基于软开关技术的并联型APF的研究

郭盼云，廖冬初



基于软开关技术的并联型APF的研究

郭盼云，廖冬初

（湖北工业大学电气与电子工程学院，武汉 430068）

本文讨论了并联型有源电力滤波器(APF)的系统构成，并且根据谐振原理将软开关技术应用于有源电力滤波器的主电路中，可进一步降低主电路开关管的损耗，提高有源电力滤波器工作的可靠性。在控制策略方面，主电路部分采用滞环与空间矢量相结合的控制方法，软开关部分的控制与主开关器件的控制相配合。最后在MATLAB平台上建立整个系统的仿真模型。

有源电力滤波器 软开关技术 滞环 MATLAB仿真

0 引言

电力电子技术在电能变换方面具备快速、可控的特点，应用在人们的生产生活中，大大提高了效率和舒适度，因而电力电子装置的使用越来越普及。与此同时，大量使用电力电子装置也给电力系统带来了严重的谐波危害，造成电能质量的下降，从而制约现代电力工业的发展以及人们的生活质量。在这种背景下，有源电力滤波器（APF）孕育而生，它的作用就是产生可以减少甚至抵消掉电力系统中的谐波分量，使得电网中只具备纯净的三相正弦电[1]。为了降低开关功耗以及提高APF的可靠性，本文的研究重点是将软开关技术应用在有源电力滤波器的主电路中，再结合良好的控制方法，实现主电路开关器件的零电压开通，解决APF在容量和开关频率方面的技术难题。

谈到软开关的实质技术，就是将储能元件L、C以及二极管加入到主电路中，根据谐振原理使得主电路的开关器件能够实现开关损耗为零，即当软开关创造电压为零的条件时，主电路的开关器件开通；当软开关创造电流为零的条件时，主电路的开关器件关断[2]。

1 有源电力滤波器的系统构成

在电力系统中，并联型有源电力滤波器的工作原理图如图1所示。其中并联型是指有源电力滤波器的主电路与非线性负载接入电网的连接方式，而有源电力滤波器的系统构成即在虚线框图里，它是由谐波检测电路、控制及驱动电路和主电路三大部分构成。结合图1可以解释有源电力滤波器的工作流程：首先，谐波检测电路能够实时、快速地检测到电网负载侧的电压、电流，这其中包括基波和谐波，然后再根据控制和驱动电路产生的PWM信号作用到主电路开关管上，最后使得主电路逆变出与谐波大小相同、极性相反的电流，将此电流送入电网，那么电网的谐波就被抵消掉，电网中就只剩下波形为正弦的基波，从而达到有源电力滤波器的滤波效果[3]。

1.1 谐波检测环节

本文所采用的谐波检测算法是基于瞬时无功功率理论的p-q法，其原理运算图如图2所示。我们可以看出，需要检测的信号有：电网A相电压a、三相电流a、b、c。经过如图的转换后，我们就可以得到电流中的谐波含量ah、bh、ch,这些信息都方便被后面的控制部分所利用[4]。

图1 并联型有源电力滤波器工作原理图

图2 ip-iq法原理图

1.2 控制与驱动部分

对于有源电力滤波器，其补偿谐波和无功功率的性能受到控制部分的影响最大。控制电路将采样、检测到的电流、电压信号经过处理后，送入DSP电路中后产生PWM脉冲信号。控制电路框图如图3所示，由采样电路、检测电路、DSP电路和驱动电路组成。

图3 控制与驱动部分框图

在本系统中，硬件部分所使用的控制核心是TI公司TMS320LF2407A DSP处理器。首先，在A/D采样板上，通过霍尔电压传感器，可以检测到电网电压a；通过霍尔电流传感器，可以检测到负载两相电流L；再加上由过零比较电路、锁相倍频电路可以跟踪到A相电压相位，从而将这些数据送入DSP中。此时，我们通过往DSP中写入程序（此程序运用的是三相电路的瞬时无功功率理论），就可计算出补偿指令电流，将此电流与有源电力滤波器实际输出的电流比较得出的差值送入控制与驱动系统，控制系统产生PWM控制信号经过驱动系统处理之后就可以作用在APF的主电路上，来控制主电路开关管的通断，最后有源电力滤波器所输出的值就是与电网中幅值相等、方向相反的谐波波形。

1.3 主电路

1.3.1主电路的工作原理

并联型有源电力滤波器的主电路图如图4所示，它具有两种工作状态：整流、逆变，但具体处于哪一种工作状态，则取决于直流侧电压是否处于稳定状态。也就是说，开始启动有源电力滤波器时，主电路工作于整流状态，对直流侧的电容进行充电，使得电容电压达到一定的稳定值。在这个前提下，APF的主电路就能转入逆变状态的工作了。具体的逆变工作情况如下：主电路的六个开关器件受到DSP控制电路所产生的六路PWM脉冲信号的驱动控制，在主电路的交流侧，向电网输出与电网的谐波含量大小相等、方向相反的交流波形。

图4 有源电力滤波器主电路

1.3.2主电路容量的计算

其中，—电网的相电压，且为有效值；c—主电路交流侧所输出的补偿电流，且为有效值。

1）有源电力滤波器的补偿对象是谐波时，c=Lh。

1.3.3直流侧电压的控制与计算

为了保证有源电力滤波器的补偿电流能够实时跟随电网中的谐波电流，最重要的前提是要把主电路直流侧电容上的电压值控制在适当的一个值。下面以A相为例来确定直流侧电容电压的值的大小：

