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    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   發布時間:2019-03-30 15:01:11 瀏覽次數:
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        隨著人們對電力系統諧波問題日益重視,并聯型有源電力濾波器 ( Parallel Active Power Filter,PAPF )以其良好的動態響應速度和諧波補償特性,越來越成為國內外的研究和應用熱點。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,如果設計不當,就會使高頻諧波通過 PAPF 注入公用電網和用戶受電端而帶來額外的諧波污染,嚴重時導致 PAPF 系統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構設計和電抗器電感值的選擇等方面,比如文獻中得出了 LCR 結構的輸出濾波器比LC 輸出濾波器性能更好的結論,文獻提出了PAPF 輸出濾波器電感選擇的新方法。但很少有文獻注意到輸出濾波器中電感結構的選擇,即不同結構的電抗器如空芯或鐵芯電抗器對 PAPF 補償性能的影響。作者在三相四線制 PAPF 樣機實驗過程中發現:當鐵芯電抗器作為輸出濾波器的輸出電感,投入PAPF 后系統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生偶次諧波的主因,但大量有關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報道。為此,分析鐵芯電抗器偶次諧波產生原因和減小辦法具有重要的理論意義和設計指導意義,同時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、仿真和實驗途徑對此問題進行深入分析。

    一、鐵芯電抗器諧波現象描述
        圖 1 示出了三相四線制并聯有源電力濾波器PAPF 的主電路結構圖。圖中以 LCR 構成高效的低通濾波器作為 PAPF 的輸出濾波器。實驗系統參數:電源系統電壓有效值為 380V,電網系統側等效阻抗為 0. 2mH,電阻為 0. 018Ω; 諧波源模擬負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: 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的TMS320F2812 數字信號處理器; 儲能電路參數: 直流電容 C 為 EPCOS 450V3 × 6800μF ,均壓電阻 Rc為 10Ω。

    三相四線制 PAPF 主電路結構圖
        實驗儀器主要有三相交流電源,PAPF 試驗樣機裝置 一 套,Tektronix TPS2024 示 波 器 等。首 先 在PAPF 輸出濾波器電感為鐵芯電抗器的情況下進行實驗,實驗條件為諧波源模擬負載中電阻為 22Ω,輸出濾波器電感 Lf 為 0.8mH,電感磁場介質為鐵芯; 其它元器件參數如前述所示。
        用示波器觀察并采集實驗數據,以 a 相為例,圖2 就給出了投入 PAPF 前后系統電壓 Usa、系統電流 Isa以及直流側電容電壓 Vdc 實驗波形。在 MATLAB 環境下對示波器采集到的實驗數據進行處理,即可得出系統電流 Isa在投入 PAPF 前后的諧波分析柱狀圖,如圖 3 所示。
    系統電壓 Usa、系統電流 Isa、直流側電容電壓 Vdc實驗波形 ( 鐵芯)
    系統電流 Isa諧波柱狀圖( 鐵芯)
        由于模擬的諧波源負載為典型的三相不可控整流橋,其特征諧波為 6k ± 1 次諧波,從圖 3( a) 中可以看出,在投入 PAPF 前,系統電流 Isa的諧波含量中分量較大的是 5、7、11 等奇次諧波,偶次諧波分量很小。當投入 PAPF 后,盡管 a 相系統電流波形畸變得到一定改善,諧波電流總畸變率 THDi 由 24. 93% 降低到9. 94% ,但 PAPF 濾波性能還不是特別理想,如圖 2( b) 、3( b) 所示。從圖 3( a) 、( b) 明顯看到,PAPF 投入后 a 相系統電流偶次諧波分量明顯增大,其中 2 次諧波增幅大,從原來的 0. 48% 增大到 6. 86% ,從而導致 PAPF 濾波性能變劣。
        通過仔細分析實驗結果,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,為了進一步弄清真正的原因,接著做了第二次實驗。將鐵芯電抗器替換成了電感值等參數均相同的空芯電抗器,模擬負載中電阻為 15Ω( 由示波器電流波形可知前后實驗負載電流分別為 6. 5A、8. 9A,相差不大,不影響前后試驗結果對比分析) ,其它實驗條件和第一次實驗相同。從而再次得到投入 PAPF 前后系統電壓 Usa、系統電流 Isa和直流側電容電壓 Vdc實驗波形以及系統電流 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 前負載注入系統的各次諧波電流含有率和第一次實驗基本相同,但由圖 4、5 看到,當投入 PAPF 后系統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,第二次實驗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驗中偶次諧波大幅度增大主要是由鐵芯電抗器引起。
    系統電壓 Usa、系統電流 Isa、直流側電容 電壓 Vdc實驗波形 ( 空芯)
    系統電流 Isa諧波柱狀圖( 空芯)
     
     

     




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