基于载波相移SPWM技术的电流型有源电力滤波器的研究

摘要：组合变流器载波相移SPWM技术是多重化技术和SPWM技术的有机组合。它具有等效开关频率高，开关损耗小，动态响应好，传输频带宽等优点。该文在电压型组合变流器相移SPWM技术研究的基础上，对电流型组合变流器相移SPWM技术进行了探讨。并从二逻辑SPWM技术出发分析了三逻辑SPWM技术和电流型组合变流器相移SPWM技术的数学关系。在此基础上，提出一种基于载波组合相移技术的电流型有源电力滤波器，在较低的开关频率下实现了等效的高频载波效果。通过仿真和实验验证了这种技术在有源电力滤波器中的应用的实用性和可行性。
关键词：三逻辑SPWM技术；电流型变换器；载波相移SPWM；有源电力滤波器

1 引言
在电网系统中，由于感性和非线性负载的存在，出现了功率因数低、电压波动和闪变、频率变化、三相不平衡、高次谐波等影响电能质量、输变电效率及设备寿命的因素。为提高供电效率和质量必须对电网进行补偿。有源电力滤波器（APF）以其既能产生又能吸收容性无功功率；反应速度快；对系统和负载参数变化有自适应能力；易于进行投切操作等一系列独特的优点成为人们的首选方案。有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置。从原理上讲，它既能补偿基波无功功率，又能同时滤去负载电流中的高次谐波。按其系统结构的不同可以分为多种类型^[1]。随着自关断器件的飞速发展，人们越来越注重电压型和电流型APF。如图1和图2所示，电压型APF直流侧接有恒压大电容；电流型APF的直流侧接有恒流大电感。虽然电压型APF在降低开关损耗、消除载波谐波方面占有一定优势，但电流型APF能够直接输出谐波电流，不仅可以补偿正常的谐波，而且可以补偿分数次谐波和超高次谐波。并且不会由于主电路开关器件的直通而发生短路故障，因而在可靠性和保护上占有较大的优势。随着超导储能磁体的研究，一旦超导储能磁体实用化，必可取代大电感器，促使电流型APF的应用增多。

    有源滤波和无功补偿装置要求具有良好的调节性能和足够的输出功率，以提供电流的超前和滞后补偿，同时要求系统具有足够的频带宽度以达到消除高次谐波的目的。正弦波脉宽调制（SPWM）技术较好地解决了对变流器输出波形的调节问题，因而在电力电子装置中得到广泛应用。从原理来看，脉宽调制技术实际也是一种采样技术。要求输出能较好地反映输入的前提是电路具有较高的采样频率，这就要求变流器工作于较高的开关频率下。GTR、IGBT、MOSFET等半导体器件具有较高的开关频率，因而大大推动了SPWM技术的广泛应用。然而，大功率和特大功率的变流装置，如果采用大功率可关断器件（例如GTO等），工作频率较低。低开关频率的SPWM变流器不仅产生大量的低次谐波，而且变流器的通频带较窄，大大降低了系统的控制性能。组合相移SPWM技术能较好解决上述问题，可望在大功率和特大功率场合得到应用。为了实现对无功电流和高次谐波电流的有效补偿，需要开关器件工作在较高的频率下。但大功率正弦波脉宽调制（SPWM）变流器开关频率会受限制，原因有2点：① 大功率半导体器件（GTO等）的开关频率较低；② 高的开关频率会导致较大的开关损耗，降低系统效率。而多重化的功率变换器调节性能较差，不能完全满足现代电网的要求。为此，本文提出了一种新型的载波相移SPWM（以下称作CPS-SPWM）技术，其本质是SPWM技术和多重化技术的有机组合，该技术可以在较低的器件开关频率下取得与较高开关频率等效的结果。不但使SPWM技术应用于特大功率场合成为可能，而且在提高装置容量的同时，有效地减小了输出谐波，提高了整个装置的信号传输带宽^[2]。这就解决了大功率装置与器件开关频率较低的矛盾，可使GTO等特大功率器件组成的变流器用于APF装置。
       本文还提出一种实用于APF的基于CPS-SPWM的电流型变流器。与SPWM技术相比，采用这项技术来消除相同的谐波所需的开关频率更低。有些文献中将应用于SVG和SMES的这项技术称为相移SPWM^{[3, 4]}。仿真和实验结果进一步证实了CPS-SPWM的实用性和可行性。我们认为，该项技术在将来的大功率变换器中会逐步得到人们的认可，结合CPS-SPWM技术和超导储能技术的新型电流型APF会有一定的应用前景。
2 CPS-SPWM原理
2.1 CPS-SPWM二逻辑原理
      图3为一个基于CPS-SPWM的单相电压型变换器。该变换器由N个单元所构成。三角载波相移角为_△θ（_△θ₌θ/N）。CPS-SPWM技术的基本思想是：在变流器单元数为N的电压型SPWM组合装置中，各变流器单元采用共同的调制波信号s_m（s_ma，s_mb，s_mc），其频率为k_m。各变流器单元的三角载波频率为k_c，将各三角载波的相位相互错开三角载波周期的1/N，如图4(a)所示（变流器单元数N=5，SPWM频率调制比k_c/k_m=3，幅度调制比m_a=0.8）。图4(b)所示的N个波形分别为N个变流器单元的输出，上述N个变流器单元交流输出叠加形成整个组合变流器装置的输出波形，如图4(c)所示。对输出进行频谱分析，变流器单元之一的输出波形频谱如图4(d)所示。叠加后整个组合变流器输出波形频谱如图4(e)。比较图4(d)和图4(e)可见各变流器单元输出叠加后形成的组合变流器总输出波形中谐波得到了有效的抑制。电压型SPWM变流器为二逻辑SPWM信号，而电流型SPWM变流器还需将二逻辑信号转变为三逻辑信号^[5]。

