開(kāi)關(guān)電源17、APF與并聯(lián)均流)

1、有源電力濾波器及其在開(kāi)關(guān)電有源電力濾波器及其在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用源中的應(yīng)用(APF - Active Power Filter)(APF - Active Power Filter)一、有源電力濾波器一、有源電力濾波器(APF ）簡(jiǎn)介）簡(jiǎn)介 有源電力濾波器（有源電力濾波器（APFAPF）是上世紀(jì)）是上世紀(jì)9090年代發(fā)展起來(lái)的新型諧波年代發(fā)展起來(lái)的新型諧波消除裝置，它可以動(dòng)態(tài)地消除諧波，目前它是諧波消除領(lǐng)域中性消除裝置，它可以動(dòng)態(tài)地消除諧波，目前它是諧波消除領(lǐng)域中性能最好的設(shè)備。能最好的設(shè)備。 APF APF 基本類型：并聯(lián)型、串聯(lián)型和混合型?；绢愋停翰⒙?lián)型、串聯(lián)型和混合型。 APF并聯(lián)于電源

2、與負(fù)載之間，補(bǔ)償負(fù)載諧波電流（必要時(shí)還可補(bǔ)償并聯(lián)于電源與負(fù)載之間，補(bǔ)償負(fù)載諧波電流（必要時(shí)還可補(bǔ)償負(fù)載無(wú)功電流）。負(fù)載無(wú)功電流）。 控制的兩個(gè)關(guān)鍵：負(fù)載諧波電流的檢測(cè)、使控制的兩個(gè)關(guān)鍵：負(fù)載諧波電流的檢測(cè)、使APF發(fā)出補(bǔ)償電流。發(fā)出補(bǔ)償電流。 電源負(fù)載isUdLudtdiL二、有源電力濾波器二、有源電力濾波器基本類型之一基本類型之一并聯(lián)型并聯(lián)型APF一個(gè)實(shí)際的數(shù)字控制并聯(lián)型一個(gè)實(shí)際的數(shù)字控制并聯(lián)型APF6.4KHz驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路主控制器 （DSP）過(guò)零檢測(cè)與鎖相電路Ude1 i1e2 i2LC測(cè)量電路e1ic1 ic2三、有源電力濾波器三、有源電力濾波器基本類型之二串聯(lián)型基本類型之二串聯(lián)型AP

3、FAPF 串聯(lián)在電源與負(fù)載之間。設(shè)電源電流串聯(lián)在電源與負(fù)載之間。設(shè)電源電流 is 中包含諧波分量為中包含諧波分量為 ish ，APFAPF產(chǎn)產(chǎn)生一個(gè)諧波電壓生一個(gè)諧波電壓 uc=K ish ，其中，其中K為常數(shù)。為常數(shù)。 如果電源電壓如果電源電壓 e es s 存在畸變，還可以控制補(bǔ)償電壓存在畸變，還可以控制補(bǔ)償電壓 u uc c 補(bǔ)償補(bǔ)償e es s 的電壓畸的電壓畸變，使負(fù)載端電壓變，使負(fù)載端電壓 e eL L 為正弦電壓。為正弦電壓。負(fù)載負(fù)載電流 iL電源電流 is電源串聯(lián)型APF負(fù)載電壓 eL電源電壓 esCuc一個(gè)實(shí)際的數(shù)字控制串聯(lián)型一個(gè)實(shí)際的數(shù)字控制串聯(lián)型APFLreaebecia

4、ibicuc+Ud驅(qū)動(dòng)電路PWM控制諧波電流運(yùn)算eaebiaibCrishKuc*數(shù)字控制串聯(lián)型數(shù)字控制串聯(lián)型APF實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果 四、有源電力濾波器四、有源電力濾波器基本類型之三基本類型之三混合型混合型APF 無(wú)源與有源混合。無(wú)源與有源混合。 應(yīng)用場(chǎng)合：應(yīng)用場(chǎng)合： （1）較大容量的）較大容量的APF。 APF主要起改善補(bǔ)償特性的作用。主要起改善補(bǔ)償特性的作用。 （2）無(wú)源補(bǔ)高次諧波，有源補(bǔ)低次諧波。）無(wú)源補(bǔ)高次諧波，有源補(bǔ)低次諧波。 （3）實(shí)際中已裝設(shè)了傳統(tǒng)的無(wú)源濾波器。）實(shí)際中已裝設(shè)了傳統(tǒng)的無(wú)源濾波器。 電源負(fù)載并聯(lián)型APF無(wú)源電力濾波器C電源負(fù)載串聯(lián)型APF無(wú)源電力濾波器C并聯(lián)混合型并

