基于AC/AC變換器的PWM諧波抑制技術研究與實現

劉炳正，王國斌，左瑩，周斌

(國網湖南省電力公司益陽供電分公司，湖南 益陽 413000)

基于AC/AC變換器的PWM諧波抑制技術研究與實現

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

劉炳正，王國斌，左瑩，周斌

(國網湖南省電力公司益陽供電分公司，湖南 益陽 413000)

文中提出一種新型PWM諧波抑制技術，用來抑制交流電網中存在的低次諧波。該技術基于BUCK－AC/AC變換器，通過實時改變PWM占空比來實現對諧波的抑制；可由輸入電壓信號直接取得調制函數，不需要計算各次諧波的具體值，簡化可控制策略，具有較好的動態響應性能和實踐性；詳細分析了斬波器工作及PWM諧波抑制技術原理并給出了詳細的實現方案；制作了10 kVA試驗樣機，實驗結果表明該技術可以較好地抑制交流側低次諧波。

PWM；諧波抑制；Buck－AC/AC；調制函數

隨著科技的發展，電力電子裝置的應用越來越廣泛，其導致的電壓凸起、凹陷、諧波畸變等電能質量問題日益突出，電力系統的交流電網側也含有大量的低次諧波，降低了系統功率因數和效率。目前應用比較多的是晶閘管相控調壓裝置和變壓器抽頭換接式調壓裝置，這些裝置調壓速度慢、調壓精度低、沒有諧波抑制能力，已不能滿足負荷對電能質量日益增長的要求〔1〕。而以PWM技術為核心的高精度逆變電源雖然可以提供理想的輸出電壓波形，但其造成的輸入諧波需要加入一級功率因數校正環節，增加了系統成本，提高了轉換效率，這種問題在大功率場合尤為突出。近年來提出的基于PWM技術的交流斬波式AC－AC變換器以其響應速度快、轉換效率高、控制簡單、不產生低次諧波等優點得到廣泛研究，成為交流調壓的主流〔2－4〕。此類變換器多采用PI控制方法，不具備諧波抑制能力。本文提出一種新型PWM諧波抑制技術，主電路采用Buck－AC/AC拓撲結構，在傳統的恒定占空比控制的基礎上引入新的調制函數計算出實時PWM占空比從而達到諧波抑制的目的，并結合快速PI控制提高了系統動態響應速度，對網側電壓有較好的調節效果，設計了10 kVA試驗樣機驗證了該技術的可行性。

1 主電路拓撲與工作原理

1.1 主電路拓撲

本文提出PWM諧波抑制技術是基于Buck－AC/AC斬波器實現的，其主電路拓撲如圖1。

圖1 Buck－AC/AC電路拓撲

它由Buck型交流斬波器、輸入L－C濾波器和輸出L－C濾波器組成。T1，T2，T3和T4為IGBT，D1，D2，D3和D4分別為它們的反并聯二極管。斬波器輸出電壓可表示為〔5〕:

式中 D為PWM占空比，V1和ω1分別為基波的幅值和角頻率，Vk和ωk分別為諧波的幅值和角頻率。如果不考慮諧波，則斬波器輸出電壓與占空比D成正比。

1.2 PWM驅動方式

對于Buck型交流斬波器，功率開關的PWM驅動可為互補方式或非互補方式〔6〕。當采用互補驅動方式時，驅動電路簡單，但是因為功率開關在每個PWM開關周期都工作在開關狀態，所以增加了開關損耗。同時，抑制在PWM死區時間內產生的電壓尖峰，必須增加吸收緩沖電路從而進一步增加了系統損耗。非互補驅動方式原理示意圖如圖2。

圖2 非互補驅動方式示意圖

在電網電壓的正半周，T1，T3斬波，T2，T4常開，而在負半周，T2，T4斬波，T1，T3常開。這種開關方式下，總的開關時間減少了1/2，從而減小了開關損耗。

1.3 工作模式

在一個開關周期內，Buck－AC/AC斬波器有3個工作模式:有源模式、死區模式、續流模式。圖3給出在輸入電壓正半周一個開關周期內電路的3種工作模式，分別如圖3(a)，(b)，(c)所示。

