有源濾波技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展.doc

安康學(xué)院學(xué)年論文（設(shè)計(jì)） 有源濾波技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展 【摘要】 集成電路發(fā)展至今，濾波器已經(jīng)成為系統(tǒng)中不可或缺、很常用的一個(gè)單元。本文首先對(duì)濾波器作一簡(jiǎn)單概述。然后，著重對(duì)濾波器的一個(gè)分支模擬濾波器中的有源濾波器進(jìn)行介紹。特別是對(duì)有源濾波技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展重點(diǎn)介紹。 Active filtering technology and its development Abstract IC development so far, the filter has become an integral part of the system used a single unit. Firstly, for a brief overview of the filter. Then, on the active filter in the filter is a branch of the analog filters are introduced. In particular, the introduction of active filtering technology and its development priorities.一、概述1.1 濾波器的產(chǎn)生和發(fā)展 濾波器是一種專用的選頻網(wǎng)絡(luò)，由于真實(shí)的世界中有各種各樣需要或者不需要的信息，所以它可以以某種規(guī)定的方式將輸入信號(hào)根據(jù)需要變換成系統(tǒng)要求的輸出信號(hào)，讓某些頻率成分的信號(hào)通過(guò)而使其它頻率成分的信號(hào)受到阻塞或者衰減。它是一種應(yīng)用非常廣泛的信號(hào)處理系統(tǒng)，在通信、航天、自動(dòng)控制、傳感器等領(lǐng)域起著重要的作用。事實(shí)上，任何電子系統(tǒng)，從簡(jiǎn)單的放大器到復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理(D樹tal SignalProcessing)系統(tǒng)都需要濾波器。由于在實(shí)際生活中，所有的模擬系統(tǒng)，都不可避免的要與噪聲與外界干擾打交道，這樣，濾波器就常被用來(lái)消除不必要的噪聲以及抑制外界對(duì)自身系統(tǒng)的干擾等。 從20世紀(jì)20年代到20世紀(jì)60年代，濾波器的設(shè)計(jì)主要是由無(wú)源器件，如電阻、電容和電感組成。而其中，又以無(wú)源LC梯形網(wǎng)絡(luò)更為實(shí)用，這主要得益于它對(duì)元件的變化不太敏感。但長(zhǎng)期以來(lái)，低品質(zhì)的電感始終限制了無(wú)源濾波器的發(fā)展。20世紀(jì)50年代人們發(fā)現(xiàn)，用專門的有源電路來(lái)代替體積大且價(jià)格昂貴的電感則可以極大地減小電路的規(guī)模和成本。與此同時(shí)，伴隨著進(jìn)入20世紀(jì)60年代中期，分立元件中高性能有源器件如運(yùn)算放大器開始出現(xiàn)，極大地發(fā)展了有源濾波器的設(shè)計(jì)。在進(jìn)入20世紀(jì)70年代中期，分立的有源RC濾波器開始流行，同時(shí)，半導(dǎo)體技術(shù)又正在如火如荼的展開，因此人們這時(shí)又開始考慮需要將濾波器進(jìn)行集成，以滿足整個(gè)工業(yè)發(fā)展的需要。 隨著航天航空、現(xiàn)代通信和控制技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)對(duì)模塊集成化的要求也越來(lái)越高。全集成濾波器是單片集成的，與由分立有源元件構(gòu)成的濾波器相比，主要有以下優(yōu)點(diǎn)： 1集成電路是專用的，設(shè)計(jì)中都是針對(duì)性考慮并設(shè)計(jì)，所以集成后的濾波器有著分立元件設(shè)計(jì)的濾波器無(wú)可比擬的面積和功耗優(yōu)勢(shì)。 2 工藝的特殊性，雖然很難做到器件的絕對(duì)值穩(wěn)定，但是在芯片內(nèi)，元件之間的匹配可以做得很好，這樣也極大地改善濾波器的性能，尤其是線性度。 3 針對(duì)工藝的絕對(duì)值不穩(wěn)的特點(diǎn)，自動(dòng)調(diào)諧電路則能夠很好地克服因工藝和溫度變化所帶來(lái)的誤差。4與分立無(wú)源濾波器相比，集成濾波器大大地減少了寄生電容。這主要得益于芯片內(nèi)部，各種尺寸間距的減小等。 