1 引言
近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，電力電子裝置被廣泛的使用，它們給電能變換和應(yīng)用帶來(lái)巨大方便的同時(shí)，也使得電網(wǎng)諧波污染變得日趨嚴(yán)重。因此，采用有源電力濾波器（Active Power Filter，APF）對(duì)電網(wǎng)諧波進(jìn)行有效的補(bǔ)償越來(lái)越受到重視，在國(guó)內(nèi)外掀起了研究的熱潮[1-3]。
大量的科研機(jī)構(gòu)和個(gè)人對(duì)三相四線制APF 的拓?fù)浣Y(jié)果，諧波快速檢測(cè)和控制算法都進(jìn)行了大量的研究[1-14]。直流側(cè)電壓的控制是APF 的關(guān)鍵技術(shù)之一[13][14][16][18]，直流側(cè)支撐電路的可靠和穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)整個(gè)系統(tǒng)至關(guān)重要。
目前的APF 主電路中，直流側(cè)支撐電容普遍選擇鋁電解電容，它具有容量大、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但是其ESR 大、壽命短、可靠性低等很明顯的缺點(diǎn)，成為影響APF 系統(tǒng)安全、可靠、長(zhǎng)時(shí)間惡劣電磁環(huán)境穩(wěn)定運(yùn)行的短板。電容中點(diǎn)式三相四線制APF 中，電容上會(huì)流過(guò)很大的零序電流，尤其是要求具備3 倍相線濾波能力時(shí)，對(duì)直流側(cè)支撐電容的耐紋波能力要求很高。
本文的方案設(shè)計(jì)中使用選擇薄膜電容替代電解電容，通過(guò)仿真對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了在APF 主電路中，薄膜電容替代電解電容的合理性，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。文獻(xiàn)[13] 提出，直流側(cè)電壓值要大于電網(wǎng)線電壓的峰值，這是APF 正常工作的一個(gè)前提，同時(shí)給出了維持在線性調(diào)制范圍內(nèi)需要的直流側(cè)電壓最小值。
2 電容中點(diǎn)式三相四線APF 基本拓?fù)?br style="margin: 0px; padding: 0px;" /> 電容中點(diǎn)式三相四線APF 的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其由三橋臂逆變電路構(gòu)成，如圖1 所示。圖中ifa、ifb、ifc為APF 輸出三相電流；isa、isb、isc 為系統(tǒng)三相電流；ila、ila、ilc 為非線性負(fù)載三相電流；ifn 為APF 輸出的中性線電流；iln 為非線性負(fù)載中性線電流；isn 為系統(tǒng)中性線電流；usm 為系統(tǒng)電網(wǎng)電壓；va、vb、vc 分別為三相主電路各橋臂中點(diǎn)與中性線間的電壓；vfa、vfb、vfc 分別為APF 在三相接入點(diǎn)的電壓；逆變器輸出低通濾波器采用LCL 方式，其中L 為逆變器連接電感，Lg 為并網(wǎng)電感，C3 為輸出三相濾波電容；uc1、uc2 分別為電容C1 和C2 的電壓；R1、R2 分別為直流側(cè)電容C1、C2 的等效電阻；ic1、ic2 分別為流經(jīng)電容C1、C2 的電流；三相PWM 變流器開(kāi)關(guān)（S1~S6）。三相電源的中性線與直流側(cè)母線中點(diǎn)相連為中性線電流提供通道。
3 直流側(cè)電壓控制與電容電流關(guān)系
為方便模型的建立，做一些必要假設(shè)：
（1）三相PWM 變流器中各開(kāi)關(guān)均為理想器件，不考慮內(nèi)阻等；
（2）LCL 低通濾波器中輸出電感(L、Lg)、輸出交流濾波電容(C3) 是三相對(duì)稱的，即每相的參數(shù)都一樣；
（3）直流側(cè)電容C1、C2 規(guī)格完全一樣，即C1=C2；
（4）定義開(kāi)關(guān)函數(shù)SSK 如下：
3.1 直流側(cè)電容的選擇準(zhǔn)則[16]