对A相，APF主电路的交流侧电压和电网电压有如下关系：

由此我们可以推断出：cmin≥3Em，即电容电压c的最小值需要大于或等于电网电压的3倍[5]。此外，c越大，电感值越小，补偿电流c的变化越快，从而对主电路开关器件的耐压要求越高。

2 软开关技术的引入

将软开关技术应用到有源电力滤波器的主电路拓扑结构中，其目的主要有两个方面：一是进一步降低主电路开关器件的开关损耗，二是提高APF运行的可靠性和工作效率。众所周知，当电感、电容引起电路发生谐振时，电压或电流周期性过零点。软开关技术就是利用这一原理，给APF主电路的开关器件在开通和关断时创造零电压或者零电流的条件，理论上看，开关损耗可以降低到零。

2.1 主电路拓扑结构

本文所采用的基于软开关技术的有源电力滤波器的主电路拓扑结构，如图5所示。由图可以看出，其结构分为两部分：

1）软开关部分，由电感L1～L3、电容C1～C6、辅助开关器件VT以及二极管D1～D6组合而成；

2）主电路逆变部分，由主开关器件VT1～VT6、续流二极管VD1～VD6、交流侧电感La、Lb、Lc组合而成的[6]。

归纳此电路结构的特点如下：

1）根据逆变桥上的功率开关器件VT1～VT6的开通或关断状况，软开关部分相应地要作出配合，即辅助开关器件VT同步控制电感L1～L3、电容C1～C6产生谐振。

2）功率开关器件上所承受的电压不应超过d，否则会导致开关器件烧毁。

3）通过控制逆变桥上六个开关器件VT1～VT6的开关，保证直流侧电容Cd上的电压保持稳定。

4）谐振电容C1～C6并联在六个主开关器件VT1～VT6上，因此在实际电路中，可以用开关器件本身具有的寄生电容作为谐振电容。

5）谐振电感L1～L3不是设在主回路的能量传递线路上，因此，当逆变电路不换流时谐振电感不工作，仅作为谐振过零的储能元件。

2.2 拓扑电路的工作原理

软开关部分只用了一个功率开关器件VT，根据它的开通和关断从L1～L3和 C1～C6中选择LC谐振，为主电路的开关器件创造零电压开通、关断的条件。具体的情况是，谐振电容C1～C6能够实现主开关器件VT1～VT6的零电压关断，谐振电感能够实现不在同一相的三个主开关器件的零电压开通。

图5 基于软开关技术的有源电力滤波器主电路拓扑

以A相为例，当A相的下桥臂VT4由开通状态到关断状态，需要4 μs的过渡时间，并联在VT4上的谐振电容C4利用这段时间充电，电压升高；与此同时，A相的上桥臂的谐振电容C1放电，电压降低直至为零，续流二极管VD1导通，使得VT1两端的电压为零，保证了VT1的零电压开通。由此可以推出B、C两相上下桥臂的开关器件也是能够实现零电压开通的。

3 有源电力滤波器的控制策略

基于软开关技术的有源电力滤波器，其控制系统应该由两个控制电路构成：一个是针对逆变器桥臂上的六个主开关器件VT1～VT6，需要有一个控制电路来产生六路PWM脉冲信号；另一个是针对软开关的辅助开关器件VT，也需要有另一个控制电路产生一个信号给它。

这两个控制电路相互联系，又相互独立。联系的是两者之间要有时间配合，即在主开关器件开通或关断之前，提前Δ启动软开关的控制电路，使得辅助开关器件VT开通，经过Δ的谐振后，使得与主开关器件并联的谐振电容电压为零。而独立的是这两个控制电路输出的脉冲信号分别控制着不同的开关器件。

图6 滞环电流控制示意图

而软开关部分的控制策略为：检测有源电力滤波器主电路开关器件的开关切换状态，每当检测到主电路的开关状态切换时，首先开通软开关的开关管形成L、C谐振，从而使逆变器的开关器件开通时处于零电压开通；若检测到主电路的开关状态未发生变化，则软开关的开关管保持关断状态。

4 仿真模型

5 结论

本文讨论了将软开关技术引入到并联型有源电力滤波器中。在控制策略上，采用两种控制电路分别对主电路和软开关进行控制。最后，在Matlab软件上建立模型，并进行仿真。

图7 基于软开关技术的有源电力滤波器的仿真模型图

[1] 王兆安. 谐波抑制和无功功率补偿[M]. 北京: 机械工业出版社, 2005.

[2] 陈坚. 电力电子学—电力电子变换和控制技术[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004.

[3] 洪捷. 改进型空间矢量控制策略在APF上的研究[J]. 湖北工业大学学报, 2012, 27(2): 45-48.

[4] 徐政译. 瞬时功率理论及其在电力调节中的应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2009.

[5] 程诚. 有源电力滤波器的主电路设计与仿真[J]. 湖北工业大学学报, 2010, 25(1): 84-88.

[6] 俞俊民. 一种谐波补偿器的软开关技术研究[D]. 沈阳工业大学, 2005.

Research on Shunt Active Power Filter Based on Soft-switching Technology

Guo Panyun，Liao Dongchu

(School of Electrical and Electronic Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

TM744

A

1003-4862（2013）10-0035-05

2013-03-07

郭盼云（1988-），女，研究生。研究方向:电力电子技术。