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铁芯电抗器直流偏磁对PAPF滤波性能的影响

发布时间:2018-07-28 15:36      浏览次数:
    随着人们对电力系统谐波问题日益重视,并联型有源电力滤波器 ( Parallel Active Power Filter,PAPF )以其良好的动态响应速度和谐波补偿特性,越来越成为国内外的研究和应用热点。输出滤波器是PAPF 的重要组成部分,主要用来消除逆变器功率器件的开断所带来的高频毛刺,如果设计不当,就会使高频谐波通过 PAPF 注入公用电网和用户受电端而带来额外的谐波污染,严重时导致 PAPF 系统本身因过流或过压而毁坏。
    目前对 PAPF 的输出滤波器的研究主要集中在输出滤波器的结构设计和电抗器电感值的选择等方面,比如文献中得出了 LCR 结构的输出滤波器比LC 输出滤波器性能更好的结论,文献提出了PAPF 输出滤波器电感选择的新方法。但很少有文献注意到输出滤波器中电感结构的选择,即不同结构的电抗器如空芯或铁芯电抗器对 PAPF 补偿性能的影响。作者在三相四线制 PAPF 样机实验过程中发现:当铁芯电抗器作为输出滤波器的输出电感,投入PAPF 后系统电流偶次谐波增幅明显,以 2 次谐波增幅最大,影响到 PAPF 的滤波性能。而从后文分析可知 PAPF 中输出滤波器中铁芯电抗器直流偏磁正是产生偶次谐波的主因,但大量有关直流偏磁的研究主要针对逆变电路变压器或电力变压器,铁芯电抗器直流偏磁的研究鲜有相关报道。为此,分析铁芯电抗器偶次谐波产生原因和减小办法具有重要的理论意义和设计指导意义,同时铁芯电抗器直流偏磁的提出在一定程度上拓宽了直流偏磁的研究范围。本文拟通过理论分析、仿真和实验途径对此问题进行深入分析。

一、铁芯电抗器谐波现象描述
    图 1 示出了三相四线制并联有源电力滤波器PAPF 的主电路结构图。图中以 LCR 构成高效的低通滤波器作为 PAPF 的输出滤波器。实验系统参数:电源系统电压有效值为 380V,电网系统侧等效阻抗为 0. 2mH,电阻为 0. 018Ω; 谐波源模拟负载为带纯电阻小电感的三相二极管整流桥,电感为 5mH,电阻值待定; 输出滤波器电路参数: 滤波电感 Lf 为 0. 8mH,滤波电容 Cf 为 12μF,阻尼电阻 Rf 为 3. 5Ω; 装置逆变 器 IGBT 器 件 为 Infineon IGBT C0932 FF300R12KSL,控制器主芯片采用德州仪器公司生产的TMS320F2812 数字信号处理器; 储能电路参数: 直流电容 C 为 EPCOS 450V3 × 6800μF ,均压电阻 Rc为 10Ω。
三相四线制 PAPF 主电路结构图
    实验仪器主要有三相交流电源,PAPF 试验样机装置 一 套,Tektronix TPS2024 示 波 器 等。首 先 在PAPF 输出滤波器电感为铁芯电抗器的情况下进行实验,实验条件为谐波源模拟负载中电阻为 22Ω,输出滤波器电感 Lf 为 0.8mH,电感磁场介质为铁芯; 其它元器件参数如前述所示。
    用示波器观察并采集实验数据,以 a 相为例,图2 就给出了投入 PAPF 前后系统电压 Usa、系统电流 Isa以及直流侧电容电压 Vdc 实验波形。在 MATLAB 环境下对示波器采集到的实验数据进行处理,即可得出系统电流 Isa在投入 PAPF 前后的谐波分析柱状图,如图 3 所示。
系统电压 Usa、系统电流 Isa、直流侧电容电压 Vdc实验波形 ( 铁芯)
系统电流 Isa谐波柱状图( 铁芯)
    由于模拟的谐波源负载为典型的三相不可控整流桥,其特征谐波为 6k ± 1 次谐波,从图 3( a) 中可以看出,在投入 PAPF 前,系统电流 Isa的谐波含量中分量较大的是 5、7、11 等奇次谐波,偶次谐波分量很小。当投入 PAPF 后,尽管 a 相系统电流波形畸变得到一定改善,谐波电流总畸变率 THDi 由 24. 93% 降低到9. 94% ,但 PAPF 滤波性能还不是特别理想,如图 2( b) 、3( b) 所示。从图 3( a) 、( b) 明显看到,PAPF 投入后 a 相系统电流偶次谐波分量明显增大,其中 2 次谐波增幅最大,从原来的 0. 48% 增大到 6. 86% ,从而导致 PAPF 滤波性能变劣。
    通过仔细分析实验结果,初步确定问题可能来源于输出滤波器中的铁芯电抗器。因此,为了进一步弄清真正的原因,接着做了第二次实验。将铁芯电抗器替换成了电感值等参数均相同的空芯电抗器,模拟负载中电阻为 15Ω( 由示波器电流波形可知前后实验负载电流分别为 6. 5A、8. 9A,相差不大,不影响前后试验结果对比分析) ,其它实验条件和第一次实验相同。从而再次得到投入 PAPF 前后系统电压 Usa、系统电流 Isa和直流侧电容电压 Vdc实验波形以及系统电流 Isa的谐波分析柱状图分别如图 4、5 所示。
    从图 3( a) 、5( a) 中可以看出,在投入 PAPF 前负载注入系统的各次谐波电流含有率和第一次实验基本相同,但由图 4、5 看到,当投入 PAPF 后系统电流波形毛刺变得很小,谐波电流总畸变率 THDi 从原来的 23.39% 降低为 4.21% ,偶次谐波分量增幅不明显,其中 2 次谐波增幅也比较小,从原来的 0.21% 增大到 0.52% 。由此可见,第二次实验有源电力滤波器的滤波性能有了很大的改善,因此可以得出第一次实验中偶次谐波大幅度增大主要是由铁芯电抗器引起。
系统电压 Usa、系统电流 Isa、直流侧电容 电压 Vdc实验波形 ( 空芯)
系统电流 Isa谐波柱状图( 空芯)