基于耦合變壓器的直流側串聯(lián)型有源電力濾波器

基于耦合變壓器的直流側串聯(lián)型有源電力濾波器

0直流側串聯(lián)型apf電力電子儀器廣泛應用于電氣系統(tǒng)中，對電網(wǎng)產(chǎn)生了大量的干擾電流，并造成了嚴重的干擾噪聲。有源電力濾波器(activepowerfilter,APF)作為一種有效的諧波抑制裝置已經(jīng)成為廣大學者研究的熱點。目前,APF的研究主要集中在并聯(lián)型APF,但是并聯(lián)型APF對電壓型諧波源的負載來說(如電容濾波的整流器)并不是一種理想的補償裝置,這類負載更適合用串聯(lián)型APF來補償[7,8,9,10,11,12,13]。文獻提出一種直流側并聯(lián)型APF,專門用于整流負荷的諧波治理,將有源開關數(shù)量減少了一半,改善了補償效果;文獻[15-16]提出并研究了一種單相直流側串聯(lián)型有源電力濾波器,該單相直流側串聯(lián)型有源電力濾波器串聯(lián)在單相整流橋的直流側,主電路只有2個開關管,結構簡單,控制方便;文獻對文獻提出的結構進行了改進,提出了一種單相輸出可調(diào)壓的新型直流側串聯(lián)型有源電力濾波器,實現(xiàn)了輸出電壓的可調(diào),簡化了相應控制,減小了儲能電容容量。本文提出一種基于耦合變壓器的直流側串聯(lián)型有源電力濾波器,在直流側通過一個耦合變壓器使APF與主電路相連。1焊接和工作原理1.1耦合變壓器的要求基于耦合變壓器的直流側串聯(lián)型有源電力濾波器主電路拓撲如圖1所示。圖中:S1、S2為有源開關;D1、D2為二極管;C1為儲能電容;C0為濾波電容;L為平波電感;T為變壓器,其變比為n1:n2。耦合變壓器的使用需要注意以下幾點:1)當電流很大時耦合變壓器可能工作在直流偏磁狀態(tài),容易使變壓器的鐵心飽和,使系統(tǒng)不能正常工作。2)耦合變壓器的勵磁電流相對一般變壓器比較大,其鐵心需帶有氣隙。3)耦合變壓器必須要有較寬工作頻帶。由于諧波的頻率范圍較寬,如從次諧波到50次諧波,即頻率從幾Hz到2500Hz,所以要求耦合變壓器的通頻帶從幾Hz到2500Hz。4)耦合變壓器對漏抗有較高的要求。對于串聯(lián)變壓器要求基波的漏抗很小,才能保證串聯(lián)變壓器負荷側的短路容量不會顯著變小。5)有源電力濾波器的耦合變壓器通常采用單相變壓器或三相五鐵心結構,防止變壓器三相磁路互相影響,一般鐵心材料選用薄硅鋼片或非晶體合金磁性材料。針對以上幾點,應在保證耦合變壓器的鐵心不飽和及電抗值適中的情況下,盡量減小氣隙尺寸以提高耦合變壓器傳輸效率。1.2變壓器t時電路分析在電路中,有源開關S1為低頻開關,主要用于調(diào)整APF的能量流向;S2為高頻開關,通過控制有源開關S2的通斷,可以使APF成為一個完全可控的電壓源,使其產(chǎn)生一個與負載諧波源大小相等相位相反的電壓。設一個高頻開關周期對應的時間為TS,其導通占空比d。為了分析方便,做如下簡化處理:假定高頻開關S2開關頻率遠高于電源工頻和非線性負載電流的頻率,在理想情況下,電源電壓US為正弦波;APF的儲能電容C1很大,使UC在穩(wěn)態(tài)時近似為恒值;變壓器T為理想變壓器。下面分2個區(qū)間I、II對電路進行分析。區(qū)間I,當整流橋直流側電壓大于輸出電壓時,即Ud>U0時,低頻開關S1關斷,電源向負載供電,同時向儲能電容C0充電,APF儲存能量,其等效電路如圖2所示。每個高頻開關周期TS內(nèi),在0<t<dTS期間,高頻開關S2導通,二極管D2關斷,等效電路如圖3所示。設變壓器的一次側與APF連接,一次側與二次側的電壓分別為Un1、Un2。