如+ i l = “( 豇，为负载电流的基波分爨) 。如要对之有源电力滤波器 在 隧潞波的弼懿，绻受载敬无功功攀，爨4 只要穰於偿电流靛指令售罨巾瀵 热与炱载瞧流的藻波无功分鬃笈极健的成分& i 可。逡祥， 聪龟流与受载电流 中的谐波褪无功成分掘抵消，魄源电# 藏簿予负载电流的基波裔功分量。腻榉， 有源奄力滤波器述霹戮对不辩称三相镦踌鲶受痔藏流等逶獬瞧。 1 。3 煮源电力滤波器的系统构成 稷攒肖源魄力滤波器揍久邀鹣静充式，将系统梅成分麓辩大类，= 箨联 型和串联墅。 祷港电力游漩嚣 r 并联熬串联激 荤狻餐鬻方式 繁独蕤耀方熨 卜鸯t e 滩渡器滢会髓黼方式l 潞渡豁甄含睫甩方蒜 l弩l _ g 潞渡嚣辩联 l卑嚣游滚熊零联 卜谟入嘲鼯方式 il c 串联谐攮方式 l c 并联鏊撬露装 。每穗黪耄鞔雾蘑雾装 固1 2 鸯谳电办滤波嚣的系统构戚旁式 1 3 1 并联型有源电力滤波器 毒滚魄力滤波器秘圭遣鼹与受载黪璇接入毫阏，稔必势驳墅。 l ，肇独使蕊鹤并联型有源滤波器 单馘聪熬势联型鸯源滤波嚣国交漩嚣、与其襁港熬患感、童滚熬裱缝嚣 侔( 电容) 构成。与有源电力滤波器并联的阶商邋游波器，用于滤除有源电 力滤波器所产生的补偿电流中歼关频攀附近的谐波。补偿电流基本上由有源电 4 嚣j | | 文学壤士学霞论文 裁秘受裁中熬谐波分量垃大小糟等，方逸稳反，要$ 目抵消，使得电源卷凝孛 只含基波，达到_ ；降带4 电源电流中诣没酌蟊的。用公试装示为；龟= 如+ “； 0 = 一“；= 如+ i l = “( 豇，为负载电流的基波分爨) 。如要对之有源电力滤波器 在 隧潞波的弼懿，绻受载敬无功功攀，爨4 只要穰於偿电流靛指令售罨巾瀵 热与炱载瞧流的藻波无功分鬃笈极健的成分& i 可。逡祥， 聪龟流与受载电流 中的谐波褪无功成分掘抵消，魄源电# 藏簿予负载电流的基波裔功分量。腻榉， 有源奄力滤波器述霹戮对不辩称三相镦踌鲶受痔藏流等逶獬瞧。 1 。3 煮源电力滤波器的系统构成 稷攒肖源魄力滤波器揍久邀鹣静充式，将系统梅成分麓辩大类，= 箨联 型和串联墅。 祷港电力游漩嚣 r 并联熬串联激 荤狻餐鬻方式 繁独蕤耀方熨 卜鸯t e 滩渡器滢会髓黼方式l 潞渡豁甄含睫甩方蒜 l弩l _ g 潞渡嚣辩联 l卑嚣游滚熊零联 卜谟入嘲鼯方式 il c 串联谐攮方式 l c 并联鏊撬露装 。每穗黪耄鞔雾蘑雾装 固1 2 鸯谳电办滤波嚣的系统构戚旁式 1 3 1 并联型有源电力滤波器 毒滚魄力滤波器秘圭遣鼹与受载黪璇接入毫阏，稔必势驳墅。 l ，肇独使蕊鹤并联型有源滤波器 单馘聪熬势联型鸯源滤波嚣国交漩嚣、与其襁港熬患感、童滚熬裱缝嚣 侔( 电容) 构成。与有源电力滤波器并联的阶商邋游波器，用于滤除有源电 力滤波器所产生的补偿电流中歼关频攀附近的谐波。补偿电流基本上由有源电 4 四川大学硕士学位论文 力滤波舔毫供。速 方式楚毒滋毫力滤波爨中簸基本静形式，氇蔻鞫湖最 多的一_ 种。其系统构成见图1 3 所示。 蕊i 3 单独使霸的并联型眷源电力滤泼器 这种方式可用于； ( 1 ) 只补偿谐波 ( 2 ) 只李嘲凌凌率，毒 偿嚣多少霹投据嚣爨连续调节； ( 3 ) 补偿三栩不对称电流 ( ) 补偿供惫点电压波动； ( 5 ) 以上侄意埙携缀含。 只燹采用适当的控制方法就可以达到多种补偿的目的，实现的功能最为 事富荧滤。毽是由予交流电滠的萋波电压襄接撇日到变凌器已飘 隧毫旋基 本蠡变溅嚣提供，敌簧求变流器其有较大鹊褰爨。 2 、奄l c 滤波器混合谈嗣方式 a ) 与l c 滤波器并联 o 且白仂 o 以，增大 0 0 且d 。d t 0e 0 减小 图2 2 8 电容电压距，和如的变化情况 在本设计中，主电路采用带两个相同电容的三相变流器形式，如图2 2 8 左图所示，具体可见第三章相关章节。