劉炳正，王國斌，左瑩，周斌

(國網(wǎng)湖南省電力公司益陽供電分公司，湖南 益陽 413000)

基于AC/AC變換器的PWM諧波抑制技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

Research and implementation on PWM harmonic elimination technique based on AC/AC converter

劉炳正，王國斌，左瑩，周斌

(國網(wǎng)湖南省電力公司益陽供電分公司，湖南 益陽 413000)

文中提出一種新型PWM諧波抑制技術(shù)，用來抑制交流電網(wǎng)中存在的低次諧波。該技術(shù)基于BUCK－AC/AC變換器，通過實(shí)時改變PWM占空比來實(shí)現(xiàn)對諧波的抑制；可由輸入電壓信號直接取得調(diào)制函數(shù)，不需要計算各次諧波的具體值，簡化可控制策略，具有較好的動態(tài)響應(yīng)性能和實(shí)踐性；詳細(xì)分析了斬波器工作及PWM諧波抑制技術(shù)原理并給出了詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)方案；制作了10 kVA試驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該技術(shù)可以較好地抑制交流側(cè)低次諧波。

PWM；諧波抑制；Buck－AC/AC；調(diào)制函數(shù)

隨著科技的發(fā)展，電力電子裝置的應(yīng)用越來越廣泛，其導(dǎo)致的電壓凸起、凹陷、諧波畸變等電能質(zhì)量問題日益突出，電力系統(tǒng)的交流電網(wǎng)側(cè)也含有大量的低次諧波，降低了系統(tǒng)功率因數(shù)和效率。目前應(yīng)用比較多的是晶閘管相控調(diào)壓裝置和變壓器抽頭換接式調(diào)壓裝置，這些裝置調(diào)壓速度慢、調(diào)壓精度低、沒有諧波抑制能力，已不能滿足負(fù)荷對電能質(zhì)量日益增長的要求〔1〕。而以PWM技術(shù)為核心的高精度逆變電源雖然可以提供理想的輸出電壓波形，但其造成的輸入諧波需要加入一級功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，增加了系統(tǒng)成本，提高了轉(zhuǎn)換效率，這種問題在大功率場合尤為突出。近年來提出的基于PWM技術(shù)的交流斬波式AC－AC變換器以其響應(yīng)速度快、轉(zhuǎn)換效率高、控制簡單、不產(chǎn)生低次諧波等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛研究，成為交流調(diào)壓的主流〔2－4〕。此類變換器多采用PI控制方法，不具備諧波抑制能力。本文提出一種新型PWM諧波抑制技術(shù)，主電路采用Buck－AC/AC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)的恒定占空比控制的基礎(chǔ)上引入新的調(diào)制函數(shù)計算出實(shí)時PWM占空比從而達(dá)到諧波抑制的目的，并結(jié)合快速PI控制提高了系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度，對網(wǎng)側(cè)電壓有較好的調(diào)節(jié)效果，設(shè)計了10 kVA試驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性。

1 主電路拓?fù)渑c工作原理

1.1 主電路拓?fù)?/p>

本文提出PWM諧波抑制技術(shù)是基于Buck－AC/AC斬波器實(shí)現(xiàn)的，其主電路拓?fù)淙鐖D1。

圖1 Buck－AC/AC電路拓?fù)?/p>

它由Buck型交流斬波器、輸入L－C濾波器和輸出L－C濾波器組成。T1，T2，T3和T4為IGBT，D1，D2，D3和D4分別為它們的反并聯(lián)二極管。斬波器輸出電壓可表示為〔5〕:

式中 D為PWM占空比，V1和ω1分別為基波的幅值和角頻率，Vk和ωk分別為諧波的幅值和角頻率。如果不考慮諧波，則斬波器輸出電壓與占空比D成正比。

1.2 PWM驅(qū)動方式

對于Buck型交流斬波器，功率開關(guān)的PWM驅(qū)動可為互補(bǔ)方式或非互補(bǔ)方式〔6〕。當(dāng)采用互補(bǔ)驅(qū)動方式時，驅(qū)動電路簡單，但是因?yàn)楣β书_關(guān)在每個PWM開關(guān)周期都工作在開關(guān)狀態(tài)，所以增加了開關(guān)損耗。同時，抑制在PWM死區(qū)時間內(nèi)產(chǎn)生的電壓尖峰，必須增加吸收緩沖電路從而進(jìn)一步增加了系統(tǒng)損耗。非互補(bǔ)驅(qū)動方式原理示意圖如圖2。

