金運(yùn)策，張立臣

(1.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 210098;2.常州工學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 常州 213002)

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，各種新型的用電設(shè)備不斷出現(xiàn)，大大方便了人們的生活，但也帶來(lái)諧波對(duì)電網(wǎng)引起的污染，影響電力系統(tǒng)的運(yùn)行效率和可靠性。特別是一些民用產(chǎn)品，使用量大，品種多，分散面廣不易集中治理，這就對(duì)我們提出單元電路的諧波治理問(wèn)題。

目前許多節(jié)能燈、日光燈都使用電子鎮(zhèn)流器，用量大，分散面廣，其諧波對(duì)電網(wǎng)的影響是不可忽略的。作為新型電源節(jié)能配件，與電感式鎮(zhèn)流器比較它具有節(jié)能效果明顯、無(wú)頻閃、無(wú)工頻噪聲等優(yōu)點(diǎn)[1]，但是由于應(yīng)用電子開(kāi)關(guān)電路，工作中將產(chǎn)生許多高次諧波，減少和降低諧波含量一直是我們關(guān)心的問(wèn)題。有源電力濾波器能有效的解決這些問(wèn)題，APF不僅能滿足功率因素的要求，還可以有效的濾除諧波。相比其它檢測(cè)算法，自適應(yīng)檢測(cè)算法檢測(cè)精度高，檢測(cè)系統(tǒng)閉環(huán)，且具有自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力。隨著電力電子器件的發(fā)展，APF的實(shí)現(xiàn)效果越來(lái)越好，提出一種基于自適應(yīng)算法的APF實(shí)現(xiàn)方法，詳細(xì)分析了其實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了分析的正確性和合理性。

1 電子鎮(zhèn)流器電路諧波分析

1.1 電子鎮(zhèn)流器工作原理

電子鎮(zhèn)流器電路如圖1所示:

圖1 電子鎮(zhèn)流器電路原理圖

電子鎮(zhèn)流器主要由整流電路、逆變電路、高頻諧振諧振電路組成。其電路如圖1所示。通電后經(jīng)過(guò)RP整流后得到311 V，對(duì)C2充電使得VD2導(dǎo)通，從而使VT1和VT2輪流導(dǎo)通，流過(guò)C5的電流方向不斷改變。由C5、L1及燈絲組成的LC網(wǎng)絡(luò)發(fā)生串聯(lián)諧振。C5兩端產(chǎn)生高壓脈沖，施加到燈管上，使燈點(diǎn)燃[2]。

1.2 電流諧波分析

電子鎮(zhèn)流器運(yùn)行原理是整流電路提供工作電源，經(jīng)LC濾波，脈動(dòng)直流進(jìn)入振蕩器，進(jìn)而產(chǎn)生高頻率的振蕩電源。一般情況下，振蕩頻率控制在20～30 kHz之間。因此電子鎮(zhèn)流器會(huì)產(chǎn)生大量的奇次諧波同時(shí)在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生較大的高次諧波，其諧波含量用以下公式計(jì)算可求出:

U1為基頻下的電壓，Uk為諧波電壓，THD表示諧波畸變率。電路中整流電路會(huì)產(chǎn)生奇次諧波。通過(guò)對(duì)接有電子鎮(zhèn)流器電源端電流FFT分析，如圖2所示，其含有大量的奇次諧波，THD含量接近 40%[3－4]。

圖2 電子鎮(zhèn)流器源端電流諧波分析

2 濾波電路選擇

2.1 PFC 的應(yīng)用

無(wú)源PFC電路不使用晶體管等有源器件，只是由二極管、電阻、電容和電感等無(wú)源元件組成。功率因數(shù)可以達(dá)到0.92～0.94，但是三次電流諧波達(dá)到12%，五次諧波約18%，總諧波失真THD約為28% ～30%。其具有低成本的優(yōu)點(diǎn)，但是電路的DC輸出電壓紋波較大，質(zhì)量較差，電流諧波成份并不能完全達(dá)到低畸變要求。當(dāng)其應(yīng)用于電子鎮(zhèn)流器時(shí)，DC輸出電壓脈動(dòng)系數(shù)偏大，燈電流波峰比達(dá)到2以上，超出1.7的限制要求。一般用于低功率電源。

有源PFC隨著PFC控制IC價(jià)格不斷降低，業(yè)內(nèi)更青睞于有源PFC(APFC)。APFC需使用晶體管和控制IC，成本比PPFC高得多，其AC輸入電流諧振波含量完全符合IEC1000－3－2等標(biāo)準(zhǔn)限制要求，并且可以基本實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1。但是其含有高頻感應(yīng)線圈，電磁干擾大，有時(shí)甚至?xí)l(fā)生高頻噪音，同時(shí)不含隔離電路[5]。

2.2 APF 的應(yīng)用

APF系統(tǒng)由兩部分組成，即諧波電流檢測(cè)電路和補(bǔ)償電流控制電路(補(bǔ)償電流控制電路、驅(qū)動(dòng)電路隔離電路和主電路三部分組成)[6]。如圖3所示，經(jīng)諧波電流檢測(cè)電路檢測(cè)出補(bǔ)償電流的指令電流信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路放大，得出補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波及無(wú)功電流抵消，最終得到期望的電流。