按照参考文献 7 的分析，在补偿电流 0 0 的情况下，臼升高，白降低，但是它们的变化值并不相等。因为成以口 的值受交流相电压的瞬时值的影响。在0 1 0 s = 七u 一1 0 a u 1 0 此时参考电流0 = i d + 占。 l 一5 0 a u - 1 0 。4 式中0 为由控制策略计算出的参考电流。f 二为加入直流侧两电容电压 对称控制后的参考电流。 一对豁岖的揪：雠三葬就黧饶 用o r c a d p s p i c e 9 1 进行仿真，取电网相电压为2 2 0 v ，工频5 0 h z 。三相 有源电力滤波器参数为：直流侧电容c 0 = 4 m f 、c 玉= 4 【i f ；出线电感= 1 5 州。 采用瞬时无功理论扫一岛运算方式。所带的非线性负载如图2 2 9 。 四j i i 大学硕士学位论文 a b c o 图2 2 9 仿真用的非线性负载 图2 3 1 有对称电压控制时的电容电压波形 四川大学硕士学位论文 对比图2 3 0 和图2 3 1 可以看出，在指令电流的运算过程中加入直流侧对 称电压控制后，两电容上电压不仅变得基本对称，连纹波也小了很多。说明该 控制是有效的。 四川大学硕士学位论文 3 并联型a p f 补偿电流发生电路方案选择和参数设计 补偿电流发生部分是由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分 构成。在这三部分中首先需要对主电路进行设计。在设计主电路时，首先需确 定主电路的形式，之后需解决的问题包括：对补偿电流的跟随性能起确定作用 的几个参数：工( 出线电感值) 、c ( 直流电容值) 、屯( 电流控制的周期) 的设 计：开关器件的选择及额定参数的确定：主电路容量的计算；然后确定选择什 么样的电流跟踪方式；再按所选的器件和电流跟踪方式设计驱动电路，并设计 整个装置的各种保护电路。 3 1 三相四线制系统a p f 主电路形式和结构选择设计 按照文献 2 的介绍，常用的有源电力滤波器主电路形式可分为四相变流 器电路和三相变流器电路两种形式。 目前，三相三线制有源电力滤波器已经成功地在些工业产品中得到应 用。三相四线制有源电力滤波器的拓扑虽然早在8 0 年代就有了介绍，但在实 际系统中的应用仍然处于研究阶段，还有许多问题需要研究和解袂。随着三线 四线制系统在整个电网中产生谐波比重越来越大，研究如何用有源电力滤波器 对三相四线制系统谐波和无功进行补偿有重要意义。 图31 三相四线制有源电力滤波器系统原理图 四川大学硕士学位论文 3 并联型a p f 补偿电流发生电路方案选择和参数设计 补偿电流发生部分是由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分 构成。在这三部分中首先需要对主电路进行设计。在设计主电路时，首先需确 定主电路的形式，之后需解决的问题包括：对补偿电流的跟随性能起确定作用 的几个参数：工( 出线电感值) 、c ( 直流电容值) 、屯( 电流控制的周期) 的设 计：开关器件的选择及额定参数的确定：主电路容量的计算；然后确定选择什 么样的电流跟踪方式；再按所选的器件和电流跟踪方式设计驱动电路，并设计 整个装置的各种保护电路。 3 1 三相四线制系统a p f 主电路形式和结构选择设计 按照文献 2 的介绍，常用的有源电力滤波器主电路形式可分为四相变流 器电路和三相变流器电路两种形式。 目前，三相三线制有源电力滤波器已经成功地在些工业产品中得到应 用。三相四线制有源电力滤波器的拓扑虽然早在8 0 年代就有了介绍，但在实 际系统中的应用仍然处于研究阶段，还有许多问题需要研究和解袂。随着三线 四线制系统在整个电网中产生谐波比重越来越大，研究如何用有源电力滤波器 对三相四线制系统谐波和无功进行补偿有重要意义。 