可以抑制二次谐波的直流滤波器算法研究

A design method for DC filter is presented applied in current source PWM rectifier(CSR). The attenuation characteristics of the filter are: there are ranging ripple in the passband to suppress the 2rd harmonic and 4th harmonic which are near the DC component. It has attenuation pole at infinite frequency, so it can effectively filter out high frequency components with fast response speed. Firstly, according to the time-varying spectral characteristics of linear mathematical model for DC side characterization of CSR, Preliminary derive the transfer function formula of all-pole filter which has amplitude attenuation ripple in matching passband ranging; the perturbation method is used to determine the location of damping resistor by finding the branch which is sensitive to harmonic currents; finally, pre-distortion method is used to get the correction value of damping resistance and component parameters of the filter which has good filtering effect and dynamic responsiveness. This project want to put forward a filter design method for CSR DC side, which can reduce the value of CSR DC side inductance, improve the efficiency of energy conversion, and can reduce the impact to the AC side caused by non-characteristic harmonic of CSR DC side, by this way to broaden the scope of CSR application.

提出了一种用于电流型PWM整流器直流侧的滤波器的设计方法。该滤波器的衰减特性是：在通带具有不等波纹，以抑制次数靠近直流的2次，4次等谐波，在无限大频率具有衰减极点，能够有效滤除整流器输出电流的高频谐波分量并具有快速的响应能力。本文首先根据表征CSR直流侧时变频谱特性的线性数学模型，推导出初步的匹配型通带具有不等幅衰减波纹的全极点滤波器传输函数公式；然后通过扰动法确定滤波器元件中对谐波电流敏感的并臂以确定阻尼电阻的位置；最后通过拉普拉斯变换和构建合适的目标函数，用预畸变法求解阻尼电阻阻值和元件参数修正值，使滤波器具有良好的滤波效果和动态响应能力。本项目希望能提出一种适用于CSR直流侧滤波器的设计方法，不但能够减小CSR直流侧电感取值，提高能量转换效率，而且可以降低PWM整流器因直流侧非特征次谐波的存在而对交流侧产生的影响，因而为拓宽CSR的应用范围有所贡献。

1）在模型方面的研究。针对CSR受交流电感和电容的影响，其数学模型具有多变量、强耦合、非线性的特点。在理论分析的基础上，创新地使用MATLAB分别程序化了基于三值逻辑SPWM低频模型和三相电流型PWM整流器的通用模型。该模型主要创新之处有两点，首先模型计入直流侧滤波电感和交流侧与电网相连的LC滤波器，其次考虑了高频分量的作用，因而能对整流器两侧的电压电流频谱特性展开细致的分析。提高了CSR输出电流高次谐波的含量的精度，经计算最大精度提高了3%以上。.2）针对CSR不易于大容量化的问题，提出了高响应速度的CSR直流滤波器设计方法，相比于传统的纯直流电感或者调谐滤波器，该方法的创新之处是主要考虑滤波器的零极点对整体CSR输出性能的贡献，大大减少了了传统调谐滤波器产生谐振的可能性。主要包含四方面的工作：.①滤波器级联对传输特性的影响研究.PWM整流器控制失稳是目前存在的一个问题。在实验中发现，如果参数设置不合理，滤波器也会使输出失稳。解决方法是整流器的模型设计时不再用理想化的模型，滤波器、整流器和负载之间不使用传统的级联方法，而是使用传输函数的推导论证输入输出关系。.②滤波器谐振频率接近直流时对传输特性的影响.滤波器两端所接负载等效阻抗变动时，会改变滤波器网络的传输函数，因而使滤波器的稳态滤波效果变差，并影响滤波器的响应速度。以LC和LCL滤波器为例，论述了当负载变动时，维持滤波器稳态和暂态输出特性的参数修正方法。通过该方法可以在整流器的占空比、开关频率以及负载发生变化时，对滤波器的参数进行有目的地修正以达到原来的滤波效果。仿真和实验验证了滤波器设计方法的正确性和可行性。.③滤波器衰减增幅特性对功率传输的贡献.当考虑滤波电感、电容元件的接触电阻时，截止频率靠近直流即对直流造成了一定的影响。当负载发生变动后，综合影响最大。负荷变动到2倍或0.5时，FFT分析结果即会变化很大。目前的实验证明，当滤波器按照小运行方式下负荷阻抗整定时，滤波器能够保证较好的滤波效果.④直流无损耗的前提下，滤除二次谐波的直流滤波器设计方法.为了减小CSR直流侧电感的取值，抑制2次，4次等非特征谐波，本课题提出了一种可以抑制二次等低次谐波的直流滤波器设计方法，使用数学推导，设计在通带有有限传输极点的滤波器传输函数，设计滤波器的拓扑结构并推导元件参数的计算公式。