基于AC/AC变换器的PWM谐波抑制技术研究与实现

刘炳正，王国斌，左莹，周斌

(国网湖南省电力公司益阳供电分公司，湖南 益阳 413000)

基于AC/AC变换器的PWM谐波抑制技术研究与实现

Research and implementation on PWM harmonic elimination technique based on AC/AC converter

刘炳正，王国斌，左莹，周斌

(国网湖南省电力公司益阳供电分公司，湖南 益阳 413000)

文中提出一种新型PWM谐波抑制技术，用来抑制交流电网中存在的低次谐波。该技术基于BUCK－AC/AC变换器，通过实时改变PWM占空比来实现对谐波的抑制；可由输入电压信号直接取得调制函数，不需要计算各次谐波的具体值，简化可控制策略，具有较好的动态响应性能和实践性；详细分析了斩波器工作及PWM谐波抑制技术原理并给出了详细的实现方案；制作了10 kVA试验样机，实验结果表明该技术可以较好地抑制交流侧低次谐波。

PWM；谐波抑制；Buck－AC/AC；调制函数

随着科技的发展，电力电子装置的应用越来越广泛，其导致的电压凸起、凹陷、谐波畸变等电能质量问题日益突出，电力系统的交流电网侧也含有大量的低次谐波，降低了系统功率因数和效率。目前应用比较多的是晶闸管相控调压装置和变压器抽头换接式调压装置，这些装置调压速度慢、调压精度低、没有谐波抑制能力，已不能满足负荷对电能质量日益增长的要求〔1〕。而以PWM技术为核心的高精度逆变电源虽然可以提供理想的输出电压波形，但其造成的输入谐波需要加入一级功率因数校正环节，增加了系统成本，提高了转换效率，这种问题在大功率场合尤为突出。近年来提出的基于PWM技术的交流斩波式AC－AC变换器以其响应速度快、转换效率高、控制简单、不产生低次谐波等优点得到广泛研究，成为交流调压的主流〔2－4〕。此类变换器多采用PI控制方法，不具备谐波抑制能力。本文提出一种新型PWM谐波抑制技术，主电路采用Buck－AC/AC拓扑结构，在传统的恒定占空比控制的基础上引入新的调制函数计算出实时PWM占空比从而达到谐波抑制的目的，并结合快速PI控制提高了系统动态响应速度，对网侧电压有较好的调节效果，设计了10 kVA试验样机验证了该技术的可行性。

1 主电路拓扑与工作原理

1.1 主电路拓扑

本文提出PWM谐波抑制技术是基于Buck－AC/AC斩波器实现的，其主电路拓扑如图1。

图1 Buck－AC/AC电路拓扑

它由Buck型交流斩波器、输入L－C滤波器和输出L－C滤波器组成。T1，T2，T3和T4为IGBT，D1，D2，D3和D4分别为它们的反并联二极管。斩波器输出电压可表示为〔5〕:

式中 D为PWM占空比，V1和ω1分别为基波的幅值和角频率，Vk和ωk分别为谐波的幅值和角频率。如果不考虑谐波，则斩波器输出电压与占空比D成正比。

1.2 PWM驱动方式

对于Buck型交流斩波器，功率开关的PWM驱动可为互补方式或非互补方式〔6〕。当采用互补驱动方式时，驱动电路简单，但是因为功率开关在每个PWM开关周期都工作在开关状态，所以增加了开关损耗。同时，抑制在PWM死区时间内产生的电压尖峰，必须增加吸收缓冲电路从而进一步增加了系统损耗。非互补驱动方式原理示意图如图2。

图2 非互补驱动方式示意图

在电网电压的正半周，T1，T3斩波，T2，T4常开，而在负半周，T2，T4斩波，T1，T3常开。这种开关方式下，总的开关时间减少了1/2，从而减小了开关损耗。

1.3 工作模式

在一个开关周期内，Buck－AC/AC斩波器有3个工作模式:有源模式、死区模式、续流模式。图3给出在输入电压正半周一个开关周期内电路的3种工作模式，分别如图3(a)，(b)，(c)所示。

图3 在交流电网正半周Buck－AC/AC斩波器运行模式

由图3可见，在3个运行模式中，双向电流同路一直存在，所以即使di/dt突变，也不会产生电压尖峰，即可以省去功率开关的吸收缓冲电路，降低损耗。

2 PWM谐波抑制技术研究

2.1 PWM谐波抑制技术理论

对与Buck－AC/AC斩波器，假定只考虑基波电压且输入电压与负载都为恒定值，其输出电压与输入电压的关系见式 (1)，可见对于某一输出电压，占空比D为恒定值，实际工程中大都采用闭环PI控制，其控制目标都是使输出电压稳定，这种控制方式下改变D的大小则基波与谐波将被同时增大或减小，没有谐波抑制能力。为了抑制网侧低次谐波，在调制函数中引入补偿函数 D(t)，则有:

