基于耦合变压器的直流侧有源滤波器数字实现研究

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谐波对供电质量及电网的可靠运行构成了极大的威胁。有源电力滤波器(Active Power Filter, APF),可以对大小和频率都变化的谐波进行补偿,能够解决无源滤波器滤波效果单一和系统阻抗特性变化等问题,已经成为最有效的谐波治理手段之一。在众多的谐波源当中,由整流类负载引起的最为普遍,对此有学者提出了直流侧APF的治理措施,其中直流侧串联型APF对于电容滤波的负载具有很好的谐波抑制作用。但是,传统的直流侧串联型APF没有与整流桥主电路隔离,存在着当输入电压等级升高时,APF储能电容及开关器件电压应力大等问题,本文针对此问题进行研究,做了以下工作。在介绍谐波的产生、危害、抑制方法以及有源电力滤波器的拓扑分类的基础上,分析了并联型APF和串联型APF的工作原理,论述了它们对不同性质谐波源的补偿特性。指出:传统的直流侧串联型APF没有与整流桥主电路隔离,APF储能电容电压高,这不仅使储能电容的额定值增大,提高电路成本,而且使APF的开关器件电压应力增加,降低电路的可靠性。针对上述问题,本文提出基于耦合变压器的直流侧串联型有源电力滤波器。该拓扑通过耦合变压器使直流侧APF与整流桥主电路隔离,并且通过调节变压器的变比能有效减小APF的储能电容电压和开关应力。通过对拓扑结构的工作原理和能量流向的分析,证明了基于耦合变压器的直流侧串联型APF的正确性。同时,仿真研究也证明了该拓扑的有效性。然后,将带变压器的单相直流侧串联型APF推广到三相系统,提出基于耦合变压器的三相直流侧串联型APF,分析了其工作原理并进行仿真研究。最后,针对传统模拟控制电路复杂、调试困难、算法与参数调整不方便等问题,研究了直流侧串联型APF的数字实现方法。以TMS320F2812 DSP为控制芯片,研制了一台容量约为100VA的带耦合变压器的单相直流侧串联型APF样机,对硬件系统及软件系统进行了设计。对实验样机进行了调试,实验结果验证了基于耦合变压器的直流侧串联型APF采用全数字控制,不仅能实现对整流类负载的谐波补偿,而且降低了储能电容电压,提高了系统的抗干扰能力和控制的稳定性。
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