5、聯(lián)混合型APF 串聯(lián)型混合型串聯(lián)型混合型APF APF另一種分類方法：電壓型另一種分類方法：電壓型APF與電流型與電流型APF 電壓型電壓型APF：直流儲(chǔ)能元件為電容器：直流儲(chǔ)能元件為電容器。 電流型電流型APF：直流儲(chǔ)能元件為電感。：直流儲(chǔ)能元件為電感。 電源負(fù)載APFL 電流型電流型APF（一）、（一）、 頻域法頻域法(1)陷波（帶阻）濾波器法：陷波濾波器將負(fù)載電流中的基波分量濾除。此法陷波（帶阻）濾波器法：陷波濾波器將負(fù)載電流中的基波分量濾除。此法原理簡(jiǎn)單，但陷波濾波器對(duì)電網(wǎng)基波頻率的變化敏感。原理簡(jiǎn)單，但陷波濾波器對(duì)電網(wǎng)基波頻率的變化敏感。 (2)FFT法：計(jì)算量大，實(shí)時(shí)性差。法：計(jì)算

6、量大，實(shí)時(shí)性差。鑒于頻域法存在的缺陷，在實(shí)際中很少采用。鑒于頻域法存在的缺陷，在實(shí)際中很少采用。五、負(fù)載電流的諧波檢測(cè)：頻域法和時(shí)域法五、負(fù)載電流的諧波檢測(cè)：頻域法和時(shí)域法（二）、時(shí)域法（二）、時(shí)域法（1）、直接計(jì)算法）、直接計(jì)算法 該方法的原理是對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行分解，檢出其中的基波有功分量。該方法的原理是對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行分解，檢出其中的基波有功分量。 以一相以一相為例為例, 設(shè)電網(wǎng)相電壓和含有諧波的負(fù)載相電流為設(shè)電網(wǎng)相電壓和含有諧波的負(fù)載相電流為 基波有功分量基波有功分量 基波無(wú)功分量基波無(wú)功分量 諧波分量諧波分量 經(jīng)復(fù)雜推導(dǎo)經(jīng)復(fù)雜推導(dǎo))sin(2)(1nnLnLtnItiNnnLnLLLtnI

7、tItIti21111)sin(2)cos()sin(2)sin()cos(2)()sin()cos(2)(111tItiLpL)sin(2)(2nLnNnhLtnIti)sin()sin()(2)( 0 1tdtttiTtiTLpL)cos()sin(2)(111tItiLqLtEeasin2（2）瞬時(shí)有功、無(wú)功功率運(yùn)算法）瞬時(shí)有功、無(wú)功功率運(yùn)算法(簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱p-q法法) 瞬時(shí)有功、無(wú)功功率理論瞬時(shí)有功、無(wú)功功率理論(簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱p-q理論理論): 八十年代初日本學(xué)者赤木泰八十年代初日本學(xué)者赤木泰文文(H.Akagi)提出。其核心是瞬時(shí)有功、無(wú)功功率功率的定義。提出。其核心是瞬時(shí)有功、無(wú)功功率功率

8、的定義。 設(shè)三相電路中，相電壓的瞬時(shí)值分別為設(shè)三相電路中，相電壓的瞬時(shí)值分別為ea , eb , ec ，相電流的瞬時(shí)值，相電流的瞬時(shí)值為為ia , ib , ic ：cbaeeeee2/32/302/ 12/ 1132cbaiiiii2/32/302/ 12/ 1132定義三相電路的瞬時(shí)有功功率定義三相電路的瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無(wú)功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率q分別為分別為： ieiepieieq與傳統(tǒng)的有功、無(wú)功功率定義比較與傳統(tǒng)的有功、無(wú)功功率定義比較sinUIQ cosUIP iieeeeqp矩陣形式矩陣形式p、q 可以分解為直流與交流分量之和，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)證明，直流分量對(duì)應(yīng)基波、交可以分解為直流與

9、交流分量之和，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)證明，直流分量對(duì)應(yīng)基波、交流分量對(duì)應(yīng)諧波。流分量對(duì)應(yīng)諧波。qqqppp基波瞬時(shí)有功功率基波瞬時(shí)有功功率基波瞬時(shí)無(wú)功功率基波瞬時(shí)無(wú)功功率諧波瞬時(shí)無(wú)功功率諧波瞬時(shí)無(wú)功功率諧波瞬時(shí)有功功率諧波瞬時(shí)有功功率經(jīng)過(guò)低通濾波器（經(jīng)過(guò)低通濾波器（Low Pass Filter-LPF)，可以將基波瞬時(shí)有功、無(wú)功功率分離，可以將基波瞬時(shí)有功、無(wú)功功率分離出來(lái)，通過(guò)以下變換，進(jìn)一步將基波電流分離出來(lái)。出來(lái)，通過(guò)以下變換，進(jìn)一步將基波電流分離出來(lái)。 qpeeeeii1C32C32CpqCpqC23LPFLPFiaibiciac*ibc*icc*eaebeciafibficfiififipqpq

