dc側(cè)串聯(lián)型apf在整流橋諧波源負(fù)載補(bǔ)償中的應(yīng)用

dc側(cè)串聯(lián)型apf在整流橋諧波源負(fù)載補(bǔ)償中的應(yīng)用

0直流側(cè)串聯(lián)型apf的建立由于整流橋負(fù)是電氣系統(tǒng)中的主要波形源，因此可以采用矩陣校正（pbc）和源電濾波（apf）技術(shù)來抑制這些波形。PFC從治理諧波源的角度出發(fā),在用戶端治理,處理負(fù)載的所有電流和功率;APF主要針對(duì)已有的諧波負(fù)載進(jìn)行治理,而且可以在公共聯(lián)結(jié)點(diǎn)采用一套濾波裝置對(duì)多個(gè)負(fù)載同時(shí)進(jìn)行治理,只提供負(fù)載所需的諧波和無功功率,故APF處理功率的容量比PFC的小,效率也比PFC的高。通常的有源濾波器直接安裝在交流電網(wǎng),在電壓電流四個(gè)象限運(yùn)行,因此需要采用四象限變換器來實(shí)現(xiàn)。文針對(duì)整流橋諧波源負(fù)載,將有源電力濾波器移到整流橋的直流側(cè),并聯(lián)在整流橋與負(fù)載兩端,提出了單相直流側(cè)并聯(lián)型有源電力濾波器,只需要工作在電壓電流兩個(gè)象限,是一種新型的諧波治理思想。但是,并聯(lián)型的APF并不是一種理想的補(bǔ)償裝置,由于諧波源特性的影響,并聯(lián)型濾波器不能用來補(bǔ)償任何類型的諧波源,只適用補(bǔ)償電流型諧波源。對(duì)電壓型諧波源,更適合用串聯(lián)型的APF來補(bǔ)償,因此,串聯(lián)型APF的研究和應(yīng)用也顯得很重要。筆者從諧波源特性出發(fā),在直流側(cè)并聯(lián)型APF的基礎(chǔ)上,比較研究了直流側(cè)并聯(lián)型APF的對(duì)偶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),即直流側(cè)串聯(lián)型APF,從而將直流側(cè)APF系統(tǒng)化。兩種控制方法均采用單周控制方式實(shí)現(xiàn),比較結(jié)果很好地證明了理論分析的正確性,為直流側(cè)APF的應(yīng)用推廣提供了依據(jù)。1串聯(lián)apf對(duì)電壓型諧波源的補(bǔ)償作用整流橋帶電感或電容濾波負(fù)載是一種典型的諧波源,根據(jù)直流側(cè)采用電感濾波或者電容濾波的不同,其注入電網(wǎng)的諧波特性也不同。如果整流橋直流側(cè)采用電感L濾波,并且L足夠大時(shí),那么直流側(cè)電流基本保持恒定,具有電流源的特性,因此基本上可以看成一個(gè)電流型諧波源。其等效電路模型見圖1,即一個(gè)理想諧波電流源與一個(gè)等效阻抗Zlp并聯(lián),電感L越大,Zlp越大,L越小,Zlp就越小。電壓型諧波源直流側(cè)采用電容C濾波,其等效電路模型見圖2,即一個(gè)理想諧波電壓源與一個(gè)等效阻抗Zls串聯(lián),電容C越大,Zls越小,C越小,Zls就越大。并聯(lián)型APF本質(zhì)上屬于受控電流源,它以電流源的方式進(jìn)行諧波補(bǔ)償,其補(bǔ)償電流型諧波源與電壓型諧波源的單相等效電路見圖3(a)、(b)。在圖3(a)中,電源的諧波電流為當(dāng)電源電壓無畸變時(shí),ush=0,只要控制APF的輸出電流iC=ilh,就能使ish=0,這說明不論負(fù)載是否為理想諧波電流源,并聯(lián)型APF均能補(bǔ)償。在圖3(b)中,電源的諧波電流為當(dāng)電源電壓無畸變時(shí),ush=0,從理論上講只要控制APF的輸出電流就能使ish=0。但是,其補(bǔ)償效果受等效阻抗Zls的影響,而Zls的大小又由濾波電容C決定。對(duì)于C較小的電壓型諧波源,并聯(lián)型APF有一定的補(bǔ)償效果。