1.2濾波器的概述 針對(duì)目前所常用的濾波器的設(shè)計(jì)方法，單片集成有源濾波器的分類如圖11所示：圖1 單片集成有源濾波器的分類二、有源濾波技術(shù)的歷史發(fā)展和現(xiàn)狀 七十年代初有源濾波器的基本原理和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就已確定，但由于受到當(dāng)時(shí)功率半導(dǎo)體器件水平以及控制策略的限制，有源電力濾波器的研制一直處于試驗(yàn)研究階段直到進(jìn)入八十年代以來(lái)，隨著新型電力半導(dǎo)體器件的不斷發(fā)展、脈寬調(diào)制技術(shù)的不斷進(jìn)步以及基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流瞬時(shí)檢測(cè)方法的提出，使有源電力濾波器得到迅速完善和發(fā)展日。 自1982年世界第一臺(tái)APF(800kVA)在日本研制成功而被正式投入使用以來(lái)m，經(jīng)過(guò)20多年的研究和探索，APF技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，越來(lái)越多的APF投入了運(yùn)行，不論從實(shí)現(xiàn)功能還是運(yùn)行功率上都有明顯改善。其中在日本，已投入使用的APF從50kVA到60MVA功率范圍越來(lái)越寬，從諧波補(bǔ)償?shù)揭种崎W變和電壓調(diào)節(jié)應(yīng)用功能越來(lái)越豐富目前，有源濾波器已用在提高電能質(zhì)量，解決蘭相電力系統(tǒng)中終端電壓調(diào)節(jié)、電壓波動(dòng)抑制、電壓平衡改善以及諧波消除和無(wú)功補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題上。三、有源濾波器的分類目前投入使用的APF種類繁多，其分類方法也多種多樣。圖2從不同的角度對(duì)APF進(jìn)行了分類。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，舡F可分為有源直流濾波器和有源交流濾波器兩大類前者主要用來(lái)消除高壓直流系統(tǒng)中換流器直流側(cè)的電壓；后者則應(yīng)用于交流電力系統(tǒng)。圖2 有源濾波器的分類 根據(jù)逆變電路的儲(chǔ)能元件不同，有源濾波器分為電流型和電壓型兩種電壓型濾波裝置效率高、初期投資小，可任意并聯(lián)擴(kuò)容，易于單機(jī)小型化，經(jīng)濟(jì)，適用于電網(wǎng)級(jí)諧波補(bǔ)償。目前實(shí)用裝置90%以上為電壓型，技術(shù)相對(duì)成熟。電流型濾波裝置作為非正弦電流來(lái)源來(lái)滿足非線性負(fù)載的諧波電流要求，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠，但損耗較大，不適用于大容量系統(tǒng)。從與電網(wǎng)的連接方式看，有源濾波器可分為：并聯(lián)和串聯(lián)型 。圖3（a）為并聯(lián)型APF，他是最基本的方式。由于并聯(lián)型APF并聯(lián)接入電網(wǎng)，相當(dāng)于一個(gè)受控電流源，可消除負(fù)載引起的諧波電流，也可補(bǔ)償無(wú)功和平衡三相電流。其適用于感性電流源型負(fù)載的諧波無(wú)功補(bǔ)償，優(yōu)點(diǎn)是它只流過(guò)補(bǔ)償電流和小部分基波有功電流，另外并聯(lián)型APF可以并聯(lián)使用以提供大的電流。但由于APF和被補(bǔ)償?shù)闹C波負(fù)載并聯(lián)在電網(wǎng)上，須承受電網(wǎng)基波電壓，這使其容量很大。而構(gòu)成APF主電路的PWM逆變器的容量和動(dòng)態(tài)成反比，很難是APF在具有很大容量的同時(shí)還能具有良好的動(dòng)態(tài)特性和較低的開關(guān)耗損。串聯(lián)APF如圖3（b）所示。它的逆變器結(jié)構(gòu)主電路不需要電流控制電路，APF通過(guò)變壓器串聯(lián)在電網(wǎng)和負(fù)載之間，相當(dāng)于一個(gè)受控電壓源。其主要用于消除帶電容二極管整流電路等電壓源型諧波源負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的影響。主要優(yōu)點(diǎn)是能補(bǔ)償電網(wǎng)諧波電壓和三相不平衡的電壓，對(duì)電壓敏感性負(fù)載尤為適用。但與并聯(lián)有源濾波器相比，主要缺點(diǎn)是流過(guò)很高的負(fù)載電流，使得變壓器額定參數(shù)上升，體積變大，耗損大；此外串聯(lián)APF投切、故障后的退出及各種保護(hù)也較為復(fù)雜。目前，并聯(lián)型占了大多數(shù)。雖然SPF能實(shí)現(xiàn)大容量和低耗損以及多功能。