图31 三相四线制有源电力滤波器系统原理图 四川大学硕士学位论文 和三相三线制电路相比，三相四线制电路零线中有电流流过。有源滤波器 不仅要对三相谐波进行补偿，还要对零线电流进行补偿，使三相电源电流对称。 具体说来，就是要使指令电流运算电路快速准确检测出负载侧电流中的谐波、 基波负序等电流分量；而主电路也要能精确地按照指令电流信号产生对应的补 偿电流。 指令信号。由零线电流分离法检测出的系统零线电流反极性得到。产生 的零线补偿电流。与负载零线电流“相抵消，使得电源侧零线电流为零。 如图3 2 所示，从以上分析和文献 3 的介绍可知，采用四相变流器时的 主电路分工明确，各相补偿电流的产生和零线电流的补偿可以看作是由各对桥 臂独立完成的。整个系统可看作是一个四相电流跟踪控制系统。 c 图3 2 采用四相变流器的三相四线制a p f 主电路结构及其与负载的连线 图3 3 是采用四相变流器主电路形式的电力有源滤波器补偿前后的电源 电流和零线电流的仿真波形图。从图中可看出，采用四相交流器主电路形式的 电力有源滤波器能有效地补偿三相电源电流中的谐波，并消除零线中的电流。 使三相电流对称。由于采用了_ 对开关管直接控制零线电流的补偿，因此有较 好的零线补偿效果。 四川大学硕士学位论文 补偿前后零线电流波形 图33 采用四相变流器的三相四线制a p f 仿真波形 图3 4 采用三相变流器的三相四线制 p f 主电路结构及其与负载的连线 图3 4 为主电路采用三相交流器结构形式的三相四线制有源滤波器连线 示意图。图中，三相电源的零线与直流侧两个相同电容器中点相连，给零线电 流提供通道。和四相变流器的前三对开关管的指令信号相比，这里的指令信号 四川大学硕士学位论文 补偿前后零线电流波形 图33 采用四相变流器的三相四线制a p f 仿真波形 图3 4 采用三相变流器的三相四线制 p f 主电路结构及其与负载的连线 图3 4 为主电路采用三相交流器结构形式的三相四线制有源滤波器连线 示意图。图中，三相电源的零线与直流侧两个相同电容器中点相连，给零线电 流提供通道。和四相变流器的前三对开关管的指令信号相比，这里的指令信号 四川大学硕士学位论文 中不仅包含了谐波、基波负序，还包括了零序分量。三相变流器结构形式的三 相四线制有源滤波器对零序电流的控制是一种间接方式。从结构上看，三相变 流器比四相变流器采用的开关管数目少。但从控制的角度来说，由于零线电流 在两个电容上可能引起电压不平衡的情况，所以控制电路要比四相变济i 器的控 制电路复杂一些。 尽管从理论上说，有源电力滤波器以四相变流器为主电路比以三相变流器 为主电路对零线电流的控制效果要好一些，但从实际仿真效果( 如图3 5 所示) 来看差别并不太大。采用三相变流器由于所用器件少，因而更经济一些。所以 本设计采用后种方式，以后的设计和仿真分析均是针对三相变流器有源电力 滤波器进行的。 补偿前后零线电流波形 朴j i 尝前后a 相电源电流波形 图3 5 采用三相变流器的三相四线制a w 仿真波形 3 2 装置容量分析及器件选择 按参考文献 6 的观点，与其他三相交流电力设备的容量定义相同，有源 电力滤波器装置的容量为s 。= 3 u m ，。式中以即和z 擀为有源电力滤 波器交济i 儇4 相电压和相电流的有效值。有源电力滤波器与负载所接的交流电压 四川大学硕士学位论文 中不仅包含了谐波、基波负序，还包括了零序分量。三相变流器结构形式的三 相四线制有源滤波器对零序电流的控制是一种间接方式。从结构上看，三相变 流器比四相变流器采用的开关管数目少。但从控制的角度来说，由于零线电流 在两个电容上可能引起电压不平衡的情况，所以控制电路要比四相变济i 器的控 制电路复杂一些。 尽管从理论上说，有源电力滤波器以四相变流器为主电路比以三相变流器 为主电路对零线电流的控制效果要好一些，但从实际仿真效果( 如图3 5 所示) 来看差别并不太大。