由于在直流側(cè)電容濾波的實(shí)際電路中,一般等效阻抗Zls很小,特別是當(dāng)濾波電容C足夠大時(shí),負(fù)載可看成理想諧波電壓源,Zls近似為零。這時(shí),如果用并聯(lián)型APF來補(bǔ)償電壓型諧波源,則需要產(chǎn)生很大的補(bǔ)償電流,不但要求提高其產(chǎn)生補(bǔ)償電流的能力,而且元器件的耐壓水平也必須提高,從而使APF的成本提高,經(jīng)濟(jì)性價(jià)比下降。綜合以上因素,并聯(lián)型APF適合補(bǔ)償電流型諧波源,對(duì)電壓型諧波源的補(bǔ)償性能則較差。串聯(lián)型APF結(jié)構(gòu)與并聯(lián)型對(duì)偶,本質(zhì)上屬于受控電壓源,它以電壓源的方式進(jìn)行諧波補(bǔ)償,同理可以得到,串聯(lián)型APF比較適合補(bǔ)償電壓型的諧波源,對(duì)電流型諧波源的補(bǔ)償性能則較差。2單周監(jiān)測(cè)的直流側(cè)apf2.1控制目標(biāo)和單周控制實(shí)現(xiàn)方程單周控制直流側(cè)并聯(lián)型APF的實(shí)現(xiàn)電路見圖4。該單相并聯(lián)型APF采用雙向Boost電路結(jié)構(gòu),與傳統(tǒng)交流側(cè)全橋結(jié)構(gòu)APF相比,少用兩個(gè)有源開關(guān),減少了開關(guān)數(shù)量?？刂品绞讲捎脝沃芸刂茖?shí)現(xiàn),不需要進(jìn)行諧波電流檢測(cè),控制電路簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)。在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi),通過控制占空比,使穩(wěn)態(tài)時(shí)從整流橋直流側(cè)向輸出端看去,諧波源負(fù)載與DC側(cè)APF一起被視為純電阻Re,達(dá)到了控制目的?？刂颇繕?biāo)和單周控制實(shí)現(xiàn)方程分別見式(4)、(5)。圖4中,RS為電流取樣電阻,νref為參考電壓,與UC的取樣值比較后,誤差送入PI調(diào)節(jié)器得到νm,有源開關(guān)S1、S2工作于固定頻率fs=1/TS,互補(bǔ)導(dǎo)通,S1導(dǎo)通的時(shí)間為占空比D對(duì)應(yīng)的時(shí)間。2.2apf單周控制實(shí)現(xiàn)單周控制的DC側(cè)APF是一種新型的諧波治理思想,筆者從諧波源特性出發(fā),在直流側(cè)并聯(lián)型APF的基礎(chǔ)上研究其對(duì)偶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),即DC側(cè)串聯(lián)型APF,其主電路采用不對(duì)稱半橋電壓雙向變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。DC側(cè)串聯(lián)型APF串聯(lián)在整流橋直流側(cè)與諧波源負(fù)載之間,能量只需要二象限流動(dòng),與一般的交流側(cè)橋式結(jié)構(gòu)APF相比,減少了兩個(gè)有源開關(guān),降低了補(bǔ)償容量。工作原理見圖5。圖5中,有源開關(guān)S1為低頻開關(guān),S2為高頻開關(guān),在一個(gè)高頻開關(guān)周期TS內(nèi),S2導(dǎo)通的時(shí)間為占空比D對(duì)應(yīng)的時(shí)間。當(dāng)直流側(cè)輸入電壓小于輸出電壓時(shí),即ud<Ul時(shí),低頻開關(guān)S1導(dǎo)通,反之關(guān)斷?？梢缘玫?S1導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí),APF上儲(chǔ)能電容電壓UC分別滿足式(6)、(7)。