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并聯(lián)有源電力濾波器交流側(cè)濾波電感的優(yōu)化設(shè)計(jì)

時間:2023-02-20 23:43:27 電子通信論文 我要投稿
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并聯(lián)有源電力濾波器交流側(cè)濾波電感的優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要:探討了一種并聯(lián)有源電力濾波器的交流側(cè)濾波電感優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法;并應(yīng)用于一臺15kVA并聯(lián)有源電力濾波器的實(shí)驗(yàn)?zāi)P椭,進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

    關(guān)鍵詞:諧波;有源電力濾波器;濾波電感設(shè)計(jì)

引言

并聯(lián)有源電力濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置,近年來,有源電力濾波器的理論研究和應(yīng)用均取得了較大的成功。對其主電路(VSI)參數(shù)的設(shè)計(jì)也進(jìn)行了許多探討[1][2][3],但是,目前交流側(cè)濾波電感還沒有十分有效的設(shè)計(jì)方法,然而該電感對有源濾波器的補(bǔ)償性能十分關(guān)鍵[2]。本文通過分析有源電力濾波器的交流側(cè)濾波電感對電流補(bǔ)償性能的影響,在滿足一定效率的條件下,探討了該電感的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,仿真和實(shí)驗(yàn)初步表明該方法是有效的。

圖1

1 三相四線并聯(lián)型有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1為三相四線制并聯(lián)型有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)。主電路采用電容中點(diǎn)式的電壓型逆變器。電流跟蹤控制方式采用滯環(huán)控制。

以圖2的單相控制為例,分析滯環(huán)控制PWM調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)電流跟蹤的原理。在該控制方式中,指令電流計(jì)算電路產(chǎn)生的指令信號ic*與實(shí)際的補(bǔ)償電流信號ic進(jìn)行比較,兩者的偏差作為滯環(huán)比較器的輸入,通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路的PWM的信號,此信號再通過死區(qū)和驅(qū)動控制電路,用于驅(qū)動相應(yīng)橋臂的上、下兩只功率器件,從而實(shí)現(xiàn)電流ic的控制。
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    以圖3中A相半橋?yàn)槔治鲭娐返墓ぷ鬟^程。開關(guān)器件S1和S4組成A相的半橋變換器,電容C1和C2為儲能元件。uc1和uc2為相應(yīng)電容上的電壓。為了能使半橋變換器正常跟蹤指令電流,應(yīng)使其電壓uc1和uc2大于輸入電壓的峰值。

當(dāng)電流ica>0時,若S1關(guān)斷,S4導(dǎo)通,則電流流經(jīng)S4使電容C2放電,如圖3(a)所示,同時,由于uc2大于輸入電壓的峰值,故電流ica增大(dica/dt>0)。對應(yīng)于圖4中的t0~t1時間段。

    當(dāng)電流增大到ica*+δ時(其中ica*為指令電流,δ為滯環(huán)寬度),在如前所述的滯環(huán)控制方式下,使得電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換到圖3(b),即S4關(guān)斷,電流流經(jīng)S1的反并二極管給電容C1充電,同時電流ica下降(dica/dt<0)。相對應(yīng)于圖4中的t1~t2時間段。

同樣的道理可以分析ica<0的情況。通過整個電路工作情況分析,得出在滯環(huán)PWM調(diào)制電路的控制下,通過半橋變換器上下橋臂開關(guān)管的開通和關(guān)斷,可使得其產(chǎn)生的電流在一個差帶寬度為2δ的范圍內(nèi)跟蹤指令電流的變化。

當(dāng)有源濾波器的主電路采用電容中點(diǎn)式拓?fù)鋾r,A,B,C三相的滯環(huán)控制脈沖是相對獨(dú)立的。其他兩相的工作情況與此相同。

2 濾波電感對補(bǔ)償精度的影響

非線性負(fù)載為三相不控整流橋帶電阻負(fù)載,非線性負(fù)載交流側(cè)電流iLa及其基波分量如圖5所示(以下單相分析均以A相為例)。指令電流和實(shí)際補(bǔ)償電流如圖6所示。當(dāng)指令電流變化相對平緩時(如從π/2到5π/6段),電流跟蹤效果好,此時,網(wǎng)側(cè)電流波形較好。而當(dāng)指令電流變化很快時(從π/6開始的一小段),電流跟蹤誤差很大;這樣會造成補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)電流的尖刺。使網(wǎng)側(cè)電流補(bǔ)償精度較低。

    假如不考慮指令電流的計(jì)算誤差,則網(wǎng)側(cè)電流的諧波含量即為補(bǔ)償電流對指令電流的跟蹤誤差(即圖6中陰影A1,A2,A3,A4部分)。補(bǔ)償電流對指令電流的跟蹤誤差越。碅1,A2,A3,A4部分面積越。,網(wǎng)側(cè)電流的諧波含量(尖刺)也就越小,當(dāng)補(bǔ)償電流完全跟蹤指令電流時(即A1,A2,A3,A4部分面積為零時),網(wǎng)側(cè)電流也就完全是基波有功電流。由于滯環(huán)的頻率較高,不考慮由于滯環(huán)造成的跟蹤誤差,則如圖6所示網(wǎng)側(cè)電流的跟蹤誤差主要為負(fù)載電流突變時補(bǔ)償電流跟蹤不上所造成的。

分析三相不控整流橋帶電阻負(fù)載,設(shè)Id為負(fù)載電流直流側(cè)平均值。Ip為負(fù)載電流基波有功分量的幅值,。

下面介紹如何計(jì)算A1面積的大小,

在π/6<ωt<π/2區(qū)間內(nèi)

ic*(ωt)=Ipsinωt-Id    (1)

