使用串聯(lián)有源濾波器降低直流電源紋波

李 輝

(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢430033)

隨著大功率直流電源需求的日益增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的換向式直流發(fā)電機(jī)由于存在機(jī)械換向問(wèn)題，已逐步被交流電機(jī)配合多相整流AC/DC變換器的方案取代.采用整流變換器的主要不足是整流后輸出的直流電壓常疊加較大紋波成分.以常用的12脈波整流變換器為例，忽略整流變換器內(nèi)阻，理論上換流裝置輸出除主要直流電壓成分外，還主要含有交流基頻的12倍頻次電壓特征諧波［1］.整流系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電壓源的電壓脈動(dòng)和電磁干擾過(guò)大，無(wú)法滿足高精度穩(wěn)壓、穩(wěn)流直流電源的供電要求.解決該問(wèn)題的有效方法是加裝有源濾波裝置［2-7］.有源濾波器按照結(jié)構(gòu)不同可分為并聯(lián)型［2-4］、串聯(lián)型［5-7］兩類，主要用于改善電網(wǎng)電能質(zhì)量.目前應(yīng)用在直流電源中的有源濾波器大多屬于并聯(lián)型，但是并聯(lián)型有源濾波器的性能受負(fù)載阻抗的影響較大，有時(shí)補(bǔ)償效果并不理想.參照有源濾波器應(yīng)用的相關(guān)結(jié)論［8］，選擇串聯(lián)結(jié)構(gòu)有源濾波器作為補(bǔ)償直流電源的等效諧波電壓源更為合適.

串聯(lián)型有源濾波器用于降低直流電源紋波，以往方案存在的主要問(wèn)題是濾波裝置借助耦合變壓器直接串入直流母線，需要承受全部直流電流和較高的絕緣電壓，器件負(fù)擔(dān)過(guò)重［8］.針對(duì)這一不足，文中擬改進(jìn)有源濾波器接入電網(wǎng)的方式，提出一種新的串聯(lián)混合型結(jié)構(gòu).

1 有源濾波結(jié)構(gòu)分析

圖1為串聯(lián)混合型有源濾波器主電路，包含無(wú)源模塊和有源模塊兩部分.無(wú)源模塊由電感L和電容C組成.有源模塊與電容C串聯(lián)后再與電感L并聯(lián)，共同串入直流電源母線.聯(lián)動(dòng)開(kāi)關(guān)K1，K2控制有源模塊投切，K1閉合、K2斷開(kāi)時(shí)僅無(wú)源濾波模塊工作，K1斷開(kāi)、K2閉合時(shí)有、無(wú)源模塊共同工作.

圖1 直流有源濾波器主電路

無(wú)源模塊中，電感支路和電容支路組成并聯(lián)諧振電路.假設(shè)兩條并聯(lián)諧振支路的阻抗分別為R1+jX1，R2+jX2，可以推導(dǎo)得到電路并聯(lián)諧振條件為X1+X2=0，即并聯(lián)支路組成回路的總電抗之和為0.電路諧振頻率由X1，X2的值確定.

無(wú)源器件用于濾除直流紋波中含量最多的12次諧波(600 Hz)，據(jù)此選擇電路并聯(lián)諧振參數(shù).試驗(yàn)表明無(wú)源器件對(duì)12次諧波具有較大的諧波阻抗，濾波后直流電壓、電流中12次諧波大大衰減.

有源模塊用于濾除其他含量較小的諧波成分，并提高濾波效果.該結(jié)構(gòu)中有源模塊只承受諧波電壓和諧波電流，因此器件功率要求大大降低.

2 控制方案分析

圖2為有源濾波器控制系統(tǒng)原理圖，其中有源模塊等效為受控電壓源UA，ZR為等效負(fù)載，L，C為無(wú)源濾波器件，IR為直流電源電流，UR為濾波后直流電源電壓，U為整流器輸出等效電壓源(主要包含直流成分和交流基頻的12k次特征諧波).