采用三相变流器由于所用器件少，因而更经济一些。所以 本设计采用后种方式，以后的设计和仿真分析均是针对三相变流器有源电力 滤波器进行的。 补偿前后零线电流波形 朴j i 尝前后a 相电源电流波形 图3 5 采用三相变流器的三相四线制a w 仿真波形 3 2 装置容量分析及器件选择 按参考文献 6 的观点，与其他三相交流电力设备的容量定义相同，有源 电力滤波器装置的容量为s 。= 3 u m ，。式中以即和z 擀为有源电力滤 波器交济i 儇4 相电压和相电流的有效值。有源电力滤波器与负载所接的交流电压 巍硐大学硕士学位论文 是样的，因此s , p f 主要怒由跏决定，与其大小和装置的补偿目的( 即有源 电力滤波器是只补偿谐波邂是要同时补偿谐波和无功) 有关。只补偿谐波时， 有源电力滤波器的补偿电流与负载电流的谐波分艇大小相等而方向相殷。两者 的露效缀是样豹，所以，黩艚取决于负载电流中潜波的丈，i 、。在本设诗中要 求貉和缕熬受载容量袭l o o k v a ，获三耪整流亳鼹必主要受载毫蘧，葵交浚爨 电流中的谐波分量有效值约为总有效值的2 5 。暇此，要求有源电力滤波器的 容爨约为负载装置容量的2 5 ，即2 5 k v a 。若有源电力滤波器在补偿谐波的同 时还补偿无功功率，则贾求的容量比只补偿谐波时更大。 幽予要求有源电力滤波嚣的主电路能够快速、准确地产生补偿电流。所以 圭毫路掰采用熬嚣关黎 串为l s 瓣。在遥箨i g b t 簿，注意至l 毒深毫力滤波器本 身静敲过的电流是非正弦波，所以应该以流过管予酌最大电流来确定。由图3 6 中所承，尽管稳定后流过i g b t 的电流有效值仅肖不足2 5 a ，但由于i g b t 歼通 关断产生的瞬时电流却非常高，最大约为1 5 0 a ，故选择电流参数戚约等于 1 5 0 a 。 选择i g b t 的电压定额参数时，需要考虑交流器直流侧的电压。如图3 7 所示，当有源电力滤波器工作时，为了有一个较好的补偿效果和较快的响应速 度，躐珈勰0 的电压一般要稳定在t o o 到1 2 0 0 v 中的一个值。如果太小，补偿电 四川大学硕士学位论文 流变化太陧，可能不按要求跟踪参考电流波形：如果太大，对器件的耐压要求 较高。该电压值由于有一个很大的直流侧电容的作用而波形平稳，再加上在 i g b t 上并有无感电容等进行电压噪声滤波，故i g b t 上的电压选为1 2 0 0 v 。最 终选择i r 公司生产的g a l 5 0 t d l 2 0 k 。该漠块在摄氏2 5c 时集电极可以流过 1 5 0 a 的电流、承受1 2 0 0 v 的电压，能皎好地处理系统的散热问题和过保护问 题，满足系统的需要。 图3 71 6 b t 上电压波形 采用日本三菱公司生产的驱动模块m 5 7 9 6 2 构成i g b t 的驱动电路。该驱动 模块为厚膜电路，将i g b t 的驱动和过流保护集成一体，可以驱动电压1 2 0 0 v 系列电流容量不大于4 0 0 a 的i g 驸。 另外为了抑制i g g r 的过电压、峰值电压、或过电流和峰值电流，减少器 件的开关损耗，需要对i g b t 设计缓冲吸收电路。i g b t 的缓冲吸收电路分为充 放电型和放电阳i e 型两类。充放电型有r c 吸收和r c d 吸收两种。因为r c d 吸 收电路的功率损耗和开关频率成正比，所以不太适合有源电力滤波器中开关频 率比较高的i g b t 。因此选择r c 吸收电路，如图3 8 ( a ) 所示。 经仿真分析，电容在5 n f 到2 u f ，电阻在2 至8o 之间均有比1 皎好的开关 效果。根据i g b t 的特点，最终选择l o n f 的电容，为了使吸收电路的功率损耗 尽量小，电阻选择8o 。