电压逆变器型单相有源电力滤波器性能分析

作为稳态分析的结果。给出了确定电压逆变器型有源电力滤波器主要参数的基本原则。

随着电能变换技术及设备在工业领域的推广应用，对有源电力滤波技术的研究越来越受到各国电力电子学界的重视。这主要是因为，绝大部分电力电子设备对于电网来说都是不太友好的，它们在从电网中获取有功功率的同时，会向电网注入基波感性无功功率和电流高次调波，破坏或影响周围用电设备的正常工作干扰无线电通讯。

从另角度来看。人们发现。既然半导体开关电能变换设备能电网注入1定的屯流高次谐波。

那么能否对电能变换器注入电网的电流谐波进行控制，并使其与其它负载注入电网的电流谐波相抵消呢，回答是肯定的。事实上，电压逆变器电流逆变器和直接频率变换器都有可能用于上述目的。

但是，由于直接频率变换器结构复杂，且只能用于基波无功功率补同时还会向电，注入不可控制收稿日期19970518；修回日期19990914作者简介张代润1965，男。教授。有源电力滤波技术及交有源电力滤波器，七1.1APF的工作特点，既不完全与整流器相同，也有异于逆变器。是种新型的半导体开关电能变换器。故对它的补偿能力和电磁过程的理论研宄有助于加深对它的认识24.本文主要分析电压逆变器型单相有源电力滤波器的起动和稳态时的电磁过程，1系统主电路与控制原理载系统的主电路，其中，和是需要检测的量。而在2中给出了有源电力滤波器的控制框滤波器；380为正弦信号发生器，它以1的基波过零点作为触发信号说为直流侧储能电容器电压电流基波相对于电压基波的滞后角的设定值；灸为反映的平均值对基准电流信号的有效值的影响程度的系数；丹为滞叫相制中的滞环半宽。

负载电流非有功分量的补偿器，即基波无功电流补偿器和高次谐波电流滤波器，是因为它可以在输入电流为任意波形的条件下正常工作，但应满足以下条件，对逆变器的控制是基于对的跟踪控制。

应当指出，在1的电路中，跟踪控制对象选为或在原理上是等效的。但在负载整流器换路时，和，都有个换向过程，即此时负载电流和补偿电流都有较大的山1；而8则非常接近正弦波，换路时它的山心较小，有利于传感器的选择和控制系统对跟踪控制对象进行必要的微分运储能电容器电压听大于负载电压以的幅代，且叱中的交流成分的幅价，的平均位之比较小。

在理想条件下，由于需要有源电力滤波器补偿滤波的只是负载的非有功功率在个电网周期内，其平均值为零，所以在个电网周期内有源电力滤波器既不纶戏从电网苁罚有功功率，也不会向电网输出有功功率。因而，在进入稳态后，储能电容器上的电压平均值将保持不变。亦即源电力滤波器直流侧将不需要电源供电。这样，有源电力滤波器与电压逆变器的根本区别在于在有源电力滤波器的直流侧只有储能电容器，而不需要直流电源；有源电力滤波器与桥式整流器也有区别，前者的直流侧沣无有效负载。

然而，在实际情况下，由于在有源电力滤波器将放电以弥补损耗。使，的，均值趋于减小。为7维持储能电容器电压平均值基本不变，需要从电网获取应的有功功率以抵消屯路的损耗。这可以通过储能电容器电压平均值在电网电流基准信号有效值中的负反馈来得以实现。这样，化中就会含有有功电流的成分。该有功电流成分的大小，决定于有源电力滤波器的损耗的大小。而有源电力滤波器损耗的大小又决定于补偿电流开关频率磁滞回线半宽付储能电容器电压的平均值滤波电感等因素。

由2可知，电网电流8的基准信号可为山式1可知，当1此时，的效值墙小于给定值故从电力系统输入的有功功率将下降，从而使认减小；反之，当认队，时，则控制系统会动使认增加山此达到维持，基本不变的目的。

站淮巧号勾丈际的电网电流相比忧其差值被送进磁滞比较器以确定开关元件的开关时序。由于，心因而有源电力滤波器始终能控制滤波电感上的电流的增与减，从而获得所需要的波形。

2储能电容器的充电过程分析在电压逆变器型有源电力滤波器中，由于反向极管的存在，要对储能电容器，谐涞纾，炔，需要专用的充电设备，也不需要对有源电力滤波器进行特殊的控制，充电过程就可自动完成。

在3中给出了储能电容器充电过程0，94的理论分析结果，其中是储能电容器未充电时的基准电流信号，且6电容器充电过程Fig.

