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(gè)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)，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(shí)、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(shí)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。控制電路將采樣、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。控制電路框圖如圖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(shí)，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(shí)無功功率理論），就可計(jì)算出補(bǔ)償指令電流，將此電流與有源電力濾波器實(shí)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(shí)，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(gè)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(gè)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(jì)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(shí)，c=Lh。

1.3.3直流側(cè)電壓的控制與計(jì)算

為了保證有源電力濾波器的補(bǔ)償電流能夠?qū)崟r(shí)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€(gè)值。下面以A相為例來確定直流側(cè)電容電壓的值的大小：

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(gè)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(shí)，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(shí)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(gè)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(gè)主開關(guān)器件VT1～VT6上，因此在實(shí)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(shí)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(gè)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(gè)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(shí)間，并聯(lián)在VT4上的諧振電容C4利用這段時(shí)間充電，電壓升高；與此同時(shí)，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(gè)控制電路構(gòu)成：一個(gè)是針對逆變器橋臂上的六個(gè)主開關(guān)器件VT1～VT6，需要有一個(gè)控制電路來產(chǎn)生六路PWM脈沖信號；另一個(gè)是針對軟開關(guān)的輔助開關(guān)器件VT，也需要有另一個(gè)控制電路產(chǎn)生一個(gè)信號給它。

這兩個(gè)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(shí)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(gè)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(shí)，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(shí)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

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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)。