有源電力濾波器主電路及控制系統(tǒng)設(shè)計

1、第10卷第2期2011年4月廣州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）JournalofGuangzhouUniversity（NaturalScienceEdition）Vol10No2Apr20110029-06文章編號：1671-4229（2011）02-有源電力濾波器主電路及控制系統(tǒng)設(shè)計12王曉剛，黃少輝（1廣州大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院，廣東廣州510006；2艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司，廣東深圳518057）摘要：隨著非線性負載的應(yīng)用越來越廣泛，三相四線制供電系統(tǒng)中的諧波問題和中線電流過大的問題對配電網(wǎng)造成嚴重的危害文章以三相四橋臂有源電力濾波器為例，給出了主電路和控制系統(tǒng)的詳細設(shè)計過程實驗結(jié)果表明：三相

2、四橋臂有源電力濾波器對諧波和中線電流能夠進行有效補償，設(shè)計方案是可行有效的關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；四橋臂；諧波中圖分類號：TM761文獻標志碼：A并聯(lián)型有源電力濾波器（activepowerfilter，APF）是補償電流型諧波、無功功率、提高電能質(zhì)量的有效手段其中三相四橋臂APF除了補償諧波電流外，還可以補償三相四線系統(tǒng)的中線電流目前，研究APF控制算法的文獻較多，而介紹APF主電路和控制系統(tǒng)設(shè)計的文獻相對較18少，本文以20kVA四橋臂APF實驗樣機為例，詳細介紹了APF主電路和控制系統(tǒng)的設(shè)計過程，并給出了實驗結(jié)果1APF主電路設(shè)計20000×/（×311）52.5A，

3、考慮IGBT的額定電流選為75A直流側(cè)電壓裕量，IGBT的額定選為700V，考慮電壓尖峰等原因，電壓選擇為1700V最終選用了Semikron公司的SKM75GB123D12直流側(cè)電壓的設(shè)計和電容容量確定直流側(cè)電容的作用是為變流器提供直流電壓直流側(cè)電壓Udc應(yīng)至少比交流側(cè)相電壓峰值大1.5倍，Udc決定了APF的補償能力，總諧波電流的最大變化斜率越大，對Udc的要求就越高本文選電壓紋波擇Udc為700V直流電容的容量越大，APF輸出電流所含的非特征諧波也越小；但越小，容量越大暫態(tài)過程也越長綜合考慮，直流電容C選為4000F收稿日期：20100927；修回日期：20101019三相四橋臂并聯(lián)型A

4、PF主電路如圖1所示主電路由4個IGBT及與其反并聯(lián)的二極管構(gòu)成，C為直流側(cè)電容，L及Ln為主電路與電網(wǎng)的接口基金項目：廣東省高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才培育項目（LYM09109）資助作者簡介：王曉剛（1976），男，副教授，博士Email：ieewxg163com廣州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）13交流電感的設(shè)計交流電感L和Ln的作用是濾除PWM開關(guān)產(chǎn)第10卷生的高頻噪聲并使APF輸出電流可控電感值的選擇決定著APF跟蹤指令電流的能力，取值不能9可根據(jù)式（1）確定L：太大也不能太小，4Udc4UdcL（1）9fsI9Imax式中，Udc為直流側(cè)電壓；fs為開關(guān)頻率；為基波角頻率；Imax為基波相電流幅值

5、；I為輸出超調(diào)電流Ln的確定方法與此類似最終L和Ln均選為5mH2APF控制電路設(shè)計控制電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示考慮樣機DSP控制電路采用以TI公司用于初期實驗，TMS320F2812（簡稱F2812）為處理器的第三方開發(fā)板交流電壓電流和直流電壓被測量電路檢測a相電網(wǎng)并濾波后送至DSP自帶的A/D轉(zhuǎn)換器，電壓經(jīng)過零信號檢測電流產(chǎn)生過零信號，送至DSP的捕獲引腳，用于與電網(wǎng)電壓的同步DSP完成補償算法后輸出PWM信號，經(jīng)驅(qū)動和保護電路隔離放大送至主電路的IGBT電源模塊用于為各種芯片及驅(qū)動電路提供直流電壓本節(jié)對驅(qū)動電路和測量電路的設(shè)計做詳細介紹第2期王曉剛等：有源電力濾波器主電路及控制系統(tǒng)設(shè)計2

6、SC2655和2SA1020構(gòu)成的推挽驅(qū)動緩沖，以增強驅(qū)動能力兩個三極管的最大驅(qū)動電流為2A，可以驅(qū)動額定電流100A以下的IGBTR1為限流使光耦工作在最佳狀態(tài)電阻，為了達到良好的IGBT驅(qū)動效果，隔離電源輸出電壓為+15V和7.5V雙路輸出，輸出最大電流為100mA參考基于UC3842的典型反激式電路，設(shè)計出的隔離電源原理圖如圖6所示圖6中P1為外接電源接口，輸入+24V直流電壓，輸C8濾波后出的+15V和7.5V電壓由右側(cè)C7、C6組成輸出作為驅(qū)動電路的供電電源；R13和R14、R6、R8和可調(diào)電位器R7組成電壓采樣啟動電路，Cf一起組成隔離電源控制系統(tǒng)的電壓網(wǎng)絡(luò)，與Rf、環(huán)；Rs采樣得