在π/6<ωt<ωt1一小段區(qū)間內(nèi),電流ic(ωt)可近似為直線,設(shè)a1為直線的截距,表達(dá)式為

ic(ωt)=a1-[uC1-Usmsin(π/6)/L]×t   (2)

ic(π/6)=ic*(π/6)    (3)

ic(t1)=ic*(t1)    (4)

由式(1)~式(4)可以求出a1及t1的值。

在π/6<ωt<ωt1(即1/600<t<t1)區(qū)間內(nèi),ic與ic*之間的跟蹤誤差面積A1為

同樣可以求出A2,A3,A4的面積。

A2=0.405[(I 2 d L)/(330IdL+(Ucl+0.5Usm))]

由對稱性,得到A3=A1,A4=A2

因此,在一個工頻周期內(nèi),電流跟蹤誤差的面積A為

A=A1+A2+A3+A4

=[(0.81Id-0.45δ)IdL]/[165IdL+(Uc1+0.5Usm)]+[(0.81Id-0.45δ)IdL]/[330IdL+(Ucl+0.5Usm)]    (5)

這里假定上電容電壓Uc1等于下電容電壓Uc2,Usm為電網(wǎng)相電壓峰值,L為濾波電感值(假設(shè)La=Lb=Lc=L),Id為非線性負(fù)載直流側(cè)電流。

3 濾波電感對系統(tǒng)損耗的影響

有源濾波器一個重要的指標(biāo)是效率,系統(tǒng)總的損耗Ploss為

Ploss=Pon+Poff+Pcon+Prc    (6)

式中:Pon為開關(guān)器件的開通損耗;

Poff為開關(guān)器件的關(guān)斷損耗;

Pcon為開關(guān)器件的通態(tài)損耗;

Prc為吸收電路的損耗。

    3.1 IGBT的開通與關(guān)斷損耗

有源濾波器的A相主電路如圖7所示。假設(shè)電感電流ic為正時,則在S4開通之前,電流ic通過二極管D1流出,當(dāng)S4開通后,流過二極管D1的電流逐漸轉(zhuǎn)移為流過S4,只有當(dāng)Dl中電流下降到零后,S4兩端的電壓才會逐漸下降到零。因此,在S4的開通過程中,存在著電流、電壓的重疊時間,引起開通損耗,如圖8所示。

由圖8可知單個S4開通損耗為

開通損耗為

式中:ic(t)為IGBT集電極電流;

Uc為集射之間電壓(忽略二極管壓降即為

主電路直流側(cè)電壓);

ton為開通時間;

T0為一個工頻周期;

fs為器件平均開關(guān)頻率;

Iav為主電路電流取絕對值后的平均值。類似可推得關(guān)斷損耗為

Poff=6×(IavUctorr)/2×fs    (10)

式中:toff為關(guān)斷時間。

3.2 IGBT的通態(tài)損耗

假設(shè)tcon為開關(guān)管導(dǎo)通時間,考慮到上下管占空比互補(bǔ),可假設(shè)占空比為50%,即tcon=0.5Ts。

則通態(tài)損耗為

Pcon=6∑ic(t)Ucestcon/T0=3IavUces    (11)

式中:Ts為平均開關(guān)周期;

Uces為開關(guān)管通態(tài)時飽和壓降。

3.3 RC吸收電路的損耗

RC吸收電路的損耗為

Prc=6×1/2CsUc2fs    (12)

式中:Cs為吸收電容值。

fs=(U2c-2U2sm)[2]/8δLUc    (13)

通過以上分析,可以得到系統(tǒng)總損耗為

Ploss=Pon+Poff+Pcon+Prc    (14)

4濾波電感的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在滿足一定效率條件下,尋求交流側(cè)濾波電感L,使補(bǔ)償電流跟蹤誤差最小。得到如下的優(yōu)化算法。

優(yōu)化目標(biāo)為minA(Uc,L)

約束條件為Ploss≤(1-η)SAPF    (15)

    應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)?zāi)P蜑?5kVA的三相四線制并聯(lián)有源濾波器,參數(shù)如下:

SAPF=15kVA,Vsm=310V,η=95%,

Id=103A,Iav=18A,δ=1A,

Cs=4700pF,Uces=3V,ton=50ns,

toff=340ns。

在約束條件下利用Matlab的優(yōu)化工具箱求目標(biāo)函數(shù)最小時L與Uc1的值?傻玫絻(yōu)化結(jié)果為:跟蹤誤差A(yù)=0.1523,此時交流側(cè)濾波電感L=2.9mH,直流側(cè)電壓Uc=799V。

5 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1列出了有源電力濾波器容量為15kVA時,電感取值與補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)電流的THD的比較。

表1 不同電感L取值下仿真結(jié)果

交流側(cè)濾波電感L/mH 直流側(cè)電壓Uc/V 網(wǎng)側(cè)電流的THD/% 2.9 800 16 5 800 21.5 7 800 24

圖9,圖10與圖11是當(dāng)Uc=2Uc1=800V,APF容量為5.2kVA時,電感L分別取7mH,5mH,3mH時的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)電流的THD分別為14.1%,18.3%,20.1%,與優(yōu)化分析的結(jié)果相吻合。

6 結(jié)語

有源濾波器交流側(cè)濾波電感直接影響諧波電流的補(bǔ)償性能,因此,電感參數(shù)的選取十分關(guān)鍵,本研究基于15kVA的電力有源濾波器的實(shí)驗(yàn)?zāi)P停岢隽艘环N優(yōu)化設(shè)計(jì)交流側(cè)濾波電感的方法,仿真和初步實(shí)驗(yàn)表明采用本方法選取的電感值,在滿足一定效率的條件下,可獲得較好的補(bǔ)償性能,補(bǔ)償后的網(wǎng)側(cè)電流畸變率小。


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