又變壓器的變比為n1:n2,那么有設I0為某一時刻的電感電流初始值,電感電流為在dTS<t<TS期間,高頻開關S2關斷,二極管D2續(xù)流導通,等效電路如圖4所示。此時電感電壓為穩(wěn)態(tài)時,電感電流在一個高頻開關周期TS內(nèi)不突變,電感上的電壓滿足伏秒平衡,即有整理得區(qū)間II,當整流橋直流側電壓小于輸出電壓時,即Ud<U0時,低頻開關S1導通,APF釋放能量,其等效電路如圖5所示。在0<t<dTS期間,高頻開關S2導通,等效電路如圖6所示,電感電壓為在dTS<t<TS期間,高頻開關S2關斷,等效電路如圖7所示,電感電壓為穩(wěn)態(tài)時,電感電流在一個高頻開關周期TS內(nèi)不突變,電感上的電壓滿足伏秒平衡,即有整理得式(6)及式(10)說明Un2在一個開關周期內(nèi)可正可負,即可以通過控制開關的通斷來控制直流側串聯(lián)型APF,使其產(chǎn)生補償電壓,能夠實時跟蹤非線性負載的諧波和無功的變化。2apf直流側電路結構介紹假設直流側APF正常工作時,完全補償了系統(tǒng)諧波和無功部分,則電源電流應該與電源電壓同頻、同相,即從整流橋往輸出端看,整流橋、有源電力濾波器與諧波源負載可以被認為是一個等效的純電阻Re。此時圖1的等效電路如圖8所示。由圖8可得式(11)為APF的控制目標式,可以通過控制APF2個開關S1、S2來實現(xiàn),其中S1為低頻開關,由前面的分析可知,當Ud>U0時S1斷開;當Ud<U0時S1開通。S1的控制邏輯如圖9所示。S2為高頻開關,采用典型的雙環(huán)控制,外環(huán)為電壓環(huán),可以控制直流側APF的電容電壓UC,內(nèi)環(huán)為電流環(huán),可以迫使輸入電流強迫跟蹤電源電壓,實現(xiàn)式(11)。圖10為S2的控制框圖。由圖10可知,控制S2要采集的量有:APF直流側電容電壓UC、電源電壓US、電源電流IS。參考電壓Uref為一給定的常數(shù),它與UC比較之后通過調(diào)節(jié)PI參數(shù)可以獲得1/Re。根據(jù)以上的分析可知較大的直流電流流過變壓器會對變壓器造成直流磁化現(xiàn)象,甚至會帶來一定的諧波,對電網(wǎng)帶來不利的影響。但是由于上述的控制思想是把整流橋、直流側APF、變壓器及負載等效為一個阻性負載,這樣在控制APF補償電壓時實質(zhì)上已經(jīng)考慮了變壓器產(chǎn)生的磁化帶來的諧波,因此就解決了直流磁化對濾波器性能的影響。3補償前后電源電流諧波情況采用PSIM仿真軟件,按圖1搭建主電路,按圖9及圖10設計控制電路,進行仿真。仿真參數(shù)設置如下:電源電壓有效值為220V;頻率為50Hz;濾波電感L為1mH;濾波電容C0為2500μF;儲能電容C1為2000μF;負載R0為20Ω;變壓器變比n1:n2為1:2。圖11為電源電壓波形、APF補償前后的電源電流波形。圖12為補償前后電源電流頻譜圖。加入APF前,電源電流帶有大量諧波,其功率因數(shù)為0.63,總的諧波畸變率為145.5%;補償后,電源電流諧波得到有效抑制,其功率因素為0.98,總的諧波畸變率為2.2%?？梢?APF很好地改善了功率因素,抑制了諧波,達到了補償目的。圖13(a)為負載在0.15s從20Ω突變到10Ω時的電源電流波形,圖13(b)為負載從20Ω突變到40Ω時的電流波形。由圖13可見,當負載發(fā)生突變后,系統(tǒng)在1個周期內(nèi)很快就能進入新的穩(wěn)態(tài),無論是在重載還是輕載情況下,APF都能快速、有效地補償系統(tǒng)諧波和無功。4耦合變壓器的安全性能本文提出的直流側APF能夠靈活地、大范圍地改變APF的輸出電壓和電流,減小儲能電容的電壓,從而充分利用開關器件的電壓電流容量。此外,該APF能實現(xiàn)與主電路的絕緣隔離,可以防止電力系統(tǒng)