對(duì)APF進(jìn)行控制的目標(biāo)同樣要滿足等式(4)。由式(4)、(6)、(7)得到其單周控制實(shí)現(xiàn)方程分別為式(8)、(9)中,k=RS/Re,由圖5所示的主電路,對(duì)直流側(cè)輸入電壓ud和負(fù)載輸出電壓Ul進(jìn)行采樣后送入比較器,當(dāng)直流側(cè)輸入電壓小于輸出電壓時(shí),即ud<Ul時(shí),產(chǎn)生低頻驅(qū)動(dòng)脈沖,驅(qū)動(dòng)低頻開關(guān)S1導(dǎo)通,反之關(guān)斷;高頻開關(guān)S2通過單周控制實(shí)現(xiàn):當(dāng)每個(gè)時(shí)鐘脈沖到來時(shí),積分器開始對(duì)UC進(jìn)行積分,然后依此通過加法器、乘法器,輸出值V1、V2送入到比較器,當(dāng)V1、V2值下降到與參考值RSi相等時(shí),比較器輸出高電平,RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn),經(jīng)過選擇器后產(chǎn)生高頻驅(qū)動(dòng)脈沖,驅(qū)動(dòng)高頻開關(guān)S2導(dǎo)通,同時(shí)實(shí)現(xiàn)積分器的復(fù)位。低頻開關(guān)S1和高頻開關(guān)S2的控制電路見圖6。3補(bǔ)償前后的電路參數(shù)比較針對(duì)同樣的整流橋非線性負(fù)載,在同樣的輸入、同樣的開關(guān)頻率、均采用單周控制的情況下,對(duì)兩種電路的補(bǔ)償效果進(jìn)行比較研究。設(shè)定交流輸入電壓的有效值為220V,頻率為50Hz。負(fù)載電阻額定值設(shè)為20Ω,電路的時(shí)鐘頻率設(shè)為40kHz。為了分析方便,做了如下兩個(gè)簡(jiǎn)化處理:在理想情況下,電源輸入電壓us為正弦波;APF的直流側(cè)儲(chǔ)能電容C很大,使UC在穩(wěn)態(tài)時(shí)近似為恒值。當(dāng)負(fù)載為容性時(shí),即為整流橋帶電容濾波的電壓型諧波源負(fù)載時(shí),補(bǔ)償效果見圖7。C取得比較大,為2000μF。圖7(a)為APF補(bǔ)償前電源電流波形及其頻譜圖,電源電流存在明顯的畸變,電流的諧波畸變率THD=141.6%;圖7(b)為直流側(cè)并聯(lián)型APF補(bǔ)償后效果,電源電流的THD=33.4%,可以看出電流仍存在較大的畸變,說明對(duì)于C很大的電壓型諧波源,直流側(cè)并聯(lián)型APF的補(bǔ)償效果不好;圖7(c)為采用直流側(cè)串聯(lián)型APF補(bǔ)償后電源電流波形及頻譜圖,其中電流THD=5.1%,補(bǔ)償效果良好,基本上為正弦波。這證實(shí)了理論分析結(jié)論,直流側(cè)并聯(lián)型APF不適合補(bǔ)償電壓型諧波源,而串聯(lián)型APF則對(duì)這類諧波源的補(bǔ)償效果較好。當(dāng)負(fù)載為感性時(shí),即為整流橋帶電感濾波的電流型諧波源負(fù)載時(shí),圖8給出了補(bǔ)償效果圖。其中,取L為300mH。圖8(a)、8(b)、8(c)分別為APF補(bǔ)償前、采用直流側(cè)并聯(lián)型APF補(bǔ)償后和采用串聯(lián)型APF補(bǔ)償后的效果圖。補(bǔ)償前電源電流THD=47.4%,串聯(lián)型APF補(bǔ)償后,電流THD=27%,說明諧波補(bǔ)償未起到明顯效果。采用直流側(cè)并聯(lián)型APF補(bǔ)償后,諧波畸變率大大降低,THD=6.3%。所以,串聯(lián)型APF不適合補(bǔ)償電流型諧波源,而直流側(cè)并聯(lián)型APF對(duì)這類諧波源的補(bǔ)償效果則較好,很好地證明了理論分析的正確性。