10、ee-+-12/32/302/12/113232C2/32/12/32/1013223CeeeeCpq11eeeeCpq適用場(chǎng)合：電源電壓對(duì)稱、正弦。對(duì)于非理想電源電壓情況下，參考論文：適用場(chǎng)合：電源電壓對(duì)稱、正弦。對(duì)于非理想電源電壓情況下，參考論文：“游小杰，李永東游小杰，李永東. .并聯(lián)型有源電力濾波器在非理想電源電壓下的控制，中國(guó)并聯(lián)型有源電力濾波器在非理想電源電壓下的控制，中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)電機(jī)工程學(xué)報(bào) 2004.02”2004.02”e e1 1 , e, e2 2 , , e e3 3 為電源三相電壓，為電源三相電壓，i ic1 c1 , i, ic2 c2 , i, ic3c3 為

11、為APFAPF的三相電流，的三相電流， R R、L L 分別分別為濾波電感的繞組電阻和電感值，為濾波電感的繞組電阻和電感值，U Ud d 為直流電容電壓。為直流電容電壓。)(111NODNADccuueuRidtdiL)(222NOENBEccuueuRidtdiL)(333NOFNCFccuueuRidtdiL為描述三個(gè)橋臂為描述三個(gè)橋臂IGBTIGBT的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，引入開(kāi)關(guān)函數(shù)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，引入開(kāi)關(guān)函數(shù)d d1 1* *, d, d2 2* *, d, d3 3* * , , 定義如下：定義如下：A A相橋臂上管開(kāi)通，相橋臂上管開(kāi)通，d d1 1* *=1=1，此時(shí)，此時(shí) 。反之下管開(kāi)通，。反

12、之下管開(kāi)通，d d1 1* *=0 ,=0 , 此時(shí)此時(shí) 。B B相橋臂上管開(kāi)通，相橋臂上管開(kāi)通，d d2 2* *=1=1 ，此時(shí)，此時(shí) 。反之下管開(kāi)通，。反之下管開(kāi)通，d d2 2* *=0 ,=0 , 此時(shí)此時(shí) 。 C C相橋臂上管開(kāi)通，相橋臂上管開(kāi)通，d d3 3* *=1=1 , , 此時(shí)此時(shí) 。反之下管開(kāi)通，。反之下管開(kāi)通，d d3 3* *=0 ,=0 , 此時(shí)此時(shí) 。0DNu0ENu0FNudDNUudENUudFNUue1Ude2LC+BCAe3RDEFOMNic3ic2ic1六、使六、使APF發(fā)出補(bǔ)償電流無(wú)差拍控制法：發(fā)出補(bǔ)償電流無(wú)差拍控制法：)(*1111NOdccuUd

13、eRidtdiL)(*2222NOdccuUdeRidtdiL)(*3333NOdccuUdeRidtdiL 方程改寫(xiě)為方程改寫(xiě)為以上三個(gè)方程相加，并考慮到以上三個(gè)方程相加，并考慮到e1 + e2+ e3 = 0 ，可得，可得 )(3*3*2*1dddUudNO*33*22*11didididtdUCcccd由開(kāi)關(guān)函數(shù)表述的直流電壓方程由開(kāi)關(guān)函數(shù)表述的直流電壓方程e1Ude2LC+BCAe3RDEFOMNic3ic2ic1六、使六、使APF發(fā)出補(bǔ)償電流無(wú)差拍控制法：發(fā)出補(bǔ)償電流無(wú)差拍控制法：設(shè)三個(gè)橋臂設(shè)三個(gè)橋臂IGBTIGBT的開(kāi)關(guān)信號(hào)占空比為的開(kāi)關(guān)信號(hào)占空比為 d d1 1 , d, d2

