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有源电力滤波器的主电路参数设计

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 有源电力滤波器一般设计成电压源型PWM逆变器,通过控制各桥臂的全控型开关器件(如IGBT),使滤波器的输出很好地跟踪检测的谐波电流,对电网实现滤波。其主电路结构如所示,有源滤波器的工作实际通过LC充、放电实现,故LC参数的选择对滤波器的性能有重要影响。对LC参数的确定,往往通过经验,无疑使结果存在盲目性。也有采用了计算机辅助计算方法,但需模拟滤波器的工作过程,因此较复杂。本文采用了合理的假设,建立了参数确定的解析方法,该方法简单,并具有实用性。 2有源滤波器的数学模型在有源滤波器中,每个半桥臂由全控的开关器件和与之反并联的二极管构成,很显然正向导通是可控的,反向导通是不可控的,可以用一理想开关代替每个半桥臂的开关管及二极管,得到如所示的等效电路,由可建立有源滤波器的数学模型。 导通,由此得到8种工作模式:S,S2S.,S2S3S4、S3S4S5、S4S5S6、S5S6S丨、S6S丨S2、S丨S3S5、S4S6S2.*后两种工作模式,滤波器的三相输出电流均为0,通过对谐波源分析发现,三相谐波不存在同时过零的时刻,故只分析前6种工作模式,有源滤波器实际由六组开关器件的通断组合所决定。 由建立描述滤波器工作情况的微分方程如下:L-发角a,换相重叠角y,直流测电流以假定直流侧电感无穷大,忽略电流的脉动),A相的网侧电流,如式(2):化率较大,在晶闸管导通期间,变化率又较小。 对于进线电感的选择必须满足滤波器对补偿电流的跟踪能力,所以i不宜选择过大,但i选择较小时,会使滤波器的输出电流相对于补偿电流有很大的超调,特别是在晶闸管导通期间di//d*很小,因此滤波器输出电流就有很大的毛刺。综上所述,L的选择应按照换相期间的电流跟踪能力及晶闸管导通期间的电流超调两方面折衷。 为了满足电流跟踪能力,滤波器的输出电流变化率应大于换相期间对应的i/的*大变化率,即:得:由式(1):为了简化计算,不直接由式(9)确定dia/df,而由它获得d/dr的平均值。如果有源滤波器的工作时间足够长,式(9)中的a+77/6)平均作用将为零,同时,|取2/3的概率为1/3,取1/3的概率为2/3,I的平均值为4/9,则:有源滤波器的工作,就是电容的充、放电过程,为了保证滤波器的性能,必须维持其直流侧的电压基本不变。电容量的选择影响了直流侧电压的波动,电容越大,电压波动越小,但带来了投资的增加。因此电容量的选择是滤波器设计的重要一环。 电容器的电压波动情况与其极板上贮存的电荷波动情况是一致的,可以通过电荷波动情况,确定电容量。而电荷波动情况又可通过电容的充、放电电流来表示。电容在一周内充电得到的或放电释放的电荷量应是电容器所必须容纳的*少电荷量。 设电容的充、放电过程变化的*大电荷量为0,要求电压波动小于(Aw/u)%,则极板上贮存的电荷*大电荷变化量可由充、放电电流对时间的积分获得。流过电容的电流由滤波器的输出电流决由式(12)式(16)可确定电容量。 需指出,当a较小时,补偿电流波形与有所差别,此时补偿电流在半周期中的过零点数增加,电容的充、放电频率增加,对应的*大电荷亦与式(14)不同,将有所减小,但设计时仍可以引用式(14),只不过此时的直流侧电压波动幅度减小。同时,滤波器的输出电流是围绕给定的补偿电流进行锯齿振荡,其积分效果与对给定的补偿电流的积分效果非常接近,所以这点假设是成立的。 仿真结果对一台给六脉波晶闸管相控变流器补偿的有源L的选择必须保证补偿电流超调量不宜过大。 换相期间的超调对应了*小值,设为5,由得:在晶闸管导通段:结合,可知丨d/chl为余弦曲线的2/3段,*小值可能为零,或丨d“/dtl,=r,或丨diydfUT.当Idi,/chi取得*小值时,出现*大超调。取极端情大超调,取*大容许超调电流为/,有源滤波器的开关频率为/,可得:既满足电流跟踪能力,又满足超调量限制的乙取值为:电容量的确定定,由4+可知在任何时刻,均有一相电流与其他两相电流反向,而这一相电流恰好是电容器的充、放电电流。 为了简化计算,作如下假设:忽略换相过程,认为直流侧电流无脉动。 滤波器的输出,完全跟踪了给定电流,以给定电流作为滤波器的输出。 根据假设,得到三相给定的补偿电流,如所滤波器进行仿真(EMTP)。中虚线为补偿前的变流器网侧电流U=140A,a=30.,7=6.4.)。设Au/ u=5%,/,。=250V,*大超调控制在10%,有源滤波器的开关频率为5kHz,根据本文方法计算,取i= 66.0|jlF.中实线为电网经补偿后的电流。给出了补偿后网侧的电流频谱,可见,高次谐波被大大削弱,同时,功率因数得到了改善,有源滤波器获得了较好的补偿效果,从而验证了本文的方法。 5结论本文以六脉冲晶闸管相控变流器为补偿对象,研究了有源滤波器的进线电感及直流侧电容参数确定的解析方法。通过对补偿电流的跟踪性能及滤波器的输出电流的超调的折衷,确定电感量;通过满足一定的电压变化率,而要求的直流侧电容的*小贮存电荷量确定电容,为了获得解析表达式,文中采用了一些合理的简化手段。仿真结果验证了方法的正确性。

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