此时吸收电路上的电流电压波形如图3 8 ( b ) f f r 示, 。 四川大学硕士学位论文 r 8 c o n i v 一 2 ，5 u2 s o a r z 9i t , s i s z s o afc z z 8 ：c i - vc ：2 e i i ( a ) r c 缓中吸收电路图( b ) 吸收电路电流电压波形图 图3 8 充放电型i g b l 缓冲吸收电路 当主电路的上下桥臂i g b t 同时导通时，将会使直流测电容短路。这是要 尽量避免的。因此，上下桥臂i g b t 的开通时间之间必须要有一定的死区时间。 该死区时间不能太小，否则可能一个i g b t 来不及关断，另一个已经导通。也 不能太大，否则减小了i g b t 的开关频率。到底取多少比较合适，通过对i g b t 参数的考察以及仿真结果来看，当开关频率在5 k l - l z 左右时，死区时间在2 u s - - 2 0 u s 都能达至| j 要求。正常情况下，此时电源电流畸变率小于3 5 。当开关 频率增大时，死区时间也要相应减小。 3 3 主电路参数的设计和选择 有源电力滤波器主电路的i 作实际e 通过进线电感三和直流侧电容c 的 充、放电来实现，因此厶c 参数的选择对滤波器的性自髓要的影响。另外， 在主电路开关器件高频通断过程中，会产生次数很高的谐波。为滤除这些谐波， 需要设置和主电路并联的高通滤波器，其中电阻、电容等参数也需要考虑。 3 3 1 直流删电容值的选择 有源电力滤波器的工作，就是直流侧电容的充、放电的过程，为保证滤波 器的性能，必须维持其直流侧电容电压基本不变。电容量大小会影响电压的波 动。电容越大，电压波动越小，有源滤波器补隆效果也越好。但电容越大，也 四川大学硕士学位论文 r 8 c o n i v 一 2 ，5 u2 s o a r z 9i t , s i sz s o afc z z 8 ：c i - vc ：2 e i i ( a ) r c 缓中吸收电路图( b ) 吸收电路电流电压波形图 图3 8 充放电型i g b l 缓冲吸收电路 当主电路的上下桥臂i g b t 同时导通时，将会使直流测电容短路。这是要 尽量避免的。因此，上下桥臂i g b t 的开通时间之间必须要有一定的死区时间。 该死区时间不能太小，否则可能一个i g b t 来不及关断，另一个已经导通。也 不能太大，否则减小了i g b t 的开关频率。到底取多少比较合适，通过对i g b t 参数的考察以及仿真结果来看，当开关频率在5 k l - l z 左右时，死区时间在2 u s - - 2 0 u s 都能达至| j 要求。正常情况下，此时电源电流畸变率小于3 5 。当开关 频率增大时，死区时间也要相应减小。 3 3 主电路参数的设计和选择 有源电力滤波器主电路的i 作实际e 通过进线电感三和直流侧电容c 的 充、放电来实现，因此厶c 参数的选择对滤波器的性自髓要的影响。另外， 在主电路开关器件高频通断过程中，会产生次数很高的谐波。为滤除这些谐波， 需要设置和主电路并联的高通滤波器，其中电阻、电容等参数也需要考虑。 3 3 1 直流删电容值的选择 有源电力滤波器的工作，就是直流侧电容的充、放电的过程，为保证滤波 器的性能，必须维持其直流侧电容电压基本不变。电容量大小会影响电压的波 动。电容越大，电压波动越小，有源滤波器补隆效果也越好。但电容越大，也 四川大学硕士学位论文 r 8 c o n i v 一 2 ，5 u2 s o a r z 9i t , s i sz s o afc z z 8 ：c i - vc ：2 e i i ( a ) r c 缓中吸收电路图( b ) 吸收电路电流电压波形图 图3 8 充放电型i g b l 缓冲吸收电路 当主电路的上下桥臂i g b t 同时导通时，将会使直流测电容短路。