但由于受開關(guān)器件的限制，容量增大往往有限，而且造價(jià)隨之增大。而無(wú)源濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，所以人們選擇有源和無(wú)源相結(jié)合的混合型APF來(lái)減小APF的容量，提高裝置的經(jīng)濟(jì)性無(wú)源濾波器和串聯(lián)型有源濾波器也可以混臺(tái)使用，如圖3(c)所示圖3(d)和(e)所示分別為并聯(lián)APF和無(wú)源濾波器混合并聯(lián)以及混合串鞋的使用情況。另外為了充分發(fā)揮并聯(lián)有源濾波器和串聯(lián)有源濾波器各自的優(yōu)點(diǎn)，可以將二者組合起來(lái)使用，這就是統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的基本結(jié)構(gòu)4T9】，如圖2(f)串聯(lián)有源濾波器通過(guò)變壓器接入主電路中，具有諧波隔離、電壓調(diào)節(jié)以及電壓閃變，不平衡的補(bǔ)償?shù)茸饔?，其變壓器容量取決于電壓調(diào)節(jié)范圍，容量很小并聯(lián)有源濾波器直接與主電路相連，起諧波和負(fù)序電流消除、無(wú)功電流補(bǔ)償和直流母線電壓調(diào)節(jié)作用這種結(jié)構(gòu)雖然功率開關(guān)較多，但開關(guān)應(yīng)力較小。容量不大兩個(gè)有源濾波器都采用電壓型逆變器結(jié)構(gòu)公用直流乎波電容器，損耗低，效率高；系統(tǒng)輸入和輸出波形畸變?。浑妷赫{(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短。范圍寬，精度高；能適用于各種用電負(fù)載，能抑制電網(wǎng)三相交流電壓不均衡這種電路結(jié)構(gòu)的控制方式改變后可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一潮流控制器和交流電網(wǎng)移相器的功能對(duì)這種裝置電路結(jié)構(gòu)和控制方法研究是目前電力電子技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向。圖3 有源濾波器的各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)四、有源濾波器的檢測(cè)技術(shù) 有源濾波器控制的第一個(gè)環(huán)節(jié)是補(bǔ)償指令的獲取這一環(huán)節(jié)將直接影響到有源濾波器的性能，因?yàn)槿绻荒軠?zhǔn)確地得到指令信號(hào)，電流的控制將無(wú)從談起計(jì)算補(bǔ)償電流指令，酋先必須根據(jù)補(bǔ)償目的將諧波和無(wú)功電流分量或者正序、負(fù)序及零序等分量進(jìn)行分離根據(jù)補(bǔ)償目標(biāo)，可以對(duì)電流進(jìn)行不同的分解例如，在補(bǔ)償所有高次諧波分量以及單位功率因數(shù)的條件下，只需檢測(cè)基波有功電流分量即可：如果只進(jìn)行某些次諧波消除以及基波無(wú)功分量補(bǔ)償，則需要分別檢測(cè)出各次諧波分量以及基波無(wú)功分量五、源濾波器的控制技術(shù)有源電力濾波器的閉環(huán)控制策略中最常用的是模擬或數(shù)字PI控制，另外還有變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)控制等現(xiàn)代新型控制方法PI控制器一般用于逆變器贏流環(huán)節(jié)的控制，如控制電壓源型逆變器直流母線電壓或電流源型逆變器直流母線電流電壓源型電流跟蹤型有源濾波器直流母線電壓的穩(wěn)定就采用了PI控制器給定直流參考電壓與直流母線電壓的差作為PI的輸人信號(hào)，控制器的輸出信號(hào)作為穩(wěn)定逆變器直流母線電壓的有功電流峰值它與電網(wǎng)同步單位參考電壓的乘積即為PwM電流控制器的一部分輸入信號(hào)六、有源濾波器的發(fā)展前景 有源濾波器作為凈化電網(wǎng)污染、改善供電質(zhì)量的一種有效裝置，有著廣闊的應(yīng)用前景從近年來(lái)的研究和應(yīng)用可以看出有源濾波器具有如下的發(fā)展前景： 1)為了降低成本、提高效率和擴(kuò)大容量，有源濾波器與LC無(wú)源濾波裝置組合的混和型有源濾波系統(tǒng)將得到廣泛的應(yīng)用 2)為了適應(yīng)有源濾波器多功能復(fù)雜控制的需要，在有源濾波器走向?qū)嵱没牡缆飞希恍┫冗M(jìn)的控制策略包括變結(jié)構(gòu)和智能控制將得到真正的應(yīng)用以獲得更好的控制性能和效果3) 通過(guò)PWM調(diào)制和可提高開關(guān)期間等效開關(guān)頻率的多重化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高次諧波的有效補(bǔ)償當(dāng)有源濾波器的容量不