14、2 , d, d3 3 SkkTtdk=1,2,3 其中其中 t tk k 為橋臂為橋臂IGBTIGBT上管開(kāi)通時(shí)間，上管開(kāi)通時(shí)間，T TS S 為為IGBTIGBT開(kāi)關(guān)周期。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)關(guān)周期。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T TS S 內(nèi)，占空比內(nèi)，占空比d d1 1 , d, d2 2 , d, d3 3 實(shí)際上是開(kāi)關(guān)函數(shù)實(shí)際上是開(kāi)關(guān)函數(shù) d d1 1* *, d, d2 2* *, d, d3 3* * 的平均值。當(dāng)?shù)钠骄怠．?dāng)IGBTIGBT開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)頻率比較高時(shí)，可用平均值含義的頻率比較高時(shí)，可用平均值含義的 d d1 1 , d, d2 2 , d, d3 3 代替代替d d1 1* *, d

15、, d2 2* *, d, d3 3* *。A相橋臂B相橋臂C相橋臂STtd11STtd22STtd33t1t2t3TSte1Ude2LC+BCAe3RDEFOMNic3ic2ic1六、使六、使APF發(fā)出補(bǔ)償電流無(wú)差拍控制法：發(fā)出補(bǔ)償電流無(wú)差拍控制法： APFAPF無(wú)差拍控制數(shù)學(xué)模型無(wú)差拍控制數(shù)學(xué)模型由該模型可知，狀態(tài)變量由該模型可知，狀態(tài)變量i ic1 c1 , i, ic2 c2 , i, ic3c3 可由開(kāi)關(guān)占空比可由開(kāi)關(guān)占空比d d1 1 , d, d2 2 , d, d3 3 控制，將該?？刂?，將該模型離散化，令型離散化，令ckckSckiiTdtdi*1k = 1,2,3 dccc

16、dcccUiiidddddddRddddRddddRUiiidtdCLLL321321032132131300321312003213110000000000000000000010000100001321eee六、使六、使APF發(fā)出補(bǔ)償電流無(wú)差拍控制法：發(fā)出補(bǔ)償電流無(wú)差拍控制法：i ickck* * 為下一開(kāi)關(guān)周期起始時(shí)刻電流指令值。為下一開(kāi)關(guān)周期起始時(shí)刻電流指令值。i ick ck 為當(dāng)前開(kāi)關(guān)周期為當(dāng)前開(kāi)關(guān)周期APFAPF電流，由電流霍電流，由電流霍爾測(cè)量電路獲得。解得爾測(cè)量電路獲得。解得 d d1 1 , d, d2 2 , d, d3 3 為為211*ckSckSkdkiTLiTLRe

17、Udk = 1,2,3 該式含義為：當(dāng)該式含義為：當(dāng)IGBT開(kāi)關(guān)時(shí)間等于開(kāi)關(guān)時(shí)間等于 tk 時(shí)，在一個(gè)周期之內(nèi)時(shí)，在一個(gè)周期之內(nèi)APF使其輸出電流使其輸出電流ick 等于電流指令值等于電流指令值 ick* , 從而達(dá)到無(wú)差拍控制的目的。在求得從而達(dá)到無(wú)差拍控制的目的。在求得tk 之后，很容易由之后，很容易由DSP內(nèi)部的內(nèi)部的PWM發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)的開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)的開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)IGBT。 21*ckSckSkdSkiTLiTLReUTtk = 1,2,3 六、使六、使APF發(fā)出補(bǔ)償電流無(wú)差拍控制法：發(fā)出補(bǔ)償電流無(wú)差拍控制法： 七、仿真結(jié)果仿真結(jié)果 補(bǔ)償后的負(fù)載電流補(bǔ)償后的負(fù)

18、載電流 負(fù)載電流負(fù)載電流 有源電力濾波器發(fā)出的電流值有源電力濾波器發(fā)出的電流值 電網(wǎng)相電壓電網(wǎng)相電壓 有源電力濾波器發(fā)出的電流值有源電力濾波器發(fā)出的電流值 電網(wǎng)相電壓電網(wǎng)相電壓 00.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04-10-8-6-4-2024681000.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04-8-6-4-20246800.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04-4-3-2-10123400.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04-80-60-40-200204060

19、80（采用（采用p-q法檢測(cè)諧波的數(shù)字控制并聯(lián)型法檢測(cè)諧波的數(shù)字控制并聯(lián)型APF） 八、實(shí)驗(yàn)結(jié)果八、實(shí)驗(yàn)結(jié)果 補(bǔ)償后的負(fù)載電流補(bǔ)償后的負(fù)載電流 負(fù)載電流負(fù)載電流 有源電力濾波器發(fā)出的電流值有源電力濾波器發(fā)出的電流值 電網(wǎng)相電壓電網(wǎng)相電壓動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性大功率低紋波電源大功率低紋波電源帶有有源濾波器的電源系統(tǒng)帶有有源濾波器的電源系統(tǒng)檢測(cè)諧波電流時(shí)的等效電路圖檢測(cè)諧波電流時(shí)的等效電路圖abakui 式中式中 k放大倍數(shù)放大倍數(shù)由上式可得由上式可得AaabRkiu1檢測(cè)諧波電流時(shí)的等效電路圖檢測(cè)諧波電流時(shí)的等效電路圖有源濾波器加入前后的直流電壓波形有源濾波器加入前后的直流電壓波形有源濾波器前（上）和