有源電力濾波器的工作就是直流側(cè)電容的充、放電的過(guò)程，為了保證性能，需要維持直流側(cè)電壓的恒定。理論上，系統(tǒng)對(duì)稱的情況下，直流側(cè)電容容量可以選擇很小。但是，實(shí)際電路中，各種元器件均寄生有內(nèi)阻，尤其是直流側(cè)電容自身寄生的等效電阻，會(huì)帶來(lái)很大的損耗，就需要選擇更大容量的電容；同時(shí)，這部分損耗會(huì)帶來(lái)很大的發(fā)熱，限制了電容的通流能力。
電容量的選擇可按照如下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[17]：
其中：I0 為APF 額定工作電流；
APF 輸出的電壓基波的角頻率；
Udc 額定狀態(tài)下直流側(cè)電壓；
K 是系統(tǒng)允許的直流電壓波動(dòng)系數(shù)，取值范圍0.01 ～ 0.1；
Cd 為直流側(cè)電容容量之和。
3.2 直流側(cè)電容電流計(jì)算[18]
由KVL 定律以及KCL 定律，根據(jù)上述所定義的狀態(tài)變量，可以得到直流側(cè)電容電壓以及電流的描述方程如下。
直流側(cè)電容C1 電壓描述方程：
直流側(cè)電容C2 電壓描述方程：
根據(jù)公式(3)、(4) 很容易得到C1、C2上面流過(guò)的電流：
由公式(7)、(8) 可得，四線制系統(tǒng)中0 序電流都會(huì)從直流側(cè)電容中點(diǎn)流過(guò)。
4 仿真研究
4.1 仿真環(huán)境及波形
本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)參數(shù)：電感值L=0.27mH、Lg=0.03mH、C3=17μF，在額定電網(wǎng)相電壓有效值Usn=220V，采用設(shè)計(jì)的額定直流側(cè)電壓值Udcn=800V 時(shí)，APF 額定容量50A， 使用PSIM 仿真，采用指定次消諧控制算法[18]。根據(jù)公式(2)，計(jì)算可得直流側(cè)電容取值范圍398μF ～ 3979μF。負(fù)載采用常規(guī)的不控整流帶阻感性負(fù)載。負(fù)載電流波形如圖2 所示。補(bǔ)償后系統(tǒng)電流如圖3 所示，電流畸變率由45.8% 下降到3.2%，補(bǔ)償效果明顯（電容選擇4700μF，C1=C2=8400μF）。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三相四線制，所以中性點(diǎn)上有很大的0 序電流流過(guò)，如圖4 所示。由于直流側(cè)電容自身寄生等效內(nèi)阻，所以將產(chǎn)生很大的功耗。極端情況下：系統(tǒng)容量全部用于補(bǔ)償零序電流，R1=R2=0.02Ω( 電解電容典型ESR)，則將產(chǎn)生大約50W 的功耗。
通過(guò)選型發(fā)現(xiàn)，如果直流側(cè)電容選擇薄膜電容，則損耗可以大為減少，因?yàn)楸∧る娙軪SR 非常小，相同容量的電容，ESR 大約為1mΩ 左右，這樣直流側(cè)損耗將降至2.5W 左右。損耗大大減少。
4.2 選用電解電容與薄膜電容的效果對(duì)比
通過(guò)表1 和表2 的參數(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，電解電容的ESR 比薄膜電容大非常多。在同一系統(tǒng)下，分別采用兩種電容進(jìn)行仿真。
對(duì)比發(fā)現(xiàn)，直流側(cè)電壓波動(dòng)明顯，相同容量時(shí)，補(bǔ)償性能也要略遜一些。主要原因是兩者之間的寄生等效電阻（ESR）相差很大（幾十倍），由于工藝的問(wèn)題，電解電容大的ESR，造成系統(tǒng)控制器效果變差。對(duì)比表3、表4 發(fā)現(xiàn)，薄膜電容在取電解電容1/3 容量時(shí)，兩者的整體效果類似。薄膜電容屬于無(wú)感設(shè)計(jì)，耐紋波能力強(qiáng)。從表1、表2 中可知，電解電容的通流能力大約只有同容量薄膜電容的1/5 左右，為了達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量，必須進(jìn)行多模組并聯(lián)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，大大降低系統(tǒng)的可靠性。
5 結(jié)語(yǔ)
本文在電容中點(diǎn)式三相四線制APF 的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)比仿真，分析了不同類型的直流電容使用情形，得出薄膜電容可以取代電解電容的結(jié)論，而且設(shè)備可以更精細(xì)、簡(jiǎn)潔，并提高系統(tǒng)的整體可靠性。