并联有源电力滤波器交流侧滤波电感的优化设计

压Uc1等于下电容电压Uc2，Usm为电网相电压峰值，L为滤波电感值（假设La=Lb=Lc=L），Id为非线性负载直流侧电流。

3 滤波电感对系统损耗的影响

　　有源滤波器一个重要的指标是效率，系统总的损耗Ploss为

Ploss=Pon＋Poff＋Pcon＋Prc（6）

　　式中：Pon为开关器件的开通损耗；Poff为开关器件的关断损耗；Pcon为开关器件的通态损耗；Prc为吸收电路的损耗。

　　3.1 IGBT的开通与关断损耗

　　有源滤波器的A相主电路如图7所示。假设电感电流ic为正时，则在S4开通之前，电流ic通过二极管D1流出，当S4开通后，流过二极管D1的电流逐渐转移为流过S4，只有当Dl中电流下降到零后，S4两端的电压才会逐渐下降到零。因此，在S4的开通过程中，存在着电流、电压的重叠时间，引起开通损耗，如图8所示。

图7 A相桥臂原理图

图8 开通损耗模型

　　由图8可知单个S4开通损耗为

P≈dt（7）

　　开通损耗为

Pon=6×P=6××fs（8）

Iav=|ic(t)|dt（9）

　　式中：ic(t)为IGBT集电极电流；Uc为集射之间电压（忽略二极管压降即为主电路直流侧电压）；ton为开通时间；T0为一个工频周期；fs为器件平均开关频率；Iav为主电路电流取绝对值后的平均值。

　　类似可推得关断损耗为

Poff=6××fs(10)

　　式中：toff为关断时间。

　　3.2 IGBT的通态损耗

　　假设tcon为开关管导通时间，考虑到上下管占空比互补，可假设占空比为50％，即tcon=0.5Ts。

　　则通态损耗为

Pcon=6∑ic(t)Ucestcon/T0=3IavUces（11）

　　式中：Ts为平均开关周期；Uces为开关管通态时饱和压降。

　　3.3 RC 吸收电路的损耗

　　RC 吸收电路的损耗为

Prc=6×CsUc2fs (12)

　　式中：Cs为吸收电容值。

fs= （13）

　　通过以上分析，可以得到系统总损耗为

Ploss=Pon＋Poff＋Pcon＋Prc （14）

　　4 滤波电感的优化设计

　　在满足一定效率条件下，寻求交流侧滤波电感L，使补偿电流跟踪误差最小。得到如下的优化算法。

　　优化目标为 minA（Uc，L）

　　约束条件为 Ploss≤（1－η）SAPF (15)

　　应用于实验模型为15kVA的三相四线制并联有源滤波器，参数如下：

　　SAPF=15kVA，Vsm=310V，η=95％，

　　Id=103A，Iav=18A，δ=1A，

　　Cs=4700pF，Uces=3V，ton=50ns，

　　toff=340ns。

　　在约束条件下利用Matlab的优化工具箱求目标函数最小时L与Uc1的值。可得到优化结果为：跟踪误差A=0.1523，此时交流侧滤波电感L=2.9mH，直流侧电压Uc=799V。

　　5 仿真与实验结果

　　表1列出了有源电力滤波器容量为15kVA时，电感取值与补偿后网侧电流的THD的比较。

表1 不同电感L取值下仿真结果

　　图9，图10与图11是当Uc=2Uc1=800V，APF容量为5.2kVA时，电感L分别取7mH，5mH，3mH时的实验结果，补偿后网侧电流的THD分别为14.1％，18.3％，20.1％，与优化分析的结果相吻合。

时间5ms/div

（ 上 ） 负 载 电 流iLa（ 32 A/div）

（ 中 ） 网 侧 电 流isa（ 32 A/div）

（ 下 ） 补 偿 电 流ica（ 16 A/div）

图9 L取7mH时

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（ 上 ） 负 载 电 流iLa（ 32 A/div）

（ 中 ） 网 侧 电 流isa（ 32 A/div）

（ 下 ） 补 偿 电 流ica（ 16 A/div）

图10 L取5mH时

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（ 上 ） 负 载 电 流iLa（ 32 A/div）

（ 中 ） 网 侧 电 流isa（ 32 A/div）

（ 下 ） 补 偿 电 流ica（ 16 A/div）

图11 L取3mH时

　　6 结语

　　有源滤波器交流侧滤波电感直接影响谐波电流的补偿性能，因此，电感参数的选取十分关键，本研究基于15kVA的电力有源滤波器的实验模型，提出了一种优化设计交流侧滤波电感的方法，仿真和初步实验表明采用本方法选取的电感值，在满足一定效率的条件下，可获得较好的补偿性能，补偿后的网侧电流畸变率小。