圖3 在交流電網正半周Buck－AC/AC斬波器運行模式

由圖3可見，在3個運行模式中，雙向電流同路一直存在，所以即使di/dt突變，也不會產生電壓尖峰，即可以省去功率開關的吸收緩沖電路，降低損耗。

2 PWM諧波抑制技術研究

2.1 PWM諧波抑制技術理論

對與Buck－AC/AC斬波器，假定只考慮基波電壓且輸入電壓與負載都為恒定值，其輸出電壓與輸入電壓的關系見式 (1)，可見對于某一輸出電壓，占空比D為恒定值，實際工程中大都采用閉環PI控制，其控制目標都是使輸出電壓穩定，這種控制方式下改變D的大小則基波與諧波將被同時增大或減小，沒有諧波抑制能力。為了抑制網側低次諧波，在調制函數中引入補償函數 D(t)，則有:

式中 D為傳統控制方式下的占空比D1為具有諧波抑制能力的占空比。定義輸出電壓控制目標位為DV1sin(w1t)，則有如下等式成立:

理想情況下負載電壓不含有任何諧波成分，為DV1sin(ω1t)。

因此網側的諧波在負載端得以消除由式 (3)可以計算D(t)為:

將式 (4)代入式 (2)得:

將D1作為PWM的占空比即可抑制網側低次諧波。

2.2 PWM諧波抑制技術控制策略

由2.1中的推導，可得PWM諧波抑制技術控制框圖，如圖4。

圖4 PWM諧波抑制技術控制框圖

圖中Kp為PI調節器的比例系數，Ki為PI調節器的積分系數，將負載電壓與參考電壓做差后作為PI調節器的輸入，經 PI計算后得到的是式 (5)中的D，V1sin(ω1t)可由輸入電壓低通濾波得到，這樣就不需要計算輸入電壓各次諧波的具體值，簡化了計算過程。Vload為輸出電壓均方根值，采用輸出電壓均方根之反饋控制，保證輸出電壓的穩定。

2.3 實現方法

系統控制由32位ARM處理器STM32完成，其內置12位高精度ADC保證了采樣精度，72 MHz主頻及內置DMA保證了數據計算速度。圖4中的低通濾波電路如圖5。

圖5 有源濾波電路

其中Vin_T為輸入側電壓互感器副邊電壓，三階有源濾波電路將網側除基波以外的諧波濾掉，由于濾波會造成基波電壓的相位延遲所以加入一級相位調理電路，將濾波后電壓調整到與輸入電壓同相位。Vload，Vin_T與Vout_T經精密整流后送到ADC，對Vload做均方根運算。設定每半個周波采樣500次，每次采樣完成后觸發DMA中段，在中段例程中，將Vin_T，Vout_T的實時采樣值與Vload進行圖4中的計算，即每半個周波，PWM占空比改變500次，也即調整一次占空比時間間隔為20 μs，保證了實時性。

3 實驗與結果

為驗證文中所提技術的正確性，設計了 10 kVA實驗樣機，做了完整的測試，實驗參數如下:

額定功率:10 kVA；輸入電壓:220 V±15%；輸入 LC濾波器:L1＝0.4 mH，C1＝15 μF；輸出LC濾波器:L1＝0.5 mH，C1＝20 μF；IGBT: IKW75T60N；負載:5 Ω。

系統實驗過程中，令系統工作在降壓狀態，輸入輸出電壓及其FFT實驗波形如圖6—9所示。

圖6 輸入輸出電壓1

圖7 輸入輸出電壓2

圖8 輸入電壓FFT圖

圖9 輸出電壓FFT圖

由圖6，7變換器輸出電壓波形明顯改善。由圖8可見輸入電壓中3次、5次、7次、9次諧波分別為28 dB，22 dB，26 dB，31 dB，而由圖9可見輸出電壓所含各低次諧波含量明顯減小。

4 應用前景

通過變電站10 kV無功補償系統，可實現電容器無級投入，實現無功柔性補償及諧波抑制，投切電容器無需斷路器；電子變壓器取代傳統電磁式變壓器，向智能化電子式變壓器發展；為敏感負荷提供高效、清潔電能；降壓運行，為工業大負荷節約電能，提高經濟效益。

5 結論

文中提出一種新型PWM諧波抑制技術，進行數學推導并給出了詳細實現方法。基于Buck－AC/ AC變換器，采用非互補式PWM驅動方式，通過該技術可有效地降低了系統損耗。采用32位ARM處理器STM32作為控制器，可實現輸出電壓高精度線性調節。實驗結果表明，PWM諧波抑制技術可以較好地抑制網側低次諧波，為負載提供高質量的電能，有效提高系統功率因數和效率，在國內大力提倡節能減排與發展智能電網的背景下具有重要的意義。

〔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〕林渭勛.現代電力電子電路 〔M〕.杭州:浙江大學出版社，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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2015-06-16