【文章內(nèi)容簡介】 1 1 0 0 0 1 12/31/31/3 2 0 1 0 1 0 11/32/31/3 3 1 1 0 0 0 11/31/32/3 4 0 0 1 1 1 01/31/32/3 5 1 0 1 0 1 01/32/31/3 6 0 1 1 1 0 02/31/31/3當(dāng)時，需要使得補償電流增大，APF中A相橋壁上橋壁應(yīng)導(dǎo)通，下橋臂應(yīng)關(guān)斷，由表51得，為2/3或1/3，如果取為1/3，則， （33）要使跟蹤，應(yīng)使得增大，要求 （34）根據(jù)上式得 （35）其中為電網(wǎng)相電壓的峰值。由上式得出，直流側(cè)電容電壓的取值應(yīng)該是電網(wǎng)系統(tǒng)相電壓峰值的3倍。在保證3倍的情況下，電壓值越大，補償性能越好。但是相應(yīng)的對開關(guān)耐壓的要求越高，成本也將增加，因此在選擇直流側(cè)電壓時要綜合考慮。直流側(cè)電壓取900V時，APF的補償效果最好。在有源電力濾波器的主電路中，功率開關(guān)器件的選擇要求決定了有源濾波器諧波補償電流的跟蹤能力，功率開關(guān)器件的選擇需要綜合考慮直流側(cè)電壓以及補償電流等相關(guān)參數(shù)。在選擇功率開關(guān)器件之前應(yīng)當(dāng)先考慮到其容量以及工作頻率。參考有源濾波器容量以及逆變器直流側(cè)電壓來決定IGBT的型號。其次，根據(jù)補償諧波頻率的高低來選擇器件的工作頻率。器件工作頻率的選擇應(yīng)根據(jù)實際要濾除負(fù)荷電流最高次諧波的次數(shù)來確定，根據(jù)采樣定理，開關(guān)頻率必須為最高次諧波頻率的 2 倍以上。但實際上，當(dāng)頻率調(diào)制比（器件的開關(guān)頻率與最高次諧波頻率之比）低（比如低于 7 ~11）時，會造成鄰近譜瓣互相重疊，發(fā)生所謂混疊，使得波形出現(xiàn)明顯失真。 理論上，器件的開關(guān)頻率越高，有源濾波器對諧波的補償能力越強，補償諧波的效果越好， 但隨著開關(guān)器件開關(guān)頻率的增高，開關(guān)損耗也會增加，器件工作時對散熱的要求也越高，同時器件的價格也會越高。最后，應(yīng)根據(jù)器件的耐壓水平、電流水平、開關(guān)頻率及散熱要求，綜合考慮主電路的成本，選擇合適的開關(guān)器件。目前普遍應(yīng)用的電力電子開關(guān)器件主要有三 類 ：MOSFET 器件、IGBT 器件和 GTO/IGCT 器件，MOSFET 器件具有很高的開關(guān)頻率，且容量較小，而 IGBT 器件具有較高的開關(guān)頻率， 且容量也較大，而 GTO/I GCT 器件工作頻率在 1000Hz 以下，在有源電力濾波器中不適用。因此在有源電力濾波器中主要采用的開關(guān)器件為 MOSFET 和 IGBT。IGBT是一種N溝道增強型場控(電壓)復(fù)合器件，兼有功率MOSFET和雙極性器件的優(yōu)點：電壓驅(qū)動、輸入阻抗高、開關(guān)速度快、安全工作區(qū)寬、飽和壓降低、耐壓高、電流大。對于中小容量的有源濾波器， 變流器可以選用 MOSFET 作為開關(guān)器件，采用較高的開關(guān)頻率；對于較大容量的有源電力濾波器， 可以選用 I GBT 作為開關(guān)器件。目前，IGBT最大容量可達(dá)6500V/600A，開關(guān)頻率可達(dá)2KHz。根據(jù)上面的分析，本文的10kVA并聯(lián)型有源電力濾波器選擇IGBT作為主電路開關(guān)器件，其參數(shù)設(shè)計主要是器件的電壓等級和電流等級的選擇。器件電壓的選擇決定于APF直流母線電壓，一般取IGBT耐壓為的2倍左右即可以滿足要求。器件的電流決定于APF最大補償電流有效值，考慮一定的安全裕度，通常取IGBT的額定電流為的2倍左右。開關(guān)頻率取決于所要補償?shù)淖罡叽沃C波的頻率。本文需要補償?shù)闹C波的最高次諧波是50次，對應(yīng)的頻率為50 50Hz=2500Hz。