逆变器直流侧有源滤波器对不平衡与非线性负载的补偿

1、逆变器直流侧有源滤波器对不平衡与非线性负载的补偿    1引言一项调查表明，很多三相变频电源2对于三相三线逆变器采用输出滤波器的三相三线逆变器如图1所示。当采用PWM控制方式时，三个对称开关函数（接口信号）的傅里叶级数展开式为采用PWM控制，当n=3，5，7，11，13时，可以令An=0，逆变器输出线电压为对于平衡线性负载，三相电流Ia，Ib，Ic近似为幅值相同，相位相差120°的正弦波。故可以由式（4）推出逆变器的输入电流，此电流将主要由直流分量，和与开关频率相同的谐波分量组成，这些高次谐波在直流环节中被有效滤除。2.1不平衡负载不平衡负载不

2、是理想工作状态。对于将逆变器“C相断开”的不平衡负载状态（参看图2）。起的，它在直流环节电容器上产生环流，并构成无功伏安。如果直流环中的电容值足够大时，就不会出现直流电压的畸变（纹波），导致逆变器总体性能降低。直流环中的无功伏安与逆变器输出负载的不平衡度成正比，不平衡度越大，输入电流的脉动分量越大，要求直流电容的值越大，对逆变器总体性能影响越大。对于逆变器输出端的非线性负载（如整流器电路）引起的后果，与不平衡负载相同。2.2直流侧有源滤波器的滤波原理由开关S7S10和电感L构成的直流侧有源滤波器电路如图2所示。它和直流环中LoCo构成的无源滤波器组成综合滤波系统，来补偿不平衡负载和非线性负载的

3、影响，用有源滤波器来减小LoCo无源滤波器的负担，下面介绍直流有源滤波器的工作原理。如图2所示，直流有源滤波器从直流环节得到的总输入电流为：Iin.f=I4I5（9）假定采用前面所述的“C相断开”作为不平衡负载，滤波器中的开关S7S10组成单相全桥滤波器并采用PWM控制方式，滤波器的工作频率和后面的逆变器工作频率相同，则滤波器P、Q两点之间的电压为：对于PWM调制，当n=3，5，7，11，13时，可以令Bn=0。滤波器电流IPQ可以认为接近于正弦。电压UPQ的谐波被电感L充分衰减到零，因此当n=1时由式（10）可得：电感L中的电阻非常小，可以认为等于零，则IPQ滞后于UPQ接近90°

4、。由式（4）计算滤波器的输入电流，此电流由构成滤波器的单相全桥逆变器获得，即式（9）。由此可得到有源滤波器的输入电流表示式为：式（15）表明，对于“C相断开”这样的不平衡负载所引起的，式（8）中Iin所含的二次谐波分量，在直流输入电流Ii中被有效地消除了，达到了补偿目的。由于其它形式的不平衡负载或非线性负载对直流输入电流的影响与“C相断开”不平衡负载相同3，故用直流侧有源滤波器方法，同样也可以达到补偿目的。直流侧有源滤波器的控制电路框图如图3所示。采用的是两态滞后电流跟踪控制。把基准电流Iref0与直流输入电流Ii的偏差，经高通滤波器滤掉直流分量后，作为两态滞后比较器的输入，由输出来控制S7S

5、10的通断，使Iin.f跟踪消除Ii中的二次谐波分量。2.3仿真结果仿真结果如图4、图5和图6所示。图4表示的是图2逆变器的电压和电流波形，其中图4（a）为输出电压uab的波形；图4（b）为线电流ia的波形；图4（c）为输入电流iin的波形；图4（d）为电流iin的频谱。图5表示的是三相三线逆变器中有源滤波器的波形，其中图5（a）为电压uPQ的波形；图5（b）为输入电流iin.f的波形；图5（c）为滤波器输入电流iin.f的频谱。图6表示的是合成电流ii=iiniin.f的波形和频谱，其中图6（a）为波形图，图6（b）为频谱。3对于三相四线逆变器三相四线逆变器的主电路如图7所示。这是一种将直流

6、输入电源电压中点作为中性点的四线制输出的逆变器。对于平衡的线性负载，中性线电流等于零，但是对于不平衡的非线性负载，则在中性线上有零序电流通过直流环节滤波电容的中心抽头流通。这个零序电流是由不对称负载引起的基频电流，由其构成的无功伏安能够引起Udc上电位电压畸变。前面提到的开关函数分析法，也同样适用于三相四线逆变器。下面用此法对三相四线逆变器进行分析。3.1不平衡负载及有源滤波器补偿在直流侧，采用有源滤波器补偿的三相四线逆变器主电路如图8（a）所示。假定逆变器采用的是“C相断开”，a相和b相负载相同的不平衡负载，并且假定负载电流近似为正弦，则逆变器的输入电流为由式（1），（17）和（18），当n

7、=1时式（16）为有源滤波器1，采用开关S7、S8和电感L1，对发生的电流INf进行控制以消除IN，开关S7、S8采用的是PWM控制，这样因此，只要满足上述条件，就会消除中性线中由于采用“C相断开”不平衡负载而引起的基频零序电流。这个补偿结果在下面的研究中也将用到，电流Iin.f1的推导采用前面已经说过的开关函数法式（29）说明：Iin中的基波分量，是由于有源滤波器1的作用被消除的。因此合成电流Iin.r由直流分量和二次谐波分量组成。消除Iin.r中的二次谐波分量，应采用由开关S9S12和电感L2组成的全桥有源滤波器2来消除。消除的方法是用有源滤波器2产生一个与二次谐波分量大小相等、相位相反的

8、Iin.f2，使Iin.f2与二次谐波分量抵消。当满足式（36）和（37）条件时就能消去式（29）中的二次谐波分量，使Ii=A1·I·cos。对于三相四线逆变器，必须采用两个有源滤波器，即有源滤波器1和2，联合使用这两个滤波器，就可以消除直流环中由于不平衡负载引起的低频脉动电流及无功伏安。同时，中性线中的电流INr也被消除，由此，直流环电容上就没有基频零序电流流过。前面已经说过，非线性负载与不平衡负载对直流环节输入电流的影响相同，故用上述方法同样也补偿了非线性负载的影响。详细说明请参阅有关文献。三相四线逆变器中半桥有源滤波器1和全桥有源滤波器2的控制电路如图9所示。图9（a

9、）是半桥滤波器1的控制电路，图9（b）是全桥滤波器2的控制电路。与图3相同，图9所示控制电路也是采用两态滞后电流跟踪控制。图9（a）使INr跟踪Iref.10，以消除中性线电流；图9（b）使Ii中的二次谐波分量跟踪Iref.20，以消除Ii中的二次谐波分量。3.2仿真结果对采用半桥有源滤波器1，全桥有源滤波器2及无源滤波器LoCo综合进行滤波补偿的三相四线逆变器进行仿真，得到图10图18的结果。图10表示的是三相四线逆变器的电压和电流波形，其中图10（a）是输出电压uaN的波形；图10（b）是线电流ia的波形；图10（c）是线电流ib的波形。图11表示的是“C相断开”的中性线电流iN=iaib的电流波形及iN的频谱。图12表示的是输入电流iin的波形及其频谱。图13表示的是有源滤波器1的波形，其中图13（a）是电压uRN的波形，图13（b）是电流iNf的波形。图14表示的是合成中性线电流iNr=iNfiN的波形图及其频谱。图15表示的是直流环节向有源滤波器1提供的电流iin.f1的波形图及其频谱。图16表示的是直流环节电流iin.r=iiniin.f1的波形及其频谱。图17表示的是直流环节