圖2 非互補(bǔ)驅(qū)動方式示意圖

在電網(wǎng)電壓的正半周，T1，T3斬波，T2，T4常開，而在負(fù)半周，T2，T4斬波，T1，T3常開。這種開關(guān)方式下，總的開關(guān)時間減少了1/2，從而減小了開關(guān)損耗。

1.3 工作模式

在一個開關(guān)周期內(nèi)，Buck－AC/AC斬波器有3個工作模式:有源模式、死區(qū)模式、續(xù)流模式。圖3給出在輸入電壓正半周一個開關(guān)周期內(nèi)電路的3種工作模式，分別如圖3(a)，(b)，(c)所示。

圖3 在交流電網(wǎng)正半周Buck－AC/AC斬波器運(yùn)行模式

由圖3可見，在3個運(yùn)行模式中，雙向電流同路一直存在，所以即使di/dt突變，也不會產(chǎn)生電壓尖峰，即可以省去功率開關(guān)的吸收緩沖電路，降低損耗。

2 PWM諧波抑制技術(shù)研究

2.1 PWM諧波抑制技術(shù)理論

對與Buck－AC/AC斬波器，假定只考慮基波電壓且輸入電壓與負(fù)載都為恒定值，其輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系見式 (1)，可見對于某一輸出電壓，占空比D為恒定值，實(shí)際工程中大都采用閉環(huán)PI控制，其控制目標(biāo)都是使輸出電壓穩(wěn)定，這種控制方式下改變D的大小則基波與諧波將被同時增大或減小，沒有諧波抑制能力。為了抑制網(wǎng)側(cè)低次諧波，在調(diào)制函數(shù)中引入補(bǔ)償函數(shù) D(t)，則有:

式中 D為傳統(tǒng)控制方式下的占空比D1為具有諧波抑制能力的占空比。定義輸出電壓控制目標(biāo)位為DV1sin(w1t)，則有如下等式成立:

理想情況下負(fù)載電壓不含有任何諧波成分，為DV1sin(ω1t)。

因此網(wǎng)側(cè)的諧波在負(fù)載端得以消除由式 (3)可以計算D(t)為:

將式 (4)代入式 (2)得:

將D1作為PWM的占空比即可抑制網(wǎng)側(cè)低次諧波。

2.2 PWM諧波抑制技術(shù)控制策略

由2.1中的推導(dǎo)，可得PWM諧波抑制技術(shù)控制框圖，如圖4。

圖4 PWM諧波抑制技術(shù)控制框圖

圖中Kp為PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，Ki為PI調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)，將負(fù)載電壓與參考電壓做差后作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，經(jīng) PI計算后得到的是式 (5)中的D，V1sin(ω1t)可由輸入電壓低通濾波得到，這樣就不需要計算輸入電壓各次諧波的具體值，簡化了計算過程。Vload為輸出電壓均方根值，采用輸出電壓均方根之反饋控制，保證輸出電壓的穩(wěn)定。

2.3 實(shí)現(xiàn)方法

系統(tǒng)控制由32位ARM處理器STM32完成，其內(nèi)置12位高精度ADC保證了采樣精度，72 MHz主頻及內(nèi)置DMA保證了數(shù)據(jù)計算速度。圖4中的低通濾波電路如圖5。

