基于軟開關(guān)技術(shù)的并聯(lián)型APF的研究

郭盼云，廖冬初

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基于軟開關(guān)技術(shù)的并聯(lián)型APF的研究

郭盼云，廖冬初

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430068）

本文討論了并聯(lián)型有源電力濾波器(APF)的系統(tǒng)構(gòu)成，并且根據(jù)諧振原理將軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用于有源電力濾波器的主電路中，可進(jìn)一步降低主電路開關(guān)管的損耗，提高有源電力濾波器工作的可靠性。在控制策略方面，主電路部分采用滯環(huán)與空間矢量相結(jié)合的控制方法，軟開關(guān)部分的控制與主開關(guān)器件的控制相配合。最后在MATLAB平臺上建立整個系統(tǒng)的仿真模型。

有源電力濾波器 軟開關(guān)技術(shù) 滯環(huán) MATLAB仿真

0 引言

電力電子技術(shù)在電能變換方面具備快速、可控的特點(diǎn)，應(yīng)用在人們的生產(chǎn)生活中，大大提高了效率和舒適度，因而電力電子裝置的使用越來越普及。與此同時，大量使用電力電子裝置也給電力系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的諧波危害，造成電能質(zhì)量的下降，從而制約現(xiàn)代電力工業(yè)的發(fā)展以及人們的生活質(zhì)量。在這種背景下，有源電力濾波器（APF）孕育而生，它的作用就是產(chǎn)生可以減少甚至抵消掉電力系統(tǒng)中的諧波分量，使得電網(wǎng)中只具備純凈的三相正弦電[1]。為了降低開關(guān)功耗以及提高APF的可靠性，本文的研究重點(diǎn)是將軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用在有源電力濾波器的主電路中，再結(jié)合良好的控制方法，實現(xiàn)主電路開關(guān)器件的零電壓開通，解決APF在容量和開關(guān)頻率方面的技術(shù)難題。

談到軟開關(guān)的實質(zhì)技術(shù)，就是將儲能元件L、C以及二極管加入到主電路中，根據(jù)諧振原理使得主電路的開關(guān)器件能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)損耗為零，即當(dāng)軟開關(guān)創(chuàng)造電壓為零的條件時，主電路的開關(guān)器件開通；當(dāng)軟開關(guān)創(chuàng)造電流為零的條件時，主電路的開關(guān)器件關(guān)斷[2]。

1 有源電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成

在電力系統(tǒng)中，并聯(lián)型有源電力濾波器的工作原理圖如圖1所示。其中并聯(lián)型是指有源電力濾波器的主電路與非線性負(fù)載接入電網(wǎng)的連接方式，而有源電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成即在虛線框圖里，它是由諧波檢測電路、控制及驅(qū)動電路和主電路三大部分構(gòu)成。結(jié)合圖1可以解釋有源電力濾波器的工作流程：首先，諧波檢測電路能夠?qū)崟r、快速地檢測到電網(wǎng)負(fù)載側(cè)的電壓、電流，這其中包括基波和諧波，然后再根據(jù)控制和驅(qū)動電路產(chǎn)生的PWM信號作用到主電路開關(guān)管上，最后使得主電路逆變出與諧波大小相同、極性相反的電流，將此電流送入電網(wǎng)，那么電網(wǎng)的諧波就被抵消掉，電網(wǎng)中就只剩下波形為正弦的基波，從而達(dá)到有源電力濾波器的濾波效果[3]。

1.1 諧波檢測環(huán)節(jié)

本文所采用的諧波檢測算法是基于瞬時無功功率理論的p-q法，其原理運(yùn)算圖如圖2所示。我們可以看出，需要檢測的信號有：電網(wǎng)A相電壓a、三相電流a、b、c。經(jīng)過如圖的轉(zhuǎn)換后，我們就可以得到電流中的諧波含量ah、bh、ch,這些信息都方便被后面的控制部分所利用[4]。

圖1 并聯(lián)型有源電力濾波器工作原理圖

圖2 ip-iq法原理圖

1.2 控制與驅(qū)動部分

對于有源電力濾波器，其補(bǔ)償諧波和無功功率的性能受到控制部分的影響最大?？刂齐娐穼⒉蓸?、檢測到的電流、電壓信號經(jīng)過處理后，送入DSP電路中后產(chǎn)生PWM脈沖信號?？刂齐娐房驁D如圖3所示，由采樣電路、檢測電路、DSP電路和驅(qū)動電路組成。

