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并联型有源滤波器的死区效应及其补偿策略

并联型有源滤波器的死区效应及其补偿策略

2018-06-07 09:07:00

一.常用并联型三相四线制APF

    有源电力滤波器APF,作为一种动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置得到了迅速发展。其中,并联型APF由于具有效率高、成本低、易控制等优点而成为研究重点。

 

    并联型三相四线制APF的基本原理是通过某种算法来控制主电路中的电压型逆变器,使其向网侧注入抵消负载电流中的谐波和无功电流分量,从而使得电源电流只剩下基波有功分量,其波形为与电压同相的正弦波。然而,电压型逆变器存在直流电压母线,为了防止开关器件发生“直通”现象,在同一桥臂的两个开关管开通与关断之间必须设置一定的死区时间。而死区的存在使得电压型逆变器不能精确实现控制算法,从而影响APF的补偿性能。

 

二.死区效应分析

    假定开关管均为理想开关,则在死区时间内,S1和S2都处于关断状态,逆变器输出补偿电流只能由反并联二极管D1或D2来续流。规定电流由桥臂流出时为正方向。当 >0时,在死区时间内, 只能通过D2来续流,A点电压被钳位在-Uc/2。此时,若S1由导通到关断、S2由关断到导通,则理想情况下A点电压应为-Uc /2,因而此时死区的存在对APF输出没有影响;若S1由关断到导通、S2由导通到关断,则理想情况下A点电压应为Uc/2,而实际电压为-Uc /2,因而与理想情况相比,在死区时间内,A点电压相当于增加了一个幅值为Uc、宽度为 负脉冲。


加入死区时间之后APF桥臂中点输出电压与理想值之间产生一定的偏差,不计电压的上升与下降时间的话,此偏差电压可以看成一系列电压脉冲,主要有两个特点:

(1) 每个开关周期内存在一个偏差电压脉冲;

(2) 每个偏差电压脉冲的极性与当时输出补偿电流的极性相反。

 

死区效应不仅影响APF输出电压的幅值,也会对其相位产生影响。

    以上分析是在假定开关管均为理想开关的情况下进行的,而实际中,开关管的通态压降和开关时间均是存在的,并且随着温度和电流的变化而变化。此外,当输出补偿电流在死区时间内续流至零时,由于二极管的正向导通性,电流不再反向增大,在这段时间内,A点电压为零,此时偏差电压脉冲幅值为Uc /2,此现象称为零电流钳位现象。总之,由于死区时间的加入,使得APF的输出与理想值之间产生一定的偏差,这会对APF的补偿性能有影响。分析后可知,偏差量与开关频率、死区时间成正比,频率越高、越大则偏差越大,对补偿性能的影响越严重。因此,为了提高APF的补偿性能,必须对死区进行补偿。

 

三.死区效应的补偿策略分析

电流反馈型补偿策略:

    这种方法的基本思想是通过对逆变器输出电流的检测并判断其极性,将检测结果送入控制器,控制器根据判断出的电流极性来调整开关管驱动脉冲的宽度,从而产生一个与偏差电压脉冲幅值和宽度相同、极性相反的补偿电压脉冲,来抵消偏差电压的影响。


无死区补偿策略:

(1)当 >0时,极性检测输出高电平,选通门U1选通,U2封锁;

(2)当 <0时,极性检测输出低电平,选通门U1封锁,U2 选通。

 

两者的比较:

根据对两种补偿策略原理的分析可知,二者的共同之处是都需要对输出电流进行检测来判断其极性。

(1)负载电流波形

(2)不设死区时电源电流波形

(3)死区为5μs时电源电流波形

(4)电流反馈控制时的电源电流波形

(5)无死区控制时的电源电流波形

由仿真结果可以看出:

①死区的存在对APF的补偿性能有一定的影响;

②上述两种方法均能实现对死区效应的有效补偿。

 

    二者的不同之处是它们消除死区效应影响的机理截然不同,电流反馈型补偿策略是在死区存在的前提下通过改变开关管的开通与关断时间来实现输出电流调节的,它需要将电流检测信号送入APF的控制器,对控制器产生作用来调整开关管驱动脉冲的宽度,当APF采用不同的控制策略或控制器参数发生改变时,死区补偿电路的参数也将随之改变。因此在设计时必须将二者结合起来考虑。而无死区补偿策略是通过封锁同一桥臂中某一只开关管的驱动信号,而对另一只开关管进行控制来实现输出电流调节的,因而可以取消死区时间的设置,降低了控制电路的复杂性和成本;此外,该方法不会对控制器本身产生作用,适用于采用任何一种控制策略的APF,具有通用性。因此,无死区补偿策略更适合用于对并联型APF进行死区补偿。

 

试验分析之后表明,二者均能对并联型APF的死区效应进行有效补偿。从成本和可操作性来考虑,与电流反馈型补偿策略相比,无死区补偿策略具有一定的优势。


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