直流侧APF主电路参数与补偿性能的关系.pdf

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1、第 24 卷 第 11 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.24 No.11 Nov.2004 2004 年 11 月 Proceedings of the CSEE 2004 Chin.Soc.for Elec.Eng.文章编号：0258-8013(2004)11-0039-04 中图分类号：TM461 文献标识码：A 学科分类号：47040 直流侧 APF 主电路参数与补偿性能的关系 杜 雄1,2，周雒维1,2，谢品芳1（1.重庆大学电气工程学院,重庆市 沙坪坝区 400044；2.高电压与电工新技术教育部重点实验室,重庆市 沙坪坝区 400044）THE RELATIONSHIP

2、 BETWEEN COMPENSATION PERFORMANCE AND MAIN CIRCUIT PARAMETER OF DC SIDE APF DU Xiong1,2,ZHOU Luo-wei1,2,Xie Pin-fang1(1.Chongqing University,Shapingba District,Chongqing 400044,China;2.Key Laboratory of High Voltage and Electrical New Technology,The Ministry of Education,Shapingba District,Chongqing

3、 400044,China)ABSTRACT:The DC side active power filter(APF)is shunted at the DC side of rectifier bridge,which has great technical advantages in harmonic suppressing for rectifier load.The main circuit parameter not only decides whether the system can operate properly,but also affects the system s c

4、ompensation performance.And the system cost is also determined by the main circuit parameter.The relationship between the main circuit parameter(the APF inductor L,the dc side capacitor C of APF,the voltage Uc of the capacitor and its fluctuation)and compensation property is analyzed.The estimated f

5、ormulas to determine the main circuit parameter are also given in this paper.Which gives the theory basis to design DC side APF.By employing the proposed formulas,the proto type of dc side APF is founded and experimented.The experimental results meet with the theoretic analysis.KEY WORDS:Power elect

6、ronics;Harmonic suppression；DC side active power filter；Main circuit；Compensation performance 摘要：直流侧有源电力滤波器并联在整流桥的直流侧，对整流类负载进行谐波治理有很大的技术优势。主电路参数不仅决定系统能否正常工作，而且影响系统的补偿性能，还影响整个系统的成本。文中讨论了直流侧有源电力滤波器主电路的主要参数(电感 L、直流侧储能电容 C)以及电容电压 Uc及其波动范围与补偿性能之间的关系，并给出了参数选取标准。为直流侧有源电力滤波器主电路的设计提供了理论依据。用文中提出的参数设计标准，设计并调试了

7、一台试验样机，试验结果证明了文中理论分析的正确性。关键词：电力电子；谐波治理；直流侧有源电力滤波器；主电路；补偿性能 基金项目：国家自然科学基金项目(60172009)。Project Supported by National Science Foundation of China(60172009).1 引言 电力电子装置的广泛应用，在电力系统中产生了大量有害的电力谐波。其危害表现在13：使电能的生产、传输和利用效率降低；使电器过热、产生振动和噪声；并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁；引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁；引起继电保护和自动装

8、置误动作，使电能计量出现混乱；对电力系统外部，谐波对通信和电子设备会产生严重的电磁干扰等。有源电力滤波器(APF)被认为是很有前途的谐波治理方法。文中讨论的直流侧 APF 主要针对整流负载的谐波治理3,4，具有电路结构简单、成本低等优点。直流侧有源电力滤波器主电路的参数与其补偿性能和整个系统的成本有着密切的关系，因此主电路参数的确定就尤为重要。主电路参数选取是否适当，不仅决定系统能否正常工作，而且影响系统的补偿性能，还影响整个系统的成本。文中分别讨论了主电路的主要参数(电感 L、直流侧储能电容C)以及电容电压 Uc及其波动范围与补偿性能之间的关系，并给出了参数选取标准。为直流侧有源电力滤波器主