圖2 控制系統(tǒng)原理圖

將串聯(lián)型有源濾波器控制為諧波“阻塞”裝置，其作用為增大線路諧波阻抗，保證諧波電壓均降落到有源濾波器.理想情況下，希望串聯(lián)有源濾波器對(duì)諧波呈現(xiàn)無(wú)窮大阻抗，則濾波后直流電源供電電壓、電流無(wú)紋波.據(jù)此，定義系統(tǒng)性能函數(shù)

用于衡量其濾波效果.在需要濾波的頻率區(qū)間，H(s)幅頻特性的幅值越小越好.

仿真及試驗(yàn)電路參數(shù)見(jiàn)表1，后續(xù)分析均使用表1中數(shù)據(jù)，其中為整流器輸出電壓平均值.

參數(shù) L/mH C/μF R/ΩU/V 16.0 4.4 100 1 000試驗(yàn)參數(shù)仿真參數(shù)15.6 4.5 100 1 000

根據(jù)圖2，僅使用無(wú)源LC濾波模塊時(shí)，

式中ZL，ZC，ZR分別表示器件L，C和負(fù)載的阻抗.

加入有源濾波模塊后，將有源模塊等效為受控電壓源，不同的控制策略直接影響控制效果.

反饋控制策略是最常見(jiàn)的控制方法.檢測(cè)直流線路電流IR中的諧波成分并用于控制有源濾波器，控制函數(shù)為GA1(s).

GA1(s)由控制環(huán)節(jié)和諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)兩部分組成.控制環(huán)節(jié)使用比例控制器kp;諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)選取一階高通濾波器s/(s+D)(參數(shù)D決定濾波器性能，D越大，濾波器動(dòng)態(tài)性能越好，并有更好的低頻衰減).對(duì)圖2列寫(xiě)電路方程并化簡(jiǎn)得系統(tǒng)性能函數(shù):

將表1的電路參數(shù)代入式(4)，根據(jù)Routh判據(jù)分析系統(tǒng)穩(wěn)定性.分析發(fā)現(xiàn)，參數(shù)D取值較大時(shí)有利于提高諧波檢測(cè)效果，但同時(shí)會(huì)影響控制器kp的取值范圍及系統(tǒng)穩(wěn)定性.使用單一反饋控制，系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性之間難以兼顧.

無(wú)源模塊對(duì)于并聯(lián)諧振點(diǎn)對(duì)應(yīng)的12次諧波(600 Hz)有很好的抑制效果.但是對(duì)于線路中其他特征諧波，如24，36，48次諧波則幾乎沒(méi)有作用.如果安裝一組無(wú)源濾波模塊，分別并聯(lián)諧振于各次特征諧波頻率，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各次諧波的抑制，但明顯成本過(guò)高.

分析表明，選擇合適的控制策略，該無(wú)源濾波器組可以通過(guò)有源模塊等效實(shí)現(xiàn).檢測(cè)流過(guò)有源模塊的電流IA產(chǎn)生有源模塊控制信號(hào)，有源模塊等效為電流控制電壓源UA(s)=GA2(s)IA(s)，此時(shí)其電路特性在圖3中表現(xiàn)為等效阻抗GA2(s)［9］，該等效阻抗和原有無(wú)源濾波支路中的電容C串聯(lián)，并且阻抗值是可控的.合理設(shè)計(jì)控制函數(shù)GA2(s)，可以構(gòu)造一組諧振于12k次諧波的并聯(lián)諧振濾波器組.

圖3 有源濾波器等效電路

以針對(duì)24次諧波的濾波器設(shè)計(jì)為例，有源模塊等效為阻抗GA2.無(wú)源器件的諧振頻率為12次諧波.如果要求整個(gè)并聯(lián)支路在24次諧波處具有并聯(lián)諧振點(diǎn)，保持電感L不變，只需電容C和阻抗G24(s)組成支路的合成電容值為C/4.此時(shí)阻抗GA2(s)在24次諧波頻率處應(yīng)表現(xiàn)為電容特性C24=C/3.