APF只處理負(fù)載諧波電流和無(wú)功電流，而PFC則處理負(fù)載所有電流和功率，因此APF的功率容量比PFC小，其效率比PFC高，同時(shí)其含有隔離電路，安全可靠[7]。

3 自適應(yīng)諧波檢測(cè)算法

3.1 自適應(yīng)諧波及仿真模型

圖3 APF原理方框圖

諧波電流的檢測(cè)算法有很多，目前主要采用的有帶阻選頻法、Fryze時(shí)域分析法、基于快速傅里葉分析法、基于瞬時(shí)無(wú)功理論方法、基于小波理論方法等。它們各有特點(diǎn)，但同時(shí)又存在著一些很難克服的缺點(diǎn)，例如檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)，頻率固定，對(duì)元件參數(shù)和電網(wǎng)頻率的變化敏感，檢測(cè)精度不高，特別是沒(méi)有自適應(yīng)能力，不能較好地跟蹤檢測(cè)。針對(duì)這些問(wèn)題，提出自適應(yīng)檢測(cè)算法，它能很好的解決這些問(wèn)題。該算法檢測(cè)系統(tǒng)閉環(huán)，檢測(cè)精度較高，并且有很好的自適應(yīng)能力。在MATLAB仿真軟件上搭建自適應(yīng)算法電路仿真模型，如圖4所示。文獻(xiàn)[9]中具體介紹了自適應(yīng)算法的原理，其主要含有積分模塊、鎖相環(huán)模塊，通過(guò)鎖相環(huán)產(chǎn)生頻率為基頻的正弦和余弦函數(shù)。該算法的原理是通過(guò)對(duì)基頻函數(shù)cos、sin和諧波電流乘積的積分為零來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波。

圖4 自適應(yīng)檢測(cè)算法仿真模塊

3.2 仿真結(jié)果分析

在仿真軟件上搭建諧波源，如圖5，幅值 D=1，基頻 f=50 Hz，被檢測(cè)電流是仿真電子鎮(zhèn)流器模型建立電路所產(chǎn)生的電流，如圖5所示，其明顯不是正弦波，含奇次諧波和高次諧波[8－9]。

圖5 諧波電流波形

綜合考慮動(dòng)態(tài)響應(yīng)和檢測(cè)精度要求經(jīng)過(guò)試驗(yàn)選取k=200，達(dá)到響應(yīng)速度和濾波效果的要求，濾波后電路如圖6所示，經(jīng)過(guò)幾個(gè)短暫的周期達(dá)到穩(wěn)定，電流波形為光滑正弦波，諧波濾除效果明顯。

4 基于PSIM的APF仿真實(shí)現(xiàn)

4.1 并聯(lián)型APF模型搭建

圖6 仿真濾波結(jié)果

通過(guò)仿真參考電子鎮(zhèn)流器正常運(yùn)行下源端的電流波形，在軟件上搭建串聯(lián)電壓型有源電力濾波器模型，使其符合實(shí)際運(yùn)行下的要求。同時(shí)為了研究自適應(yīng)算法的自適應(yīng)能力，在負(fù)載端加入突加負(fù)載，觀察其自適應(yīng)能力。電源端U=220 V頻率f=50 Hz，諧波檢測(cè)算法選取自適應(yīng)算法，主電路中電容選取根據(jù)公式[10]:

以上公式中 Uc經(jīng)過(guò)整流后得到 Ugmax為311 V，C=12 uf，APF主電路中直流側(cè)電壓Uc=500 V，根據(jù)上文，自適應(yīng)檢測(cè)算法中K取常數(shù)200，直流側(cè)電壓控制采用系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差的PI控制，電流跟蹤算法采用滯環(huán)比較法，主電路為電壓型接法，諧波電流檢測(cè)為采用自適應(yīng)算法電路，同時(shí)采用軟啟動(dòng)方式對(duì)電路啟動(dòng)。

仿真模型如圖7所示。

圖7 基于PSIM的仿真模型

4.2 結(jié)果分析

以上搭建的模型運(yùn)行后得到圖8所示波形圖，經(jīng)過(guò)短暫幾周期后電流變?yōu)檎也ǎ娏髦兄C波含量得到降低。當(dāng)在T=1.0 s時(shí)電路中突加負(fù)載后，經(jīng)過(guò)一個(gè)周期后就恢復(fù)穩(wěn)定，說(shuō)明該APF具有很好的自適應(yīng)能力，能夠滿足電網(wǎng)突變的要求，降低其對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

圖8 仿真運(yùn)行結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)電子鎮(zhèn)流器所帶來(lái)的功率因數(shù)和諧波問(wèn)題，分析討論了采用PFC和APF的優(yōu)缺點(diǎn)，采用APF不但能滿足功率因數(shù)、諧波含量的要求，而且能解決PFC所帶來(lái)的諧波濾出效果差、電磁干擾大等問(wèn)題。通過(guò)仿真驗(yàn)證自適應(yīng)檢測(cè)算法能較好地跟蹤檢測(cè)諧波電流，且有很好的自適應(yīng)能力，當(dāng)突加負(fù)載時(shí)經(jīng)過(guò)1個(gè)周期的調(diào)整就達(dá)到穩(wěn)定。最后在PSIM搭建并聯(lián)型APF模型，仿真驗(yàn)證了該方案在改善電子鎮(zhèn)流器問(wèn)題上有顯著效果。

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