式中 D为传统控制方式下的占空比D1为具有谐波抑制能力的占空比。定义输出电压控制目标位为DV1sin(w1t)，则有如下等式成立:

理想情况下负载电压不含有任何谐波成分，为DV1sin(ω1t)。

因此网侧的谐波在负载端得以消除由式 (3)可以计算D(t)为:

将式 (4)代入式 (2)得:

将D1作为PWM的占空比即可抑制网侧低次谐波。

2.2 PWM谐波抑制技术控制策略

由2.1中的推导，可得PWM谐波抑制技术控制框图，如图4。

图4 PWM谐波抑制技术控制框图

图中Kp为PI调节器的比例系数，Ki为PI调节器的积分系数，将负载电压与参考电压做差后作为PI调节器的输入，经 PI计算后得到的是式 (5)中的D，V1sin(ω1t)可由输入电压低通滤波得到，这样就不需要计算输入电压各次谐波的具体值，简化了计算过程。Vload为输出电压均方根值，采用输出电压均方根之反馈控制，保证输出电压的稳定。

2.3 实现方法

系统控制由32位ARM处理器STM32完成，其内置12位高精度ADC保证了采样精度，72 MHz主频及内置DMA保证了数据计算速度。图4中的低通滤波电路如图5。

图5 有源滤波电路

其中Vin_T为输入侧电压互感器副边电压，三阶有源滤波电路将网侧除基波以外的谐波滤掉，由于滤波会造成基波电压的相位延迟所以加入一级相位调理电路，将滤波后电压调整到与输入电压同相位。Vload，Vin_T与Vout_T经精密整流后送到ADC，对Vload做均方根运算。设定每半个周波采样500次，每次采样完成后触发DMA中段，在中段例程中，将Vin_T，Vout_T的实时采样值与Vload进行图4中的计算，即每半个周波，PWM占空比改变500次，也即调整一次占空比时间间隔为20 μs，保证了实时性。

3 实验与结果

为验证文中所提技术的正确性，设计了 10 kVA实验样机，做了完整的测试，实验参数如下:

额定功率:10 kVA；输入电压:220 V±15%；输入 LC滤波器:L1＝0.4 mH，C1＝15 μF；输出LC滤波器:L1＝0.5 mH，C1＝20 μF；IGBT: IKW75T60N；负载:5 Ω。

系统实验过程中，令系统工作在降压状态，输入输出电压及其FFT实验波形如图6—9所示。

图6 输入输出电压1

图7 输入输出电压2

图8 输入电压FFT图

图9 输出电压FFT图

由图6，7变换器输出电压波形明显改善。由图8可见输入电压中3次、5次、7次、9次谐波分别为28 dB，22 dB，26 dB，31 dB，而由图9可见输出电压所含各低次谐波含量明显减小。

4 应用前景

通过变电站10 kV无功补偿系统，可实现电容器无级投入，实现无功柔性补偿及谐波抑制，投切电容器无需断路器；电子变压器取代传统电磁式变压器，向智能化电子式变压器发展；为敏感负荷提供高效、清洁电能；降压运行，为工业大负荷节约电能，提高经济效益。

5 结论

文中提出一种新型PWM谐波抑制技术，进行数学推导并给出了详细实现方法。基于Buck－AC/ AC变换器，采用非互补式PWM驱动方式，通过该技术可有效地降低了系统损耗。采用32位ARM处理器STM32作为控制器，可实现输出电压高精度线性调节。实验结果表明，PWM谐波抑制技术可以较好地抑制网侧低次谐波，为负载提供高质量的电能，有效提高系统功率因数和效率，在国内大力提倡节能减排与发展智能电网的背景下具有重要的意义。

〔1〕SPINIVASAN S，VENKATARAMNAN G.Design of a Versatile Three-phase AC Line Conditioner.In:Proceeding of IEEE IAS’95〔C〕.Orlando:1995，2 492-2 449.

〔2〕B.－H.kwon，B.－D Min，J.－H，Kim.Novel topologies of AC choppers: IEE Proc.－Electr Power〔C〕.1996，143(4):323-330.

〔3〕N.A.Ahmed，Kenji Amei，Masaaki Sakui.Improved Circuit of AC Choppers forSingle-PhaseSystem.Proceedings oftheIEEE Conference PCCON〔C〕.1997，2:907-912.

〔4〕H.J.Ryoo，J.S Kim，G.H Rim，et al.Series compensated stepdown AC voltage regulator using AC chopper with transformer:Proc. Sixth International Conference On ElectronicMachines and System，ICEMS〔C〕.2003，1:427-430.

〔5〕林渭勋.现代电力电子电路 〔M〕.杭州:浙江大学出版社，2002.

〔6〕 S.Polmai，E.Sugprajun.Experiment On Instantaneous Value Voltage Control of a Single Phase AC Chopper.Proceedings of the IEEE Conference PCCON 07〔C〕.2007:77-82.

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.04.011

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