这是要 尽量避免的。因此，上下桥臂i g b t 的开通时间之间必须要有一定的死区时间。 该死区时间不能太小，否则可能一个i g b t 来不及关断，另一个已经导通。也 不能太大，否则减小了i g b t 的开关频率。到底取多少比较合适，通过对i g b t 参数的考察以及仿真结果来看，当开关频率在5 k l - l z 左右时，死区时间在2 u s - - 2 0 u s 都能达至| j 要求。正常情况下，此时电源电流畸变率小于3 5 。当开关 频率增大时，死区时间也要相应减小。 3 3 主电路参数的设计和选择 有源电力滤波器主电路的i 作实际e 通过进线电感三和直流侧电容c 的 充、放电来实现，因此厶c 参数的选择对滤波器的性自髓要的影响。另外， 在主电路开关器件高频通断过程中，会产生次数很高的谐波。为滤除这些谐波， 需要设置和主电路并联的高通滤波器，其中电阻、电容等参数也需要考虑。 3 3 1 直流删电容值的选择 有源电力滤波器的工作，就是直流侧电容的充、放电的过程，为保证滤波 器的性能，必须维持其直流侧电容电压基本不变。电容量大小会影响电压的波 动。电容越大，电压波动越小，有源滤波器补隆效果也越好。但电容越大，也 瓣瑙大学鼷圭学位论文 会使制髓成本增加。因此，赢流侧电容应选择一个合适的值。 电槔器上的电压波动可以用储存电荷的变动米解释。电荷量可以由充、放 电电流对时间的积分获得。在较理想的条件下，按照参考文献 1 和 4 的观点， 宅容鬟掰以双下魏方程联合求鳞褥妥。 c 。垡 q 为电容上储存的电萄；u 为参考电容电压： l ， q m 譬 q l 为最大电荷量：垒兰为要求的墩大电压波动 u 嫉一言舅3 艺痰掰珐必潢夫电蔫量；为a 楱李瞪窀滚； 一r ： ，l m 3 , 1 。61 d，。为基波有功电流有效值：，d 为负载方波电流幡值； 再 蠢m i d 一一2 i t s i n ( c o t + 群j6 按照设计要求，负载患澈斑方波宅流，受载容慧i o o k v a ，i 。可取2 0 0 a 。 壹漱l 魄篷波动辜a u u i 钝出1 。 另外，三的选弹必须保证补偿电流超调量不宜过大。设最大超调量为d ， 写成公式为陪出一警& l 占 按照文献 4 和文献 1 对上式进行简化，最终可得到公式： 罟 上 号u 为直流侧电容平均电压、为有源滤波器开关管开关频 率、，为容许的最大超调电流、k = 岸纠 为参考电流的最大变动率。 ia tl 。： ：0 _畦j ： 一十卜 l - 一 越孳赫 一 十- 一 ih匹：；：o 矗 t ：害：末一 睚 型 【；一 i l 孵蔓聃 鼍： ：f 黝 器捌 ： ：二- 一 - 一 - 一 一一 一t + 一+ i - - av l l c t l 一v c h c ：2 吣 j - - 一 藤： j h 尹 _ ：一二j 斗i、 ：一 c 。 一 ： ；o 一 熟 - - i 一 丰# 氍撼： 哗呻确r - ，- o 一 一卜。 一 - ：$ ：丰：二 蔓 p - 卜 - 图3 1 2 a 相出线电感上的电压电流波形 呷 w 唧 。 吐 四川大学硕士学位论文 如果取直流侧电容平均电压u ，= 7 0 0 v ，开关管开关频率f = 2 0 k h z ，容许 的最大超调电流，= 3 0 a ，k 经计算约为6 k a s 。代入上式可得到 o 5 m h l 1 8 m h 。而由仿真分析可知满足条件的出线电感值范围为 0 5 m h l 2 5 m h ，这和近似计算的结果比较接近。 图3 1 2 即有源滤波器a 相出线电感上的电流电压波形。从图中可看出， 电感上电流为补偿电流，电压由于开关管的开通关断而剧烈波动。 3 4 电流跟踪控制方式比较和选择 从前面的介绍可知，指令电流运算电路的作用是得出补偿电流的指令信 号，然后由补偿电流发生电路产生补偿电流。