①有源屯力滤波器的在电网的公共连接点电压为正弦，即=队8时，电流为方波，其值为几且滞后于1角度有源电力滤波器在化过零时并入电网与负载的系统，且储能电容器的初始电压为零；基准电流信号的初始相角为零即，=不考虑有源电力滤波器中的损耗。

由式2可以给出实际上，只要使给定值，尽量接近，值即可，并不要求计算出有功功率户的准确值下面详细分析储能电界器的初始充电过程，在此时段内，由于，根据电压逆变器型有源电力滤波器跟踪控制的原理主开关元件丁7丁8的控制极上会有开通信号。又因为叱=，且此0，故实际导通的是，5丁7和了8，6，即开多成两条短路通道，电流不通过储能电容器。该时段的等效电路为流经滤波电感以及回路的总等效电肌再到电源此的回路即有考虑到般情况下，存在几1吐的关系，式3由于01不大，式4可改写为揠其中0=时。

该状态维持到时刻01.即当等于1片时。因为相对于充电电流较小，可以不计，艮口至扣等于如时为止。由色1纪+，即MOp=f，WLH如十6因此，心娜得，滓呢厉舰，潘，魏搬酿干关兀件，不可能导通；而此时主开关元件7718则己被关祈，闪此王该时段里导通的有极管5.屯流通过储能电容器并向它充电。在本时段有如下方程其中为经过的所有元件的等效电阻之和。

解方程并考虑到在01时的初始条件可得和仍可由式⑶和式来分别描述只站这是，和都在下降。在94时刻，有=好在04时刻，有源电力滤波器完成对储能电容器0的充电过程，并自动进入对3的跟踪控制工作方式3稳态电磁过程分析而1可山式7求，当=叶。即9其中02可由下列方程求得类似于储能电容器充电过程的分析，在进行稳态分析前，作如1假设+考虑有源屯力滤波器线路和元件的损耗；负载电流虼为方波且滞后于队角度心如③负载的瞬时非有功功率被完全补偿；④电网电压为正弦。

在这种情况下，电网电流基准值应为。x4.n因而，有源电力滤波器的基准补偿电流应为其中为整数。这样或的大值应为在该时段里，虽然主开关元件。心的控制极有开通信号，且有此1的关系得到满足，然而因为此时即，故导通的仍然只有极管，5化并继续向储能电容器，涞纭T诟，时段财和仍分别由式8和式7描述。

在时刻，即负载换路时，将3有个向上的跃升不考虑电网等效感抗的影响。

在03时刻，有=虼，即由式可求得03.此时此达到大值，即电流成和，成。4所小，以中的波形中没有绘出因主开关元件开通和关断所引起的开关频率的谐波。进入有源电力滤波器包括滤波电抗器的瞬时功率为其中71为整数。该功率的大值为12功率凡的波形4，0.由式17并考虑到0=谬时有价9能量曲线耽和他已绘于4中。