9、电路参数的设计提供了理论依据。最后，根据文中提出的参数选取标准，设计并调试了一台试验样机，试验结果证明了文中理论分析的正确性。2 直流侧 APF 的电路结构 与交流侧 APF 相比，直流侧 APF 主电路结构440 中 国 电 机 工 程 学 报 第 24 卷 由全桥或半桥结构简化为双向 Boost 结构。但是电路的开关应力没有增加。其功率级电路如图 1 所示，其中 L、S1、S2、Cp构成两象限 Boost 型变换器。开关 S1、S2互补导通，在一个开关周期中，S1导通的时间为占空比 D 对应的时间。igilisusuguLLS2S1UcCpCo负载_ 图 1 直流侧 APF 的功率级电路图

10、 Fig.1 Power stage circuit of DC side APF 对于 DC 侧 APF 来说，如从整流桥直流侧向输出端看去，负载和与之相并联的 DC 侧 APF 一起视为纯电阻，则达到了谐波治理的目的。文4中用单周控制方式实现了对直流侧APF的简单控制。3 电感电流有效变化率以及电感 L 的确定 控制 APF 中各开关器件的目的是使 APF 产生的补偿电流能够实时跟踪非线性负载电流中的谐波和无功电流的变化，并提供大小相同、方向相反的补偿电流，使电网向负载提供正弦电流。电感电流的动态指标 dip/dt 决定了 APF 的跟踪效果。从理论上讲，在一定范围内，电感电流的动态变化率

11、越大，补偿效果越好。在 ugmax，Uc相同的情况下，如果 L 的值小一些，dip/dt 就会大一些。当然也不是 L越小越好。L 越小，dip/dt 越大，会在补偿电流中产生过大的纹波电流，从而影响补偿效果。因此应确定APF可以跟踪的负载电流最大变化率dil/dtmax。下面将推导确定负载电流变化率最大值的近似公式。如果 APF 的开关频率为 fs，那么确定 APF 能够补偿的最高次数谐波频率 fh=fs/20。近似认为负载电流最大变化率由 APF 所能补偿的最高次数谐波确定，而且用 APF 补偿电流的有效值来代替负载电流有效值，那么 maxdd(sin(2)max()ddlhpif titt

12、=10/2psphifif=(1)开关 S1、S2导通时，电感 L 的电流变化率分别为 LuKg/1=,LuUKgc/)(2=(2)将 K1、K2的较大值记为 max(K1,K2)Ts，作为在一个开关周期内电感电流的有效变化率。因为在跟踪负载电流上，电感电流变化率的较大值总是起主导作用。将一个工频周期 T 内电感电流有效变化率的最小值记为 minmax(K1,K2)TsT。为了确保 APF 的补偿性能，应该使电感电流有效变化率的最小值大于式(1)中的负载电流最大变化率dil/dtmax，因此应该满足 minmax(K1,K2)TsTdil/dtmax (3)那么 L 的取值可以确定为 maxd

13、/d/),minmax(tiuUuLlTTgcgs (4)式(4)给出了电感 L 取值的近似公式，该式可在取 L值时作参考。4 电容电压 Uc对补偿性能的影响及 Uc确定 DC 侧 APF 直流侧储能电容电压的稳态值 Uc及其波动范围是整个 APF 补偿性能好坏的关键和核心所在。电容电压 Uc及其波动Uc取决于 APF的补偿容量和电容值 C 的大小。Uc和Uc这两个量不仅决定了 APF 的补偿效果，而且决定了 APF 的经济性和实用性。Uc越小，则储能电容的电压等级越低，开关管上的电压应力也低，这就降低了成本。从理论上分析 Uc和Uc对补偿性能的影响，合理选取 Uc和Uc，具有很强的工程意义。

14、由于补偿电流是通过高频开关产生的，因此含有大量的开关纹波。电感电流ip的开关纹波 sgcpkTDLuUi=)1(2/)(5)从式(5)可知，开关纹波的大小与电源电压、电容电压有关。下面将从电感电流纹波ipk的平均值ipkav和有效值ipkrms两个方面分别对其进行定量分析。=2/0 d2TpkpkavtiTi)22(22maxmax=cggsUuuLT (6)=2/0 2d2TpkpkrmstiTi2maxmax)(83212cggsUuLuT=(7)令max/gcuUk=，取max220 2311V,gu=L=1mH,Ts=25s，图2、图3中分别画出电感电流纹波平均值ipkav、有效值ip