圖3 控制與驅(qū)動部分框圖

在本系統(tǒng)中，硬件部分所使用的控制核心是TI公司TMS320LF2407A DSP處理器。首先，在A/D采樣板上，通過霍爾電壓傳感器，可以檢測到電網(wǎng)電壓a；通過霍爾電流傳感器，可以檢測到負(fù)載兩相電流L；再加上由過零比較電路、鎖相倍頻電路可以跟蹤到A相電壓相位，從而將這些數(shù)據(jù)送入DSP中。此時，我們通過往DSP中寫入程序（此程序運(yùn)用的是三相電路的瞬時無功功率理論），就可計算出補(bǔ)償指令電流，將此電流與有源電力濾波器實際輸出的電流比較得出的差值送入控制與驅(qū)動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)產(chǎn)生PWM控制信號經(jīng)過驅(qū)動系統(tǒng)處理之后就可以作用在APF的主電路上，來控制主電路開關(guān)管的通斷，最后有源電力濾波器所輸出的值就是與電網(wǎng)中幅值相等、方向相反的諧波波形。

1.3 主電路

1.3.1主電路的工作原理

并聯(lián)型有源電力濾波器的主電路圖如圖4所示，它具有兩種工作狀態(tài)：整流、逆變，但具體處于哪一種工作狀態(tài)，則取決于直流側(cè)電壓是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。也就是說，開始啟動有源電力濾波器時，主電路工作于整流狀態(tài)，對直流側(cè)的電容進(jìn)行充電，使得電容電壓達(dá)到一定的穩(wěn)定值。在這個前提下，APF的主電路就能轉(zhuǎn)入逆變狀態(tài)的工作了。具體的逆變工作情況如下：主電路的六個開關(guān)器件受到DSP控制電路所產(chǎn)生的六路PWM脈沖信號的驅(qū)動控制，在主電路的交流側(cè)，向電網(wǎng)輸出與電網(wǎng)的諧波含量大小相等、方向相反的交流波形。

圖4 有源電力濾波器主電路

1.3.2主電路容量的計算

其中，—電網(wǎng)的相電壓，且為有效值；c—主電路交流側(cè)所輸出的補(bǔ)償電流，且為有效值。

1）有源電力濾波器的補(bǔ)償對象是諧波時，c=Lh。

1.3.3直流側(cè)電壓的控制與計算

為了保證有源電力濾波器的補(bǔ)償電流能夠?qū)崟r跟隨電網(wǎng)中的諧波電流，最重要的前提是要把主電路直流側(cè)電容上的電壓值控制在適當(dāng)?shù)囊粋€值。下面以A相為例來確定直流側(cè)電容電壓的值的大?。?/p>

對A相，APF主電路的交流側(cè)電壓和電網(wǎng)電壓有如下關(guān)系：

由此我們可以推斷出：cmin≥3Em，即電容電壓c的最小值需要大于或等于電網(wǎng)電壓的3倍[5]。此外，c越大，電感值越小，補(bǔ)償電流c的變化越快，從而對主電路開關(guān)器件的耐壓要求越高。

2 軟開關(guān)技術(shù)的引入

將軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用到有源電力濾波器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，其目的主要有兩個方面：一是進(jìn)一步降低主電路開關(guān)器件的開關(guān)損耗，二是提高APF運(yùn)行的可靠性和工作效率。眾所周知，當(dāng)電感、電容引起電路發(fā)生諧振時，電壓或電流周期性過零點(diǎn)。軟開關(guān)技術(shù)就是利用這一原理，給APF主電路的開關(guān)器件在開通和關(guān)斷時創(chuàng)造零電壓或者零電流的條件，理論上看，開關(guān)損耗可以降低到零。

2.1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文所采用的基于軟開關(guān)技術(shù)的有源電力濾波器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖5所示。由圖可以看出，其結(jié)構(gòu)分為兩部分：

1）軟開關(guān)部分，由電感L1～L3、電容C1～C6、輔助開關(guān)器件VT以及二極管D1～D6組合而成；

2）主電路逆變部分，由主開關(guān)器件VT1～VT6、續(xù)流二極管VD1～VD6、交流側(cè)電感La、Lb、Lc組合而成的[6]。

歸納此電路結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)如下：

1）根據(jù)逆變橋上的功率開關(guān)器件VT1～VT6的開通或關(guān)斷狀況，軟開關(guān)部分相應(yīng)地要作出配合，即輔助開關(guān)器件VT同步控制電感L1～L3、電容C1～C6產(chǎn)生諧振。