存储在直流侧储能电容器中的能量的增量该能量的大值为而存储在滤波电感器的能1的从之值为等式即有其中沙旧+为在0=谬，刻存储在滤波电感中的能量；在这时刻，存储在储能电容器，械哪芑1为小但零。根据式19.2和24在4中绘出了电容器0存储能量的变化线4其5面分析有源电力滤波器各主要参数间的关系，例如主开关元件的开关频率大储能电容器的电容值，滤波电抗器的电感值等参数间的关，有源电力滤波器交流侧的分析用等效电路包括电1！1电1〃1.逆变器输出脉冲电〃；及滤波电感。4与叱之间由如下关系其。不3主，又元件1；或极管5导通时；而则另对主开关元件乃了8或极管，708导通时。由2磁滞控制方法，由。尺上升到，+片允为磁滞比较器回线牟宽需要时间1当纪又从。+片降到。，并考虑到队乃队时，需要时间2因此，有源电力滤波器主开关元件的开关频率为应当指出，在计算大时没有考虑如和处在时段和内的变化而是取其在或上开始时刻的值作为该时段内的值。由此引起的误差并不大，因为远远大于电网频率50出和储能电容器电变化频率出圯4由式27而当此的值大时，开关频率小其中队为叱的平均值。这样开关频率的平均值7，为7的给定极限值。

5面分祈各系数之间的关系，由于储能电容器存储能啁的大变化值么化可为代入队的达式可得，咖山此可。心它要；认队及有关，路期间有较大变化。所以在式27中未考虑，变由式35和3叱的波动系数可为化对。；的影响如必要。也可以在的兑中考虑这对素了解有源电力滤波器主开关元件和反向极管中的电流波形对于确定这些元件的负载情况和额定功率是必要的。事实上，每个开关元件包拈主开关元件和反向极管在个电网周期内，只在相应的半个周期时段内不连续地导通，因而通过它们的电流是脉冲电流。因此在个电网周期内单元件的导通时间总和般小于半个周期。

这点在选择开关元件参数时应予考虑。

4有源电力滤波器主要参数的确定另外，由2的控制原则，负载有功功率有如下达式这里的负载有功电流的有效值的准确数值，与前面给定值的意义不同。由此可得当户凡，即心，时，7为正值；反之，则为负值。这样，由式32和37可知，7与，互为反号，且有如下关系为了确定化原电力滤波器的参数。特4入如性能指标及其定义①队波动系数E，的平均值，而认和认，则分别为的大值和小值；5为的给定极限值。

②阶平均值货化系数t，=1叱变化后的平均值，如有源电力滤波器的损耗随在选择诸能电界器电容和拧制系统参数时，除应考虑参数和7外，还应考虑到控制系统响应滞后带来的影响。这影响在接入或切除与非线性负载并联的其它负载时尤为明显。在这种情况下，除了上述个参数外，还应，加负载变化速率系数以限制负载功率的快速变化④负载变化速率系数s，尸响应时间化内负载功率的变化您心为变化后负载功率从开始变化，直到控制系统作出着温度而变化等，为的给定极限值。

③负伐变化系数y反应的时间内，负载能量需求的增量可正可负13储能电容器来提供，即以上时，的符号，+反之取由式40可得由叱平均值变化系数的定义，可得以上分析对论的基础1作如下总结滤波电抗器在稳态1的大电流为厂式16在必要的怙况还必须考虑充电过程中的大电流！式9和大瞬时功率，处02的影响。大小的选择决定于以下因素，可能的大变化率应大于负载电流的变化速率，例如在非线性负载换路，应满足，乃队，1古有源电力滤波器主开关元件的大开关频率火，式28应低于开关元件的高允许1作频中通过主开关兀件的大电流为1.在必要时还应考虑充电过程中的电流值，氏2的影响。主开关元件上的反向电压值不大，因为它等于反向极矜的止⑷玉降。

极管的大反向压降为大正向电流为在必要，应考虑大充屯电流心1的景；响。极竹的许⑴，作频率应尚于九储能电容器的高电压为队，通过电容器的大电流为或1储能电容器的电容值决定于以下因素的容许波动系数，0负载功，的容许变化速率系数，〃平均值除此之外，控制系统中的队0值及系数灸也对储能电容的选择有着重要的影响。试降低系数叫和提高系数，必然要求增大储能电容器5结论储能电容器的充电过程及有源电力滤波器的稳定工作状态。给出了与有源电力滤波器性能密切相关的几个参数的定义。并导出了它们的相关系，对于有源电力滤波器的研，和设计具有重要的指导意义。

张代润。种有淞电；逆变器式滤波器的新控制法编辑杨蓓