15、krms与k的关系曲线。从图 2 和图 3 中可以看出，k 值越小，电感电流开关纹波有效值和平均值越小。则从开关纹波的角度来看，k 值应尽可能小，开关纹波对补偿电流的影响越小。即电压 Uc的值应尽可能低。但是，为了保证电感电流 ip在一个工频周期内可正负变化，第 11 期 杜 雄等：直流侧 APF 主电路参数与补偿性能的关系 41 则 Ucugmax。同时，还要考虑逆变器占空比的调节范 围，一 般k在1.11.3之 间 取 值，即Uc(1.11.3)ugmax。1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 k00.51.01.5ipkav/A 图 2 ipkav与 k 的关系 Fig.2 T

16、he relation between ipkav and k 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 k1.51.02.0ipkrms/A 图 3 ipkrms与 k 的关系 Fig.3 The relation between ipkrms and k 5 电容电压波动对补偿性能的影响及其波动范围和电容量 C 的确定 在直流侧 APF 补偿容量一定的情况下，电容电压的允许波动范围影响电容量 C 的大小。允许波动范围越大，电容 C 可以越小，就可以降低成本。但电压波动范围，对补偿性能有影响。下面将定量分析电容电压波动对补偿性能的影响，确定波动范围，继而确定电容量 C。在单周控制直流侧

17、 APF 中，有一个很关键的中间控制量4 cesmURRv=/(8)因为 vm的值反映了负载的大小5,6。而在实际电路中，可以用下面的方程来实现)(refrefccfmUkvkvv+=(9)式中 Re为负载和与之相并联的DC侧APF作为整体的模拟等效电阻；Rs为电流 ig电流传感器取样比，在实际系统中，可以用取样电阻 Rs来用作电流传感器实现电流取样；vref为电容电压的参考值；kc为电容电压 Uc的取样比；kf为电容电压与参考电压的误差反馈系数。结合式(8)、(9)，可以得到)1(/refccffcseUkkkvURR+=(10)对式(10)进行多元函数一阶泰勒级数展开，忽略参考电压 vre

18、f的扰动，则 cccfffseUUkkkvvkRR)1()1(2refref+=(11)式(11)反映了电容电压扰动对等效电阻的影响程度。可以看出，电容电压扰动和等效电阻扰动呈线性关系。电容电压的波动越大，等效电阻的波动就越大，那么电源输出电流有效值的波动就越大，因而会影响补偿效果。因此式(11)就反映了电容电压扰动对补偿性能的影响。为了保证一定的补偿效果，电容电压的波动一般控制在其稳态值的 2%5%左右。在确定了电容电压波动范围，以及直流侧 APF的补偿容量 P 之后，可以根据直流侧 APF 的能量关系，得到直流侧电容的容量)(2/2min2maxccUUfPC (12)Ucmax、Ucmi

19、n分别为电容电压的最大、最小值，f 为电网频率 6 DC 侧 APF 的功率流向分析 当 DC 侧 APF 输入电流 ip为负时，APF 输出功率，向负载提供无功功率，电容电压下降，直至 APF输入电流回复到零，电容电压下降到最低值，此时直流侧电容释放能量 W。APF 输入电流为正时，APF输入功率，吸收负载提供的无功功率，电容电压上升，直至输入电流回复到零，电容电压上升到最大值，此时直流侧电容储存能量 W。在一个工频周期中，前述过程重复两次，电容中的能量也完成两次存储和释放。虽然直流侧有源电力滤波器补偿的平均功率为 0，但是瞬时功率不为 0，其主要的储能元件为电容。电容电压的存储或释放的能量

20、W=1/2C(Uc2maxUc2min)。DC 侧 APF 的功率流向决定了其电容电压必定存在波动，而电容电压波动又会影响补偿性能。所以在设计 DC 侧 APF 时必须充分考虑到这一点。在桥式结构的交流侧 APF 中功率流向与 DC 侧 APF 的功率流向相类似，可以借鉴文中的分析方法。7 实验研究 确定实验样机的补偿容量为 120VA，输入电源经过调压器降压为 30V，DC 侧 APF 的开关频率为40kHz。利用前面推导的主电路参数计算公式，确定直流侧电压为 50V，可以分别确定主电路参数分42 中 国 电 机 工 程 学 报 第 24 卷 别为 L=0.3mH,C=3300F。在确定主电

