逆变器直流侧有源滤波器对不平衡与非线性负载的补偿
摘要：介绍了一种逆变器直流侧有源滤波器系统，这个系统对消除逆变器输入端子处，由于不平衡与非线性负载引起的脉动电流是有效的。对于三相四线逆变器，在中性线中的零序电流也同样被消除。本系统具有响应速度快、效率高的特点。在较高不平衡或非线性负载时，也不需要过大的容性kVA。经分析，仿真和实验表明，这种直流侧有源滤波器系统是有效的。
一项调查表明，很多三相变频电源，在使用过程中都不同程度地向不平衡负载或非线性负载供电。当逆变器带不平衡或非线性负载时，会使直流输入电流出现两倍于逆变器工作频率的脉动分量。滤除这种二次谐波分量有两个办法；一是采用L、C无源滤波器，二是采用有源滤波器。采用无源滤波器的缺点是体积、重量大，价格昂贵、运行费用高，动态特性和过渡过程跟踪精度差，有时还可能引起系统振荡。采用有源滤波器的优点是：
能补偿频率变化和失真效应，能提高系统的稳定性和动态响应速度；
有源滤波器有两种，一种是串联式，另一种是并联式，前者抑制的是纹波电压，后者抑制的是纹波电流。并联有源滤波器是通过把谐波源产生的谐波电流分离出来，用有源滤波器产生的电流进行抵消达到抑制直流纹波的目的。因此，并联有源滤波器更适合于消除不平衡负载或非线性负载引起的二次谐波电流分量。仿真与实验结果表明，滤波效果非常显著。
为了加强滤波效果，P.Enjeti和S.Kim在文献[2]中提出采用综合滤波技术，即对于三相三线逆变器采用L、C无源滤波与单相全桥直流并联有源滤波两级滤波；对于三相四线逆变器，除了采用上述两级滤波外，又加入了一级单相半桥式直流并联有源滤波器，形成三级滤波。
采用输出滤波器的三相三线所示。当采用PWM控制方式时，三个对称开关函数（接口信号）的傅里叶级数展开式为
采用PWM控制，当n=3，5，7，11，13时，可以令An=0，逆变器输出线电压为
对于平衡线性负载，三相电流Ia，Ib，Ic近似为幅值相同，相位相差120的正弦波。故可以由式（4）推出逆变器的输入电流，此电流将主要由直流分量，和与开关频率相同的谐波分量组成，这些高次谐波在直流环节中被有效滤除。
不平衡负载不是理想工作状态。对于将逆变器“C相断开”的不平衡负载状态（参看图2）。显然（6）
对于这种情况，逆变器的输入电流Iin是可以计算的。由式（6）、式（7）和式（4），当n=1时得Iin馈cos(－)－cos(2t＋＋)〕（8）式（8）说明：对于不平衡负载（如C相断开），逆变器的输入电流是由直流分量cos(－)，和二倍于逆变器工作频率的脉动分量cos(2t＋＋)组成。脉动分量是由不平衡负载引起的，它在直流环节电容器上产生环流，并构成无功伏安。如果直流环中的电容值足够大时，就不会出现直流电压的畸变（纹波），导致逆变器总体性能降低。直流环中的无功伏安与逆变器输出负载的不平衡度成正比，不平衡度越大，输入电流的脉动分量越大，要求直流电容的值越大，对逆变器总体性能影响越大。
对于逆变器输出端的非线性负载（如整流器电路）引起的后果，与不平衡负载相同。
由开关S7～S10和电感L构成的直流侧有源滤波器电路如图2所示。它和直流环中LoCo构成的无源滤波器组成综合滤波系统，来补偿不平衡负载和非线性负载的影响，用有源滤波器来减小LoCo无源滤波器的负担，下面介绍直流有源滤波器的工作原理。
假定采用前面所述的“C相断开”作为不平衡负载，滤波器中的开关S7～S10组成单相全桥滤波器并采用PWM控制方式，滤波器的工作频率和后面的逆变器工作频率相同，则滤波器P、Q两点之间的电压为：UPQ=Bnsinn(t＋)（10）
电感L中的电阻非常小，可以认为等于零，则IPQ滞后于UPQ接近90。由式（4）计算滤波器的输入电流，此电流由构成滤波器的单相全桥逆变器获得，即式（9）。由此可得到有源滤波器的输入电流表示式为：Iin.f=cos(2t＋2迹)（12）因此，有源滤波器对不平衡负载（例如C相断开）的补偿，必须用式（12）来抵消逆变器输入端式（8）Iin中的cos(2t＋＋)分量。当完全补偿时，由式（12）和式（8）中的二次谐波分量相等可得：cos(2t＋2迹)=cos(2t＋＋)
由此，只要有源滤波器依据式（13）和式（14）工作，就可以达到消除式（8）中二次谐波脉动分量的目的。此时逆变器的输入电流为Ii=Iin＋Iin.fcos(－)（15）
式（15）表明，对于“C相断开”这样的不平衡负载所引起的，式（8）中Iin所含的二次谐波分量，在直流输入电流Ii中被有效地消除了，达到了补偿目的。由于其它形式的不平衡负载或非线性负载对直流输入电流的影响与“C相断开”不平衡负载相同[3]，故用直流侧有源滤波器方法，同样也可以达到补偿目的。
直流侧有源滤波器的控制电路框图如图3所示。采用的是两态滞后电流跟踪控制。把基准电流Iref0与直流输入电流Ii的偏差，经高通滤波器滤掉直流分量后，作为两态滞后比较器的输入，由输出来控制S7～S10的通断，使Iin.f跟踪消除Ii中的二次谐波分量。
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