20、后（下）的直流母線電流波形有源濾波器前（上）和后（下）的直流母線電流波形開(kāi)關(guān)電源的并聯(lián)均流概述概述 開(kāi)關(guān)電源在以下兩種情況下，采用幾臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行：開(kāi)關(guān)電源在以下兩種情況下，采用幾臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行：1、需要大功率輸出；、需要大功率輸出；2、需要供電可靠性非常高。采用、需要供電可靠性非常高。采用N+M 臺(tái)電源并聯(lián)，其中臺(tái)電源并聯(lián)，其中N臺(tái)供給負(fù)臺(tái)供給負(fù)載所需電流，另外載所需電流，另外M臺(tái)為后備電源。正在工作的臺(tái)為后備電源。正在工作的N臺(tái)電源中即使有臺(tái)電源中即使有M臺(tái)臺(tái)發(fā)生故障，也能保證提供發(fā)生故障，也能保證提供100的負(fù)載電流?？煽啃缘奶岣咭誀奚杀镜呢?fù)載電流?？煽啃缘奶岣咭誀奚杀緸榇鷥r(jià)。為代價(jià)。開(kāi)關(guān)電

21、源并聯(lián)運(yùn)行不能簡(jiǎn)單地將多臺(tái)電源輸出端并聯(lián)聯(lián)接在一起。并開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)運(yùn)行不能簡(jiǎn)單地將多臺(tái)電源輸出端并聯(lián)聯(lián)接在一起。并聯(lián)后輸出電壓被強(qiáng)制相等，但是由于電源參數(shù)的分散性，使得每臺(tái)電聯(lián)后輸出電壓被強(qiáng)制相等，但是由于電源參數(shù)的分散性，使得每臺(tái)電源開(kāi)路電壓和內(nèi)阻存在差異，并聯(lián)后電流分配不均衡。源開(kāi)路電壓和內(nèi)阻存在差異，并聯(lián)后電流分配不均衡。開(kāi)路電壓存在差異：誤差放開(kāi)路電壓存在差異：誤差放 大系數(shù)和電阻測(cè)量。大系數(shù)和電阻測(cè)量。內(nèi)阻存在差異：并聯(lián)輸出母線。內(nèi)阻存在差異：并聯(lián)輸出母線。并聯(lián)均流方法并聯(lián)均流方法 1、輸出阻抗均流法：、輸出阻抗均流法： 調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)電源的輸出外特性的斜率（輸出阻抗），達(dá)到均流目的。調(diào)節(jié)

22、開(kāi)關(guān)電源的輸出外特性的斜率（輸出阻抗），達(dá)到均流目的。開(kāi)關(guān)電源的輸出外特性：開(kāi)關(guān)電源的輸出外特性：RIVV0max00兩臺(tái)電源并聯(lián)時(shí)兩臺(tái)電源并聯(lián)時(shí),如果能將電源如果能將電源1的外特性斜率調(diào)整接近電源的外特性斜率調(diào)整接近電源2，可使得電，可使得電流分配均衡。缺點(diǎn)：輸出阻抗加大，負(fù)載電流變化會(huì)引起大的電壓變化。流分配均衡。缺點(diǎn)：輸出阻抗加大，負(fù)載電流變化會(huì)引起大的電壓變化。 2、主從均流法：、主從均流法： 一臺(tái)電源為主機(jī)，其余設(shè)備為從機(jī)，每臺(tái)電源都有電流環(huán)，電壓環(huán)共一臺(tái)電源為主機(jī)，其余設(shè)備為從機(jī)，每臺(tái)電源都有電流環(huán)，電壓環(huán)共用一個(gè)并設(shè)置于主機(jī)中，主機(jī)的電壓環(huán)輸出信號(hào)用一個(gè)并設(shè)置于主機(jī)中，主機(jī)的電壓環(huán)輸出信號(hào)ViVi經(jīng)過(guò)通信傳輸給從機(jī)，從經(jīng)過(guò)通信傳輸給從機(jī)，從機(jī)為穩(wěn)流控制，按照電流源特性運(yùn)行。機(jī)為穩(wěn)流控制，按照電流源