式(5)為控制函數(shù)，由兩部分組成:諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)傳函，檢測(cè)流過(guò)有源模塊電流IA中的24次諧波成分，使用自適應(yīng)諧波檢測(cè)方法，其中參數(shù)ω24對(duì)應(yīng)24次諧波角頻率，系數(shù)M由諧波檢測(cè)算法決定;1/(sC24)為有源模塊等效電容傳函.

類似方法針對(duì)36次、48次諧波構(gòu)造濾波器組，得到完整控制函數(shù):

式中n=24，36，48，C24=C/3，C36=C/8，C48=C/15.

檢測(cè)電流IA實(shí)現(xiàn)的控制屬于針對(duì)特征諧波的開(kāi)環(huán)補(bǔ)償，將其與反饋控制結(jié)合，得到復(fù)合控制方式:

其中前饋控制函數(shù)GA2(s)占主體部分，反饋控制函數(shù)GA1(s)主要用于減小開(kāi)環(huán)控制誤差，提高控制精度，所以GA1(s)不需要取很大，也就避免了穩(wěn)定性問(wèn)題.

圖4為增加控制函數(shù)GA2(s)前后，電感、電容支路的系統(tǒng)函數(shù)的幅頻特性比較.圖4a中，未加入有源模塊，無(wú)源器件僅諧振于12次諧波(600 Hz);圖4b中，加入有源模塊，電容支路增加等效串聯(lián)阻抗GA2(s)，構(gòu)造多調(diào)諧濾波器組，增加了1 200，1 800，2 400 Hz等多個(gè)并聯(lián)諧振點(diǎn).由于針對(duì)特征諧波頻率處設(shè)置諧振陷波點(diǎn)，在這些特征頻率處復(fù)合控制策略的濾波效果明顯優(yōu)于單一反饋控制.

圖4 控制前后電感、電容支路幅頻特性

3 濾波器性能比較

搭建仿真、試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證前文分析.試驗(yàn)平臺(tái)由12脈波相控整流電源(1 200 V/15 kW)和串聯(lián)混合型直流有源濾波器(有源模塊功率300 W)兩部分組成.圖5為Matlab仿真結(jié)果，為系統(tǒng)在不同控制策略下直流電源輸出電壓的波形.按照時(shí)間順序，分別為濾波前、僅使用無(wú)源濾波模塊、反饋控制策略和復(fù)合控制策略，可以看出直流電壓紋波系數(shù)對(duì)應(yīng)分別約為 5.13%，2.17%，1.34%和 0.68%，表明其紋波逐漸減小，有源濾波器濾波效果依次增強(qiáng).

圖6為不同補(bǔ)償方案的試驗(yàn)效果比較.補(bǔ)償前直流電源輸出電壓紋波系數(shù)為5.60%;僅采用無(wú)源濾波技術(shù)，電壓紋波系數(shù)為2.79%;采用有源濾波后，電壓紋波系數(shù)減小到0.74%.試驗(yàn)結(jié)果與理論分析以及仿真結(jié)果一致.

圖5 有源濾波器濾波效果仿真波形

圖6 有源濾波器濾波效果試驗(yàn)波形

4 結(jié)論

論文針對(duì)已有串聯(lián)型有源濾波器需要承受全部直流電流和較高的絕緣電壓、器件負(fù)擔(dān)過(guò)重的不足，提出一種新的串聯(lián)混合型有源濾波器，并研究與之相適應(yīng)的系統(tǒng)控制策略.該結(jié)構(gòu)能有效降低對(duì)電力電子器件的要求，有利于串聯(lián)型補(bǔ)償方案的實(shí)際應(yīng)用.仿真和試驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了濾波方案的可行性和有效性.

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