有源電力濾波器要對50 次諧波有較好的補償效果，開關(guān)器件的工作頻率最好在 7 2500Hz = 17 500Hz 以上。本文的APF系統(tǒng)容量定為10KVA，可得出的電流，由式（31）得： (36)因此選擇電壓值為1800V最大可關(guān)斷電流約為30~5 0A，的IGBT。主電路直流側(cè)電容的作用是來維持的穩(wěn)定，維持變流器直流側(cè)和交流側(cè)的能量互相變換。但是在實際中，不會是一個恒定值。如果選擇的電容值大，那么電容的重量和體積就會增大，成本也相應(yīng)的增加；如果選擇的電容小，則波動就會很大，那么APF的補償效果不理想。APF正常工作時，電容一直處在充放電兩種交替狀態(tài)，在一個脈寬調(diào)制周期內(nèi)，脈沖間歇期間交流側(cè)電網(wǎng)給電容充電，脈沖作用期間電容放電。設(shè)電容直流側(cè)平均電壓為 ，APF運行時電容上的最大電壓設(shè)為，最小電壓設(shè)為，那么直流側(cè)電壓的脈動率可以定義為： （37）由上式（37）可以將和 表示為： （38） (39)假設(shè)電容完成一次充放電的最大時間將正好是一個PWM周期，在這段時間內(nèi)，電容以最大補償電流充放電，那么電容的容量計算如下式： （310） （311）上式中，表示PWM脈沖頻率，它的取值大小決將定了APF補償諧波的最高次數(shù)，對電力電子開關(guān)器件工作頻率的要求。越小則的紋波越大，反之也成立。針對本文直流側(cè)電容值取1mF。 交流電感需滿足兩方面的要求，一是為了滿足交流側(cè)輸出的補償電流的跟隨性，它應(yīng)該取值小；二是必須保證對補償電流紋波大小的限制，它應(yīng)該取值大。補償電流通過電感兩側(cè)的電壓的變化率產(chǎn)生，如果補償電流的變化率過大，那么有源濾波器的輸出的補償電流相對于檢測的指令電流存在很大的超調(diào)。交流側(cè)電感作用是能平衡有源濾波器主電路中點電壓、補償電流的相位調(diào)整、保證補償電流的連續(xù)、能量的存儲和雙向饋贈、緩沖各相諧波的無功功率等。忽略SAPF交流側(cè)電阻： （312）由上式得A相電感的取值是， （313）上式中， （314）當(dāng)并聯(lián)型有源濾波器運行的時間足夠長，那么交流側(cè)電壓的平均作用為零，為1/3的概率為2/3，為2/3的概率為1/3，因此，的期望值為4/9，代入式(313)得： （315）輸出的補償電流需要跟蹤指令電流的變化，那么在每一個PWM波形周期內(nèi)補償電流的變化率要求大于指令電流的變化率。因此SAPF跟蹤到指令電流的最大變化率，需要滿足下式： （316）因此由式(315)和式(316）得出： （317）上式中，針對不同的補償對象，指令電流的要求不同，根據(jù)的經(jīng)驗公式得： （318）上式中，當(dāng)只含有諧波電流時，有： （319）上式（319）中，f表示基波電流的頻率，表示檢測的指令電流的有效值。由式（317）、（318）、（319）得： （320）最小的電感值的選取是由系統(tǒng)所能允許的紋波電流的大小決定的。如果要求SAPF實際補償電流偏離指令電流的最大值為，則： （321）由上式得， （322）綜上所述得， （323）綜合選取本設(shè)計的有源電力濾波器的交流側(cè)輸出電感值為4mH。本章小結(jié)：本章分析的是APF主電路參數(shù)設(shè)計，給出有源電力濾波器的容量、直流側(cè)電容和電壓、交流側(cè)電感的計算方法，根據(jù)設(shè)計的電路選擇合適的主電路開關(guān)器件。4 有源電力濾波器補償電流跟蹤控制方法并聯(lián)型三相三線有源電力濾波器的拓?fù)鋱D如下圖41所示:圖41并聯(lián)型三相有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)圖 圖中表示電網(wǎng)三相電源電壓；L為交流側(cè)電感；R表示交流側(cè)電阻；、為有源濾波器輸出的補償電流。