圖5 有源濾波電路

其中Vin_T為輸入側(cè)電壓互感器副邊電壓，三階有源濾波電路將網(wǎng)側(cè)除基波以外的諧波濾掉，由于濾波會造成基波電壓的相位延遲所以加入一級相位調(diào)理電路，將濾波后電壓調(diào)整到與輸入電壓同相位。Vload，Vin_T與Vout_T經(jīng)精密整流后送到ADC，對Vload做均方根運(yùn)算。設(shè)定每半個周波采樣500次，每次采樣完成后觸發(fā)DMA中段，在中段例程中，將Vin_T，Vout_T的實(shí)時采樣值與Vload進(jìn)行圖4中的計算，即每半個周波，PWM占空比改變500次，也即調(diào)整一次占空比時間間隔為20 μs，保證了實(shí)時性。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

為驗(yàn)證文中所提技術(shù)的正確性，設(shè)計了 10 kVA實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，做了完整的測試，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下:

額定功率:10 kVA；輸入電壓:220 V±15%；輸入 LC濾波器:L1＝0.4 mH，C1＝15 μF；輸出LC濾波器:L1＝0.5 mH，C1＝20 μF；IGBT: IKW75T60N；負(fù)載:5 Ω。

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程中，令系統(tǒng)工作在降壓狀態(tài)，輸入輸出電壓及其FFT實(shí)驗(yàn)波形如圖6—9所示。

圖6 輸入輸出電壓1

圖7 輸入輸出電壓2

圖8 輸入電壓FFT圖

圖9 輸出電壓FFT圖

由圖6，7變換器輸出電壓波形明顯改善。由圖8可見輸入電壓中3次、5次、7次、9次諧波分別為28 dB，22 dB，26 dB，31 dB，而由圖9可見輸出電壓所含各低次諧波含量明顯減小。

4 應(yīng)用前景

通過變電站10 kV無功補(bǔ)償系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)電容器無級投入，實(shí)現(xiàn)無功柔性補(bǔ)償及諧波抑制，投切電容器無需斷路器；電子變壓器取代傳統(tǒng)電磁式變壓器，向智能化電子式變壓器發(fā)展；為敏感負(fù)荷提供高效、清潔電能；降壓運(yùn)行，為工業(yè)大負(fù)荷節(jié)約電能，提高經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

文中提出一種新型PWM諧波抑制技術(shù)，進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)并給出了詳細(xì)實(shí)現(xiàn)方法。基于Buck－AC/ AC變換器，采用非互補(bǔ)式PWM驅(qū)動方式，通過該技術(shù)可有效地降低了系統(tǒng)損耗。采用32位ARM處理器STM32作為控制器，可實(shí)現(xiàn)輸出電壓高精度線性調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PWM諧波抑制技術(shù)可以較好地抑制網(wǎng)側(cè)低次諧波，為負(fù)載提供高質(zhì)量的電能，有效提高系統(tǒng)功率因數(shù)和效率，在國內(nèi)大力提倡節(jié)能減排與發(fā)展智能電網(wǎng)的背景下具有重要的意義。

〔1〕SPINIVASAN S，VENKATARAMNAN G.Design of a Versatile Three-phase AC Line Conditioner.In:Proceeding of IEEE IAS’95〔C〕.Orlando:1995，2 492-2 449.

〔2〕B.－H.kwon，B.－D Min，J.－H，Kim.Novel topologies of AC choppers: IEE Proc.－Electr Power〔C〕.1996，143(4):323-330.

〔3〕N.A.Ahmed，Kenji Amei，Masaaki Sakui.Improved Circuit of AC Choppers forSingle-PhaseSystem.Proceedings oftheIEEE Conference PCCON〔C〕.1997，2:907-912.

〔4〕H.J.Ryoo，J.S Kim，G.H Rim，et al.Series compensated stepdown AC voltage regulator using AC chopper with transformer:Proc. Sixth International Conference On ElectronicMachines and System，ICEMS〔C〕.2003，1:427-430.

〔5〕林渭勛.現(xiàn)代電力電子電路 〔M〕.杭州:浙江大學(xué)出版社，2002.

〔6〕 S.Polmai，E.Sugprajun.Experiment On Instantaneous Value Voltage Control of a Single Phase AC Chopper.Proceedings of the IEEE Conference PCCON 07〔C〕.2007:77-82.

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.04.011

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