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并聯型有源濾波器的死區效應及其補償策略

并聯型有源濾波器的死區效應及其補償策略

2018-06-07 09:07:00

一.常用并聯型三相四線制APF

    有源電力濾波器APF,作為一種動态抑制諧波和補償無功的新型電力電子裝置得到了迅速發展。其中,并聯型APF由于具有效率高、成本低、易控制等優點而成為研究重點。

 

    并聯型三相四線制APF的基本原理是通過某種算法來控制主電路中的電壓型逆變器,使其向網側注入抵消負載電流中的諧波和無功電流分量,從而使得電源電流隻剩下基波有功分量,其波形為與電壓同相的正弦波。然而,電壓型逆變器存在直流電壓母線,為了防止開關器件發生“直通”現象,在同一橋臂的兩個開關管開通與關斷之間必須設置一定的死區時間。而死區的存在使得電壓型逆變器不能精确實現控制算法,從而影響APF的補償性能。

 

二.死區效應分析

    假定開關管均為理想開關,則在死區時間内,S1和S2都處于關斷狀态,逆變器輸出補償電流隻能由反并聯二極管D1或D2來續流。規定電流由橋臂流出時為正方向。當 >0時,在死區時間内, 隻能通過D2來續流,A點電壓被鉗位在-Uc/2。此時,若S1由導通到關斷、S2由關斷到導通,則理想情況下A點電壓應為-Uc /2,因而此時死區的存在對APF輸出沒有影響;若S1由關斷到導通、S2由導通到關斷,則理想情況下A點電壓應為Uc/2,而實際電壓為-Uc /2,因而與理想情況相比,在死區時間内,A點電壓相當于增加了一個幅值為Uc、寬度為 負脈沖。


加入死區時間之後APF橋臂中點輸出電壓與理想值之間産生一定的偏差,不計電壓的上升與下降時間的話,此偏差電壓可以看成一系列電壓脈沖,主要有兩個特點:

(1) 每個開關周期内存在一個偏差電壓脈沖;

(2) 每個偏差電壓脈沖的極性與當時輸出補償電流的極性相反。

 

死區效應不僅影響APF輸出電壓的幅值,也會對其相位産生影響。

    以上分析是在假定開關管均為理想開關的情況下進行的,而實際中,開關管的通态壓降和開關時間均是存在的,并且随着溫度和電流的變化而變化。此外,當輸出補償電流在死區時間内續流至零時,由于二極管的正向導通性,電流不再反向增大,在這段時間内,A點電壓為零,此時偏差電壓脈沖幅值為Uc /2,此現象稱為零電流鉗位現象。總之,由于死區時間的加入,使得APF的輸出與理想值之間産生一定的偏差,這會對APF的補償性能有影響。分析後可知,偏差量與開關頻率、死區時間成正比,頻率越高、越大則偏差越大,對補償性能的影響越嚴重。因此,為了提高APF的補償性能,必須對死區進行補償。

 

三.死區效應的補償策略分析

電流反饋型補償策略:

    這種方法的基本思想是通過對逆變器輸出電流的檢測并判斷其極性,将檢測結果送入控制器,控制器根據判斷出的電流極性來調整開關管驅動脈沖的寬度,從而産生一個與偏差電壓脈沖幅值和寬度相同、極性相反的補償電壓脈沖,來抵消偏差電壓的影響。


無死區補償策略:

(1)當 >0時,極性檢測輸出高電平,選通門U1選通,U2封鎖;

(2)當 <0時,極性檢測輸出低電平,選通門U1封鎖,U2 選通。

 

兩者的比較:

根據對兩種補償策略原理的分析可知,二者的共同之處是都需要對輸出電流進行檢測來判斷其極性。

(1)負載電流波形

(2)不設死區時電源電流波形

(3)死區為5μs時電源電流波形

(4)電流反饋控制時的電源電流波形

(5)無死區控制時的電源電流波形

由仿真結果可以看出:

①死區的存在對APF的補償性能有一定的影響;

②上述兩種方法均能實現對死區效應的有效補償。

 

    二者的不同之處是它們消除死區效應影響的機理截然不同,電流反饋型補償策略是在死區存在的前提下通過改變開關管的開通與關斷時間來實現輸出電流調節的,它需要将電流檢測信号送入APF的控制器,對控制器産生作用來調整開關管驅動脈沖的寬度,當APF采用不同的控制策略或控制器參數發生改變時,死區補償電路的參數也将随之改變。因此在設計時必須将二者結合起來考慮。而無死區補償策略是通過封鎖同一橋臂中某一隻開關管的驅動信号,而對另一隻開關管進行控制來實現輸出電流調節的,因而可以取消死區時間的設置,降低了控制電路的複雜性和成本;此外,該方法不會對控制器本身産生作用,适用于采用任何一種控制策略的APF,具有通用性。因此,無死區補償策略更适合用于對并聯型APF進行死區補償。

 

試驗分析之後表明,二者均能對并聯型APF的死區效應進行有效補償。從成本和可操作性來考慮,與電流反饋型補償策略相比,無死區補償策略具有一定的優勢。