电流跟踪电路正是补偿电流发生 电路中的第一个环节，其作用是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流之间 的相互关系，得出控制补偿电流发生电路中各开关器件通断的p w m 信号，控 制的结果应保证补偿电流跟踪其指令信号的变化。 由于并联型有源电力滤波器产生的补偿电流应实时跟踪其指令电流信号 的变化，要求补偿电流发生器有很好的实时性，因此电流控制采用跟踪型p w m 控制方式。目前跟踪型p w m 控制的方法主要有两种，即瞬时值比较方式和三 角波比较方式。 3 4 1 瞬时值比较方式 瞬时值比较方式又分为两种。一种是滞环瞬时值比较方式，另种是定时 瞬时值比较方式。 1 、滞环瞬时值比皎方式 滞环比较器 四川大学硕士学位论文 如果取直流侧电容平均电压u ，= 7 0 0 v ，开关管开关频率f = 2 0 k h z ，容许 的最大超调电流，= 3 0 a ，k 经计算约为6 k a s 。代入上式可得到 o 5 m h l 1 8 m h 。而由仿真分析可知满足条件的出线电感值范围为 0 5 m h l 2 5 m h ，这和近似计算的结果比较接近。 图3 1 2 即有源滤波器a 相出线电感上的电流电压波形。从图中可看出， 电感上电流为补偿电流，电压由于开关管的开通关断而剧烈波动。 3 4 电流跟踪控制方式比较和选择 从前面的介绍可知，指令电流运算电路的作用是得出补偿电流的指令信 号，然后由补偿电流发生电路产生补偿电流。电流跟踪电路正是补偿电流发生 电路中的第一个环节，其作用是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流之间 的相互关系，得出控制补偿电流发生电路中各开关器件通断的p w m 信号，控 制的结果应保证补偿电流跟踪其指令信号的变化。 由于并联型有源电力滤波器产生的补偿电流应实时跟踪其指令电流信号 的变化，要求补偿电流发生器有很好的实时性，因此电流控制采用跟踪型p w m 控制方式。目前跟踪型p w m 控制的方法主要有两种，即瞬时值比较方式和三 角波比较方式。 3 4 1 瞬时值比较方式 瞬时值比较方式又分为两种。一种是滞环瞬时值比较方式，另种是定时 瞬时值比较方式。 1 、滞环瞬时值比皎方式 滞环比较器 四川大学硕士学位论文 如果取直流侧电容平均电压u ，= 7 0 0 v ，开关管开关频率f = 2 0 k h z ，容许 的最大超调电流，= 3 0 a ，k 经计算约为6 k a s 。代入上式可得到 o 5 m h l 1 8 m h 。而由仿真分析可知满足条件的出线电感值范围为 0 5 m h l 2 5 m h ，这和近似计算的结果比较接近。 图3 1 2 即有源滤波器a 相出线电感上的电流电压波形。从图中可看出， 电感上电流为补偿电流，电压由于开关管的开通关断而剧烈波动。 3 4 电流跟踪控制方式比较和选择 从前面的介绍可知，指令电流运算电路的作用是得出补偿电流的指令信 号，然后由补偿电流发生电路产生补偿电流。电流跟踪电路正是补偿电流发生 电路中的第一个环节，其作用是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流之间 的相互关系，得出控制补偿电流发生电路中各开关器件通断的p w m 信号，控 制的结果应保证补偿电流跟踪其指令信号的变化。 由于并联型有源电力滤波器产生的补偿电流应实时跟踪其指令电流信号 的变化，要求补偿电流发生器有很好的实时性，因此电流控制采用跟踪型p w m 控制方式。目前跟踪型p w m 控制的方法主要有两种，即瞬时值比较方式和三 角波比较方式。 3 4 1 瞬时值比较方式 瞬时值比较方式又分为两种。