7、到的峰值電流經(jīng)過R10和C2濾除開通尖峰后送到芯片的電流檢測端引腳3，構(gòu)成隔離電源控制系統(tǒng)的電流內(nèi)環(huán)芯片的引腳6輸出經(jīng)R11和R12驅(qū)動MOSFETQ3；D5、R15、C9組成漏感尖Rt、Ct連接到芯片內(nèi)部的RC振蕩器，峰吸收電路，為芯片提供信號時鐘；芯片正常工作后，反饋繞組Nf的電壓經(jīng)R14和C6濾波后為芯片提供工作電N2經(jīng)D1、D2和C7、C8整流濾波流；反激繞組N1、后輸出隔離電源所需的穩(wěn)定直流電壓廣州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）換成1V+1V的交流信號R13和C5是補償電容，用于減小TV16的相移第10卷第2期王曉剛等：有源電力濾波器主電路及控制系統(tǒng)設(shè)計333軟件設(shè)計APF控制程序總流程圖見

8、圖11在主程序查詢A/D中斷標志，一旦A/D轉(zhuǎn)換完成，調(diào)用諧波提取子程序，提取出的諧波分量與電壓控制環(huán)子程序產(chǎn)生的有功分量疊加作為電流指令，然后調(diào)用電流環(huán)控制子程序產(chǎn)生APF的電壓指令，最后將電壓指令送至空間矢量算法子程序，使F2812的PWM1PWM8引腳產(chǎn)生PWM信號過零檢測電路產(chǎn)生的過零信號會引發(fā)CAP1中斷，在CAP1中斷服務(wù)程序中，確定定時器T2的中斷周期，即確定了開關(guān)周期Ts，由于開關(guān)頻率選為10kHz，所并根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化而略微以Ts約為20ms，調(diào)整圖12Fig12實驗結(jié)果Experimentalresults5結(jié)論本文詳細介紹了三相四橋臂有源電力濾波器的主電路、控制電路及軟

9、件設(shè)計方案，并在20kVA樣機上進行了實驗實驗表明，三相四橋臂APF可有效補償諧波電流和中線電流，驗證了軟硬件設(shè)計的可行性34廣州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）第10卷References：1LEJian，JIANGQi-rong，HANYing-duoAnewspacevectorcontrolstrategyoffour-legshuntactivepowerfilterJPow-erElectronics，2007，41（2）：1-3（inChinese）2ZHUANGHua，ZHOULin，ZHANGDai-hongStudyonone-cyclecontrolledthree-phasefo

10、ur-wireactivepowerfilterwithfour-legJRelay，2007，35（24）：36-39，25（inChinese）3TANTian-yuan，JIANGQi-rong，JIJian-hui，etalDesignofsecurityandprotectionsystemforshuntactivepowerfilterJAutomationofElectricPowerSystems，2007，31（12）：81-85（inChinese）4LEJian，JIANGQi-rong，HANYing-duoDesigningofafour-legshuntactiv

11、epowerfilterJElectricalEngineering，2006（8）：14-19（inChinese）5JINTT，SMEDLEYKMOperationofone-cyclecontrolledthree-phaseactivepowerfilterwithunbalancedsourceandloadJIEEETransactionsonPowerElectronics，2006，21（5）：1403-14126AURELIOGC，OMARPA，VIEENTEFB，etalApplicationofarepetitivecontrollerforathree-phaseact

12、ivepowerfilterJIEEETransactionsonPowerElectronics，2007，22（1）：237-2457RAMONCC，ROBERTG，ENRICFOdd-harmonicdigitalrepetitivecontrolofasingle-phasecurrentactivefilterJIEEETransactionsonPowerElectronics，2004，19（4）：1060-10688MILJANAO，PERICLEZC，MARKSHighperformancepredictivecurrentcontrolforactiveshuntfilte

13、rsC12thInter-2006：1677-1681nationalPowerElectronicsandMotionControlConference，9CHENWei-qiangMaincircuitdesignoftheactivepowerfilterforthree-phasefour-wiresystemJElectricalEngineering，2009（6）：34-36，39（inChinese）10WANGXiao-gang，XIEYun-xiang，SHUAIDing-xin，etalThree-phasefour-legactivepowerfilterbasedon

14、modelpredictiveJJournalofSouthChinaUniversityofTechnology：NaturalScienceEdition，2009，37（11）：56-63（inChinese）control參考文獻：1樂健，姜齊容，韓英鐸一種新型四橋臂并聯(lián)APF的空間矢量控制策略J電力電子技術(shù)，2007，41（2）：1-32莊華，周林，張代紅基于單周控制的四橋臂三相四線制有源電力濾波器的研究J繼電器，2007，35（24）：36-39，253譚甜源，姜齊榮，季建輝，等并聯(lián)型有源電力濾波器的安全保護系統(tǒng)設(shè)計J電力系統(tǒng)自動化，2007，31（12）：81-854樂健，姜齊容

15、，韓英鐸并聯(lián)型四橋臂有源電力濾波裝置的研制J電氣技術(shù)，2006（8）：14-199陳偉強三相四線制有源電力濾波器主電路設(shè)計J電氣技術(shù)，2009（6）：34-36，3910王曉剛，謝運祥，帥定新，等基于模型預(yù)測控制的三相四橋臂有源電力濾波器J華南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)2009，37（11）：56-63版，MaincircuitandcontrolsystemdesignofactivepowerfilterWANGXiao-gang1，HUANGShao-hui2（1SchoolofMechanicalandElectricalEngineering，GuangzhouUniversity，Guangzhou510006，China；2EmersonNetworkPowerCo，Shenzhen518057，China）Abstract：Withthewideuseofnonlinearloads，theharmoniccurrentsandhugeneutralcurrentsareharmfultothesafetyofthree-phasefour-wirepowerdistributionsystemsInthispaper，thedetaileddesignprocedureofthemaincircuitandco