什么是并聯(lián)型有源濾波器的死區(qū)效應(yīng)?它是如何進(jìn)行補(bǔ)償措施的?

發(fā)布時(shí)間:2018,11,16

一、常用并聯(lián)型有源濾波器三相四線制APF概念:

有源電力濾波器APF,作為一種動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置得到了迅速發(fā)展。其中,并聯(lián)型APF由于具有效率高、成本低、易控制等優(yōu)點(diǎn)而成為研究重點(diǎn)。

并聯(lián)型三相四線制APF的基本原理是通過(guò)某種算法來(lái)控制主電路中的電壓型逆變器,使其向網(wǎng)側(cè)注入抵消負(fù)載電流中的諧波和無(wú)功電流分量,從而使得電源電流只剩下基波有功分量,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(kāi)關(guān)器件發(fā)生“直通”現(xiàn)象,在同一橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通與關(guān)斷之間必須設(shè)置一定的死區(qū)時(shí)間。而死區(qū)的存在使得電壓型逆變器不能精確實(shí)現(xiàn)控制算法,從而影響APF的補(bǔ)償性能。

華坤并聯(lián)型有源濾波器.jpg

華坤有源濾波器


二、有源濾波器死區(qū)效應(yīng)分析:

假定開(kāi)關(guān)管均為理想開(kāi)關(guān),則在死區(qū)時(shí)間內(nèi),S1和S2都處于關(guān)斷狀態(tài),逆變器輸出補(bǔ)償電流只能由反并聯(lián)二極管D1或D2來(lái)續(xù)流。規(guī)定電流由橋臂流出時(shí)為正方向。當(dāng) >0時(shí),在死區(qū)時(shí)間內(nèi), 只能通過(guò)D2來(lái)續(xù)流,A點(diǎn)電壓被鉗位在-Uc/2。此時(shí),若S1由導(dǎo)通到關(guān)斷、S2由關(guān)斷到導(dǎo)通,則理想情況下A點(diǎn)電壓應(yīng)為-Uc /2,因而此時(shí)死區(qū)的存在對(duì)APF輸出沒(méi)有影響;若S1由關(guān)斷到導(dǎo)通、S2由導(dǎo)通到關(guān)斷,則理想情況下A點(diǎn)電壓應(yīng)為Uc/2,而實(shí)際電壓為-Uc /2,因而與理想情況相比,在死區(qū)時(shí)間內(nèi),A點(diǎn)電壓相當(dāng)于增加了一個(gè)幅值為Uc、寬度為 負(fù)脈沖。

加入死區(qū)時(shí)間之后APF橋臂中點(diǎn)輸出電壓與理想值之間產(chǎn)生一定的偏差,不計(jì)電壓的上升與下降時(shí)間的話,此偏差電壓可以看成一系列電壓脈沖,主要有兩個(gè)特點(diǎn):

(1) 每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)存在一個(gè)偏差電壓脈沖;

(2) 每個(gè)偏差電壓脈沖的極性與當(dāng)時(shí)輸出補(bǔ)償電流的極性相反。

注:死區(qū)效應(yīng)不僅影響APF輸出電壓的幅值,也會(huì)對(duì)其相位產(chǎn)生影響。

以上分析是在假定開(kāi)關(guān)管均為理想開(kāi)關(guān)的情況下進(jìn)行的,而實(shí)際中,開(kāi)關(guān)管的通態(tài)壓降和開(kāi)關(guān)時(shí)間均是存在的,并且隨著溫度和電流的變化而變化。此外,當(dāng)輸出補(bǔ)償電流在死區(qū)時(shí)間內(nèi)續(xù)流至零時(shí),由于二極管的正向?qū)ㄐ?,電流不再反向增大,在這段時(shí)間內(nèi),A點(diǎn)電壓為零,此時(shí)偏差電壓脈沖幅值為Uc/2,此現(xiàn)象稱為零電流鉗位現(xiàn)象??傊?,由于死區(qū)時(shí)間的加入,使得APF的輸出與理想值之間產(chǎn)生一定的偏差,這會(huì)對(duì)APF的補(bǔ)償性能有影響。分析后可知,偏差量與開(kāi)關(guān)頻率、死區(qū)時(shí)間成正比,頻率越高、越大則偏差越大,對(duì)補(bǔ)償性能的影響越嚴(yán)重。因此,為了提高APF的補(bǔ)償性能,必須對(duì)死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償。