21、路参数的基础上，采用单周控制方式，分别用感性和容性两种不同性质的负载对单周控制直流侧 APF进行了实验研究。实验结果如图 4、5 所示。从实验结果可以看出，直流侧 APF usisusisip/A5A/格 50V/格5A/格 50V/格2A/格(a)补偿前的电压电流波形(b)补偿后的电压电流波形(c)APF 输出电流波形10ms/格 t/ms 图 4 负载为感性时补偿前后的电压电流波形 Fig.4 The voltage and current waveforms with RL load before and after compensation usisusisip/A5A/格 50V/格

22、5A/格 50V/格2A/格(a)补偿前的电压电流波形(b)补偿后的电压电流波形(c)APF 输出电流波形10ms/格 t/ms 图 5 负载为容性时补偿前后的电压电流波形 Fig.5 The voltage and current waveforms with RC load before and after compensation 的补偿效果好，证明了文中推导的主电路参数设计公式的正确性。8 结论 本文在提出电感电流有效变化率概念的基础上，推导了确定主电路电感 L 的计算公式。分别分析了电容电压值与电感电流纹波平均值和有效值之间的关系，从电感电流纹波、补偿效果等因数综合考虑，确定了电容电

23、压的取值范围。从单周控制思想出发，推导得出电容电压波动与等效电阻波动呈线性关系的结论，确定了电容电压波动的范围。对直流侧 APF 进行了功率流向的理论分析。在此基础上，确定了储能电容量 C 的取值范围。为直流侧有源电力滤波器主电路的设计提供了理论依据。实验结果验证了理论分析的正确性。参考文献 1 刘进军,刘波,王兆安.基于瞬时无功功率理论的串联混合型单相电力有源滤波器 J.中国电机工程学报,1997,17(1)：37-41.Liu Jinjun,Liu Bo,Wang Zhaoan.Hybid type series active power filter used in single-pha

24、se circuit based on instantaneous reactive power theoryJ.Proceedings of the CSEE,1997,17(1)：37-41.2 张桂斌,徐政,王广柱.基于空间矢量的基波正序、负序分量及谐波分量的实时检测方法 J.中国电机工程学报,2001,21(10)：1-5.Zhang Guibin,Xu Zheng,Wang Guangzhu.Study and simulation of real-time detection method for fundamental positive sequence,negative seq

25、uence components and harmonic component based on space vectorJ.Proceedings of the CSEE,2001,21(10)：1-5.3 周雒维,杜雄,谢品芳.直流侧 APF 与 APF 和 PFC 开关利用率的比较研究 J.中国电机工程学报,2003,23(8)：28-31.Zhou Luowei,Du Xiong,Xie Pinfang.Research on switch utilization ratio of DC side APF in comparision with APF and PFCJ.Proceed

26、ings of the CSEE,2003,23(8)：28-31.4 谢品芳,杜雄,周雒维.单周控制直流侧单相有源电力滤波器J.电工技术学报,2003,18(4)：51-55.Xie Pinfang,Du Xiong,Zhou Luowei.One cycle controlled DC side single phase active power filterJ.Transaction of China Electrotechnical Society,2003,18(4)：51-55.5 Keyue M.Smedly,Luowei Zhou.Chonqming Qiao.Unified

27、constant-frequency integration control of active power filterssteady-state and dynamics J.IEEE Trans.Power Electr.2001,16(3)：428-436.6 Luowei Zhou,Keyue M.Smedly.Unified constant-frequency integration control of active power filtersA.APEC 2000.New OrleansC.USA，2000：406-412.收稿日期：2004-03-18。作者简介：杜 雄(1979-)，男，博士研究生，主要从事变换器理论，有源电力滤波，功率因数校正等方面的研究；周雒维(1954-)，男，博士，博士生导师，研究方向为电力电子技术，电路理论及应用等；谢品芳(1946-)，女，副教授，从事电网络理论教学和科研工作，研究领域为电网络理论和电力电子技术。