鐵芯電抗器直流偏磁對PAPF濾波性能的影響
作者：威博特鐵芯 發(fā)布時(shí)間：2019-03-30 15:01:11 瀏覽次數(shù)： 隨著人們對電力系統(tǒng)諧波問題日益重視，并聯(lián)型有源電力濾波器 ( Parallel Active Power Filter，PAPF )以其良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和諧波補(bǔ)償特性，越來越成為國內(nèi)外的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。輸出濾波器是PAPF 的重要組成部分，主要用來消除逆變器功率器件的開斷所帶來的高頻毛刺，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，就會使高頻諧波通過 PAPF 注入公用電網(wǎng)和用戶受電端而帶來額外的諧波污染，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致 PAPF 系統(tǒng)本身因過流或過壓而毀壞。
目前對 PAPF 的輸出濾波器的研究主要集中在輸出濾波器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電抗器電感值的選擇等方面，比如文獻(xiàn)中得出了 LCR 結(jié)構(gòu)的輸出濾波器比LC 輸出濾波器性能更好的結(jié)論，文獻(xiàn)提出了PAPF 輸出濾波器電感選擇的新方法。但很少有文獻(xiàn)注意到輸出濾波器中電感結(jié)構(gòu)的選擇，即不同結(jié)構(gòu)的電抗器如空芯或鐵芯電抗器對 PAPF 補(bǔ)償性能的影響。作者在三相四線制 PAPF 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn):當(dāng)鐵芯電抗器作為輸出濾波器的輸出電感，投入PAPF 后系統(tǒng)電流偶次諧波增幅明顯，以 2 次諧波增幅大，影響到 PAPF 的濾波性能。而從后文分析可知 PAPF 中輸出濾波器中鐵芯電抗器直流偏磁正是產(chǎn)生偶次諧波的主因，但大量有關(guān)直流偏磁的研究主要針對逆變電路變壓器或電力變壓器，鐵芯電抗器直流偏磁的研究鮮有相關(guān)報(bào)道。為此，分析鐵芯電抗器偶次諧波產(chǎn)生原因和減小辦法具有重要的理論意義和設(shè)計(jì)指導(dǎo)意義，同時(shí)鐵芯電抗器直流偏磁的提出在一定程度上拓寬了直流偏磁的研究范圍。本文擬通過理論分析、仿真和實(shí)驗(yàn)途徑對此問題進(jìn)行深入分析。
一、鐵芯電抗器諧波現(xiàn)象描述
圖 1 示出了三相四線制并聯(lián)有源電力濾波器PAPF 的主電路結(jié)構(gòu)圖。圖中以 LCR 構(gòu)成高效的低通濾波器作為 PAPF 的輸出濾波器。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù):電源系統(tǒng)電壓有效值為 380V，電網(wǎng)系統(tǒng)側(cè)等效阻抗為 0． 2mH，電阻為 0． 018Ω; 諧波源模擬負(fù)載為帶純電阻小電感的三相二極管整流橋，電感為 5mH，電阻值待定; 輸出濾波器電路參數(shù): 濾波電感 Lf 為 0． 8mH，濾波電容 Cf 為 12μF，阻尼電阻 Rf 為 3． 5Ω; 裝置逆變 器 IGBT 器 件 為 Infineon IGBT C0932 FF300R12KSL，控制器主芯片采用德州儀器公司生產(chǎn)的TMS320F2812 數(shù)字信號處理器; 儲能電路參數(shù): 直流電容 C 為 EPCOS 450V3 × 6800μF ，均壓電阻 Rc為 10Ω。
用示波器觀察并采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以 a 相為例，圖2 就給出了投入 PAPF 前后系統(tǒng)電壓 Usa、系統(tǒng)電流 Isa以及直流側(cè)電容電壓 Vdc 實(shí)驗(yàn)波形。在 MATLAB 環(huán)境下對示波器采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即可得出系統(tǒng)電流 Isa在投入 PAPF 前后的諧波分析柱狀圖，如圖 3 所示。
通過仔細(xì)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，初步確定問題可能來源于輸出濾波器中的鐵芯電抗器。因此，為了進(jìn)一步弄清真正的原因，接著做了第二次實(shí)驗(yàn)。將鐵芯電抗器替換成了電感值等參數(shù)均相同的空芯電抗器，模擬負(fù)載中電阻為 15Ω( 由示波器電流波形可知前后實(shí)驗(yàn)負(fù)載電流分別為 6． 5A、8． 9A，相差不大，不影響前后試驗(yàn)結(jié)果對比分析) ，其它實(shí)驗(yàn)條件和第一次實(shí)驗(yàn)相同。從而再次得到投入 PAPF 前后系統(tǒng)電壓 Usa、系統(tǒng)電流 Isa和直流側(cè)電容電壓 Vdc實(shí)驗(yàn)波形以及系統(tǒng)電流 Isa的諧波分析柱狀圖分別如圖 4、5 所示。
從圖 3( a) 、5( a) 中可以看出，在投入 PAPF 前負(fù)載注入系統(tǒng)的各次諧波電流含有率和第一次實(shí)驗(yàn)基本相同，但由圖 4、5 看到，當(dāng)投入 PAPF 后系統(tǒng)電流波形毛刺變得很小，諧波電流總畸變率 THDi 從原來的 23．39% 降低為 4．21% ，偶次諧波分量增幅不明顯，其中 2 次諧波增幅也比較小，從原來的 0．21% 增大到 0．52% 。由此可見，第二次實(shí)驗(yàn)有源電力濾波器的濾波性能有了很大的改善，因此可以得出第一次實(shí)驗(yàn)中偶次諧波大幅度增大主要是由鐵芯電抗器引起。