并聯(lián)型有源濾波器產(chǎn)品接線圖.jpg

并聯(lián)型有源濾波器產(chǎn)品接線圖

三、并聯(lián)型有源濾波器死區(qū)效應(yīng)的補(bǔ)償策略:

1、電流反饋型補(bǔ)償策略:

這種方法的基本思想是通過(guò)對(duì)逆變器輸出電流的檢測(cè)并判斷其極性,將檢測(cè)結(jié)果送入控制器,控制器根據(jù)判斷出的電流極性來(lái)調(diào)整開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖的寬度,從而產(chǎn)生一個(gè)與偏差電壓脈沖幅值和寬度相同、極性相反的補(bǔ)償電壓脈沖,來(lái)抵消偏差電壓的影響。

2、無(wú)死區(qū)補(bǔ)償策略:

(1)當(dāng) >0時(shí),極性檢測(cè)輸出高電平,選通門U1選通,U2封鎖;

(2)當(dāng) <0時(shí),極性檢測(cè)輸出低電平,選通門U1封鎖,U2 選通。

兩者的比較:

根據(jù)對(duì)兩種補(bǔ)償策略原理的分析可知,二者的共同之處是都需要對(duì)輸出電流進(jìn)行檢測(cè)來(lái)判斷其極性。

(1)負(fù)載電流波形

(2)不設(shè)死區(qū)時(shí)電源電流波形

(3)死區(qū)為5μs時(shí)電源電流波形

(4)電流反饋控制時(shí)的電源電流波形

(5)無(wú)死區(qū)控制時(shí)的電源電流波形

由仿真結(jié)果可以看出:

①死區(qū)的存在對(duì)APF的補(bǔ)償性能有一定的影響;

②上述兩種方法均能實(shí)現(xiàn)對(duì)死區(qū)效應(yīng)的有效補(bǔ)償。

并聯(lián)型與串聯(lián)型有源濾波器接線圖對(duì)比.jpg

并聯(lián)型與串聯(lián)型有源濾波器接線圖對(duì)比

二者的不同之處是它們消除死區(qū)效應(yīng)影響的機(jī)理截然不同,電流反饋型補(bǔ)償策略是在死區(qū)存在的前提下通過(guò)改變開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電流調(diào)節(jié)的,它需要將電流檢測(cè)信號(hào)送入APF的控制器,對(duì)控制器產(chǎn)生作用來(lái)調(diào)整開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖的寬度,當(dāng)APF采用不同的控制策略或控制器參數(shù)發(fā)生改變時(shí),死區(qū)補(bǔ)償電路的參數(shù)也將隨之改變。因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須將二者結(jié)合起來(lái)考慮。而無(wú)死區(qū)補(bǔ)償策略是通過(guò)封鎖同一橋臂中某一只開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào),而對(duì)另一只開(kāi)關(guān)管進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電流調(diào)節(jié)的,因而可以取消死區(qū)時(shí)間的設(shè)置,降低了控制電路的復(fù)雜性和成本;此外,該方法不會(huì)對(duì)控制器本身產(chǎn)生作用,適用于采用任何一種控制策略的APF,具有通用性。因此,無(wú)死區(qū)補(bǔ)償策略更適合用于對(duì)并聯(lián)型APF進(jìn)行死區(qū)補(bǔ)償。

試驗(yàn)分析之后表明,二者均能對(duì)并聯(lián)型APF的死區(qū)效應(yīng)進(jìn)行有效補(bǔ)償。從成本和可操作性來(lái)考慮,與電流反饋型補(bǔ)償策略相比,無(wú)死區(qū)補(bǔ)償策略具有一定的優(yōu)勢(shì)。

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