2）功率開關(guān)器件上所承受的電壓不應(yīng)超過d，否則會導(dǎo)致開關(guān)器件燒毀。

3）通過控制逆變橋上六個開關(guān)器件VT1～VT6的開關(guān)，保證直流側(cè)電容Cd上的電壓保持穩(wěn)定。

4）諧振電容C1～C6并聯(lián)在六個主開關(guān)器件VT1～VT6上，因此在實際電路中，可以用開關(guān)器件本身具有的寄生電容作為諧振電容。

5）諧振電感L1～L3不是設(shè)在主回路的能量傳遞線路上，因此，當(dāng)逆變電路不換流時諧振電感不工作，僅作為諧振過零的儲能元件。

2.2 拓?fù)潆娐返墓ぷ髟?/h3>

軟開關(guān)部分只用了一個功率開關(guān)器件VT，根據(jù)它的開通和關(guān)斷從L1～L3和 C1～C6中選擇LC諧振，為主電路的開關(guān)器件創(chuàng)造零電壓開通、關(guān)斷的條件。具體的情況是，諧振電容C1～C6能夠?qū)崿F(xiàn)主開關(guān)器件VT1～VT6的零電壓關(guān)斷，諧振電感能夠?qū)崿F(xiàn)不在同一相的三個主開關(guān)器件的零電壓開通。

圖5 基于軟開關(guān)技術(shù)的有源電力濾波器主電路拓?fù)?/p>

以A相為例，當(dāng)A相的下橋臂VT4由開通狀態(tài)到關(guān)斷狀態(tài)，需要4 μs的過渡時間，并聯(lián)在VT4上的諧振電容C4利用這段時間充電，電壓升高；與此同時，A相的上橋臂的諧振電容C1放電，電壓降低直至為零，續(xù)流二極管VD1導(dǎo)通，使得VT1兩端的電壓為零，保證了VT1的零電壓開通。由此可以推出B、C兩相上下橋臂的開關(guān)器件也是能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開通的。

3 有源電力濾波器的控制策略

基于軟開關(guān)技術(shù)的有源電力濾波器，其控制系統(tǒng)應(yīng)該由兩個控制電路構(gòu)成：一個是針對逆變器橋臂上的六個主開關(guān)器件VT1～VT6，需要有一個控制電路來產(chǎn)生六路PWM脈沖信號；另一個是針對軟開關(guān)的輔助開關(guān)器件VT，也需要有另一個控制電路產(chǎn)生一個信號給它。

這兩個控制電路相互聯(lián)系，又相互獨(dú)立。聯(lián)系的是兩者之間要有時間配合，即在主開關(guān)器件開通或關(guān)斷之前，提前Δ啟動軟開關(guān)的控制電路，使得輔助開關(guān)器件VT開通，經(jīng)過Δ的諧振后，使得與主開關(guān)器件并聯(lián)的諧振電容電壓為零。而獨(dú)立的是這兩個控制電路輸出的脈沖信號分別控制著不同的開關(guān)器件。

圖6 滯環(huán)電流控制示意圖

而軟開關(guān)部分的控制策略為：檢測有源電力濾波器主電路開關(guān)器件的開關(guān)切換狀態(tài)，每當(dāng)檢測到主電路的開關(guān)狀態(tài)切換時，首先開通軟開關(guān)的開關(guān)管形成L、C諧振，從而使逆變器的開關(guān)器件開通時處于零電壓開通；若檢測到主電路的開關(guān)狀態(tài)未發(fā)生變化，則軟開關(guān)的開關(guān)管保持關(guān)斷狀態(tài)。

4 仿真模型

5 結(jié)論

本文討論了將軟開關(guān)技術(shù)引入到并聯(lián)型有源電力濾波器中。在控制策略上，采用兩種控制電路分別對主電路和軟開關(guān)進(jìn)行控制。最后，在Matlab軟件上建立模型，并進(jìn)行仿真。

圖7 基于軟開關(guān)技術(shù)的有源電力濾波器的仿真模型圖

[1] 王兆安. 諧波抑制和無功功率補(bǔ)償[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.

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Research on Shunt Active Power Filter Based on Soft-switching Technology

Guo Panyun，Liao Dongchu

(School of Electrical and Electronic Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

TM744

A

1003-4862（2013）10-0035-05

2013-03-07

郭盼云（1988-），女，研究生。研究方向:電力電子技術(shù)。