一种是滞环瞬时值比较方式，另种是定时 瞬时值比较方式。 1 、滞环瞬时值比皎方式 滞环比较器 四j ij 大学硕士学位论文 图3 1 3 是采用滞环瞬时值比较方式的原理图。在该方式中，把补偿电流 的指令信号c 与实际的补偿电流信号t 进行比较，两者的偏差作为滞环比 较器的输入，通过滞环b e 较器产生控制主电路中开关器件通断的p w m 信号，该 p 嘲信号经驱动电路来控制开关的通断，从而控制补偿电流i ，的变化。 如果用2 1 1 表示滞环比较器的带宽，则当l a i 。i h 时，滞环比较器的输 出保持不变；而当f i 日时，滞环比较器的输出将翻转。补偿电流的变化 方向也随之改变。这样，c 就在e 日和 - i - 片之间的范围内呈锯齿波状地 跟随i ：变化。图3 1 4 的波形即i 。跟随f ：变化的仿真结果。 图3 1 4 滞环瞬时值b 匕车妇拭补偿电流t 跟踪参考电流变化波形示例 采用这种控制方式时，滞环的带宽是固定的。这对补偿电流的跟随性自 肓 很大的影响。当日较大时，i g b t 通断的频率较低，故对器件的要求不高。但 可能使补偿电流的相对跟随误差过大；当h 较小时，跟随误差小，但又可能 使器件的开关频率过高，甚至可能超出器件允许的最高工作频率而导致器件损 坏。 经过仿真分析，滞环瞬时值比较方式对于本设计，带宽在补偿电滴蝠值的 o 5 2 9 6 的范围内比较合适，此时补偿后电源电流正常情况下的畸变率在 3 7 9 6 之间。下图3 1 5 是滞环带宽约为补偿电流幅值1 5 时补偿电流跟随 参考电流变化的波形图。 四川i 大学硕士学位论文 图3 1 5 滞环瞬时值比较方式补偿电流跟随参考电流变化的波形图 廿鹪f f ldi 四川大学硕士学位论文 要克服滞环瞬时值比较方式带宽固定时开关频率变化这缺点，可以采用 定时控制的瞬时值比较方式。在该方式中，用一个由时钟定时控制的比较器代 替滞环比较器。原理图如图3 1 6 所示。 该方式每个时钟周期对f ，判断一次，使得p i v m 信号需要至少一个时钟周 期才会变化一次，器件的开关频率最高不会超过时钟信号的最高频率的一半。 这样时钟信号的频率就限定了器件的最高工作频率，从而可以避免了器件开关 频率过高的情况发生。图3 1 8 示出了定频5 k h z 时，补偿电流跟随参考电流变 化的波形图。图3 1 7 则表现t 跟随f 变化时的具体隋况。 图3 17 定时瞬时值t 匕葺| 日拭补偿电流跟踪参考电流e 变化波形示例 图3 1 8 定时瞬时值t 媾列拭补偿电流f c 跟随参考电流e 变化的波形图 鞲髑大学矮学位论文 该方式的特点是： 1 ) 补偿电流的跟随误皴是不固定的。 2 ) 含有定时时钟频率的谐波 3 ) 器件抟开关频率受融锋频率限制。 ) 惫滚豌盛皎瓷。 3 4 2 纛角波比较方式 三角波比较方式原理见图3 1 0 所示。 溅嚣 这种方式与其他用三角波作为载波的嗍控制方式不同。它不直接将指令 信号e 岛三角波比较。而是将e 与的偏差经放大器a 之后再与三角波比 较。这样级成的系统是基于把a 控制为最小来进行设计的。图3 2 0 的波膨即 矗之鼹髓三建波交他豹仿真结袋。 圈3 2 0 三角渡比较方式乏跟踪三角漩变化波掰示例 鞲髑大学矮学位论文 该方式的特点是： 1 ) 补偿电流的跟随误皴是不固定的。 2 ) 含有定时时钟频率的谐波 3 ) 器件抟开关频率受融锋频率限制。 ) 惫滚豌盛皎瓷。 3 4 2 纛角波比较方式 三角波比较方式原理见图3 1 0 所示。 溅嚣 这种方式与其他用三角波作为载波的嗍控制方式不同。它不直接将指令 信号e 岛三角波比较。而是将e 与的偏差经放大器a 之后再与三角波比 较。这样级成的系统是基于把a 控制为最小来进行设计的。图3 2 0 的波膨即 矗之鼹髓三建波交他豹仿真结袋。 圈3 2 0 三角渡比较方式