2.2 二逻辑到三逻辑SPWM的转换技术
二逻辑SPWM技术是通过正弦调制波与三角载波相交，交点作为开关点，产生+1和-1两种电平信号，如图5所示。F_km、F_c分别为调制波和载

波的相位。T为调制波的周期。电流型三相SPWM变流器要求在任一时刻上组桥臂和下组桥臂都仅有一个管子开通，三逻辑SPWM策略是解决该问题的途径。采用二逻辑SPWM信号F₁(t)、F₂(t)的线性组合可构造三逻辑SPWM信号^[5]。如图6所示，2个二逻辑SPWM信号F₁(t)、F₂(t)采用相同的三角载波，所以其载波相位相同。2个调制波信号M₁(t)和M₂(t)互差2p/3，表示为

2.3 基于CPS-SPWM技术的电流型APF
基于CPS-SPWM技术的电流型APF系统如图7所示。图中有N个电流型变流器单元。在此，电流型变流器单元指一般三相六开关电流型变流器。开关由可关断器件（如IGBT）和二极管串联构成如图7所示。N个电流型变流器单元在交流侧并联组成电流型组合变流器，L、C构成二阶低通滤波器滤除开关频率谐波，图中电阻R为电感及线路中寄生电阻，然后直接并入电网。直流侧采用各个变流器单元相互独立的结构，以便实现均流反馈。由于CPS-SPWM组合变流器输入与输出之间具有良好的线性传输关系，所以可以方便的引入一些有效的控制方法。
图8为图7所示电流型APF单元的结构示意图。值得注意的是，三相电流型变流器要求在工作的任一时刻上桥臂组和下桥臂组分别有且仅有1个开关导通。因此，必须采用三逻辑PWM的控制策略。为了获得输出电流与输入调制信号的线性关系，我们采用动态三逻辑SPWM的控制方法，即将二逻辑SPWM信号实时转化为三逻辑SPWM信号。动态三逻辑SPWM控制策略保持了二逻辑SPWM策略的优良的响应特性。电流信号i_a(t), i_b(t), i_c(t)和相应的开关状态遵循三逻辑SPWM原理。二逻辑SPWM信号F₁(t), F₂(t), F₃(t)只需通过比例和加法器便可实现到三逻辑信号Y_a(t), Y_b(t), Y_c(t)的转变，其转换公式如下，之后三逻辑SPWM信号通过门极驱动来闭合开关^[5]。

3 结果
3.1 仿真结果
为验证图7所示的系统，我们建立了由4单元构成的电流型组合变流器，得出了如图9所示的波形。试验条件如下：电网电压220v；器件开关频率为900Hz；变流器的单元数为4；直流电流设定值为2.5A；直流电感45mH；LC滤波器电感0.8mH；LC滤波器电容48mF；LC滤波器截至频率812Hz；

3.2 实验结果
在理论分析和实验研究的基础上，本文完成了2.5kVA基于电流源相移SPWM组合变流器的有源电力滤波器。试验条件与仿真条件相同，得出了如图10所示实验波形。实验波形由TDS220数字示波器采集，通过RS232串口传入计算机，在Matlab下进行频谱分析，如图11所示。

4 结论
    本文提出的基于CPS-SPWM技术的电流型APF在实际应用中取得了满意的结果。分析表明这种APF具备下述特性：
    （1）交直流侧互相解耦，两侧可分别控制互不干扰；
    （2）在各变流器单元开关频率较低下实现高开关频率的效果。解决了大功率装置容量与器件开关频率较低的矛盾，可采用GTO等特大功率器件组成变流器用于有源滤波器装置；
    （3）输出电流谐波小，滤波电感、电容的体积和容量得到大大降低；
    （4）等效开关频率高，传输频带宽。能够实现对电网中较高次谐波的动态补偿；
    （5）输入与输出之间具有良好的线性传输特性^[2]。可以方便地引入极点配置等优秀的控制方法。
    （6）采用CPS-SPWM技术，在很大程度上会减少输出不需要的谐波，在一定程度上改善了系统波形。

参考文献

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