A、B、C、N四點的電壓、是以中性點o為零電位參考點。APF是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，通過對系統(tǒng)中的參數(shù)進(jìn)行理想化來簡化數(shù)學(xué)模型。①輸出側(cè)電感為理想電感，不考慮內(nèi)阻；②電力電子器件為理想的器件，不考慮各個功率器件及二極管的通態(tài)壓降；③不考慮死區(qū)時間；④理想電源。根據(jù)圖41由基爾霍夫定律得到SAPF的主電路電流電壓關(guān)系方程: （41） 因、帶入上式得： (42)由（42）得， （43）定義一個開關(guān)函數(shù)、 （44） （45）三相電源電壓之和 ，對三相三線電路有 ，根據(jù)（45）得， （46）于是得到（47）， （47）根據(jù)開關(guān)器件的導(dǎo)通特性得出8中開關(guān)狀態(tài)，分別為000，100，110，010，011，001，101，111，各開關(guān)狀態(tài)下的三相電壓值。將這8種狀態(tài)帶入式（47）可以得出各相電壓值，如下表41所示。表41 8種開關(guān)狀態(tài)下各相電壓值000000100110010011 001 101 111000將（47）帶入得， （48） 將式（48）變換到靜止坐標(biāo)系下，得到靜止坐標(biāo)系下的APF數(shù)學(xué)模型： (49)式（49）中， （410） （411）將式（49）寫成矢量方程的形式： （412）APF控制的目標(biāo)是使其輸出電流等于參考電流，即。參考電流與實際輸出電流的差值為電流誤差矢量。當(dāng)輸出電流為參考電流時，式（412）變換為： （413）式（412）與式（413）相減得： （414）由式（414）可知，APF參考電壓與交流側(cè)實際輸出電壓的偏差決定了電流誤差矢量的變化率。因此可以通過控制APF輸出的實際電壓，使其與參考電壓的偏差最小，從而控制電流誤差矢量，最終間接的實現(xiàn)補償電流跟蹤參考電流。 APF控制系統(tǒng)基本原理 有源濾波器的工作原理是檢測諧波電流信號，取反后得到補償電流指令信號。并聯(lián)型有源濾波裝置對非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流和無功電流進(jìn)行實時跟蹤補償，從而使電網(wǎng)電流和電壓同相位正弦化。并聯(lián)型有源濾波裝置的控制包括交流側(cè)補償電流的控制和直流側(cè)電壓的控制。因為APF的目的是改善輸電線路中電能的質(zhì)量，所以交流側(cè)電流的控制是關(guān)鍵。交流側(cè)電流控制的本質(zhì)是使APF送入電力系統(tǒng)的電流跟隨檢測到的指令電流。補償電流跟蹤的作用是將檢測電流的指令信號和實際補償電流比較，產(chǎn)生PWM信號控制主電路各個開關(guān)器件的通斷，最終保證補償電流跟蹤其指令信號的變化。由于指令電流信號中含有較多的諧波成分，又要求有源濾波器產(chǎn)生的補償電流實時跟蹤指令電流信號，因此設(shè)計的補償電路發(fā)生器要有有很好的實時性。為了提高控制精度，減少響應(yīng)時間，增強系統(tǒng)的抗干擾能力，需要提出可行的控制策略。 有源電力濾波器最終是控制PWM逆變器，通過檢測電流和實際補償電流的差值來控制逆變器的開關(guān)的通斷，使逆變器輸出的電壓或電流能跟蹤檢測出的電壓或電流，從而治理電網(wǎng)中的諧波。大多數(shù)APF控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖41所示。圖41PWM脈沖控制原理圖通過諧波檢測電路檢測出需要APF補償?shù)闹C波電流。倘若APF用的是電流源型逆變器，那么只需通過合適的脈沖來控制開關(guān)的通斷，從而使APF產(chǎn)生期望的諧波電流。但是實際中大多數(shù)APF采用的是電壓源型逆變器，那么APF產(chǎn)生的三相瞬時電壓的大小就是由檢測出的電流諧波通過控制算法得出，使有源濾波器