有源電力濾波器設(shè)計

1引言近年來，公用電網(wǎng)受到諧波電流和諧波電壓的嚴(yán)重污染，而電力電子裝置是其主要的諧波污染源。隨著電力電子裝置的日益廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)中的諧波污染也日益嚴(yán)重，諧波污染影響到供電質(zhì)量和用戶使用的安全性，因此電網(wǎng)諧波污染的治理越來越受到關(guān)注。濾波器在本質(zhì)上是一種頻率選擇電路，通常用幅頻響應(yīng)和相位響應(yīng)來表征一個濾波電路的特性。理想濾波電路在通帶內(nèi)應(yīng)具有零衰減的幅頻響應(yīng)和線性的相位響應(yīng)，而在阻帶內(nèi)應(yīng)具有無限大的幅度衰減。按照通帶和阻帶的相互位置不同，濾波器可分為低通、高通、帶通、帶阻、全通5類。有源濾波器采用有源器件需要使用電源，加上功耗較大且集成運放的帶寬有限，因此目前有源濾波電路的工作頻率難以做得很高，一般不能用于高頻場合。但總的來講有源濾波器在低頻(低于1MHz)場合中使用有較無源濾波器更優(yōu)的性能，因而目前在音頻處理、工業(yè)測控等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。有源電力濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功功率的新型電力電子裝置，能對大小和頻率都變化的諧波及無功功率進(jìn)行補償。和傳統(tǒng)的無源濾波器相比，有以下幾點突出的優(yōu)點：對各次諧波和分?jǐn)?shù)諧波均能有效地抑制，且可提高功率因數(shù)；系統(tǒng)阻抗和頻率發(fā)生波動時，不會影響補償效果。并能對頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補償，且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響；不會產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，且能抑制由于外電路的諧振產(chǎn)生的諧波電流的變化；用一臺裝置就可以實現(xiàn)對各次諧波和基波無功功率的補償；不存在過載問題，即當(dāng)系統(tǒng)中諧波較大時，裝置仍可運行，無需斷開。由以上可看出，它克服了傳統(tǒng)的無源濾波器的缺點，具有良好的調(diào)節(jié)性能，因而有很大的發(fā)展前途。2有源電力濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電流跟蹤控制電蔬■(a)系統(tǒng)框圖圖電流跟蹤控制電蔬■(a)系統(tǒng)框圖圖1 并聯(lián)型有源電力濾波器的原理(b)信號流程D.ADu-D?DSPA/Di■罹令電流!運算電路；有源電力濾波器的基本工作原理是：實時檢測補償對象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運算單元計算出補償電流指令信號，該信號經(jīng)補償電流發(fā)生電路放大產(chǎn)生補償電流，補償電流與負(fù)載電流中需用補償?shù)闹C渡及無功等電流抵消，最終得到期望的電源電流。在圖1中的體現(xiàn)是，當(dāng)需要補償負(fù)載所產(chǎn)生的諧波電流時，有源電力濾波器檢測出補償對象負(fù)載電流匕中的諧波分量iLb后，將其反極性作為補償電流的指令信號％,再由補償電流發(fā)生電路產(chǎn)生補償電流ic，其中補償電流ic與負(fù)載電流中諧波分量i大小相等，方向相反，因而Lh兩者相互抵消，使得電源中電流中只含基波，達(dá)到消除電源電流中諧波的目的。圖1為有源濾波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。通過霍爾傳感器檢測非線性負(fù)載的電流i、i、i經(jīng)LaLbLc電流信號處理后送入指令電流產(chǎn)生電爐，指令電流產(chǎn)生模塊是由TI公司的DSPTMS320LF2407為核心建立的。DSP計算出需要補償?shù)闹C波和無功電流后，通過外部D/A送入電流跟蹤控制電路?；魻杺鞲衅鳈z測有源電力濾波器主電路的電流i、i、i，經(jīng)電流cacbcc信號處理后也送入電流跟蹤控制電路，電流跟蹤控制電路對主電路補償電流與指令電流進(jìn)行滯環(huán)比較后送出柵極開關(guān)驅(qū)動信號，驅(qū)動電路接受來自前級電流跟蹤控制電路的PWM信號，并經(jīng)隔離放大后驅(qū)動主電路的開關(guān)管，以控制主電流的電路跟隨指令電流的變化，最終達(dá)到實時補償諧波與無功功率的目的。電壓傳感器檢測變流器直流側(cè)總電壓，經(jīng)電壓信號調(diào)理后送入指令電流發(fā)生電路，通過合理的控制以凋節(jié)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。啟動、關(guān)斷和保護(hù)模塊按一定的時序控制裝置的啟動和關(guān)斷，并提供裝置的過流、過壓、過熱、缺相等故障保護(hù)功能。3有源電力濾波器主電路設(shè)計設(shè)計主電路時，應(yīng)首先確定主電路的形式，目前，有源電力濾波器主電路的形式絕大多少采用電壓型，本文選擇主電路為并聯(lián)電壓型，單個變流器的形式。主電路設(shè)計需要解決的問題是：主電路容量的計算；開關(guān)器件的選擇及其參數(shù)的確定；對補償電流的跟蹤特性起決定作用的參數(shù)（輸出電感L、直流側(cè)電容電壓Ud.滯環(huán)寬度5）的設(shè)計；按所選器件要求的驅(qū)動電路的設(shè)計以及整個裝置的各種保護(hù)電路設(shè)計。3.1主電路容量的計算有源電力濾波器的容量/由式（3-1）確定Sa=3EI （3-1）式中：E為電網(wǎng)相電壓有效值；Ic為補償電流有效值。如果所設(shè)計裝置的容量為20kVA，則Ic=sJ3E=（20x103）/（3x220）=30.3A3.2功率開關(guān)器件的選取目前適用于APFP中的全控型開關(guān)器件主要有GTR、IGBT、IGCT等，器件的選擇，首先應(yīng)當(dāng)滿足工作頻率和器件容量的要求，當(dāng)單個器件的容量難以滿足要求時，可考慮采用器件的串并聯(lián)或主電路多重化等方式。其次，再考慮它們的價格。器件的種類確定后，再確定其額定參數(shù)。其中，額定電壓由直流側(cè)電壓決定，并考慮適當(dāng)?shù)陌踩Ａ俊ｎ~定電流由補償電流決定。3.3主電路滯環(huán)寬度的選取由于有源電力濾波器的指令電流包含高次諧波和暫態(tài)電流，故要求實際輸出的電流對指令電流有很高的跟蹤能力。在有源電力濾波器的補償對象已確定的情況下，有源電力濾波器主電路參數(shù)的選取，對有源電力濾波器的性能和效率有較大的影響。TOC\o"1-5"\h\z下面以A相為例，分析采用滯環(huán)控制時逆變器的工作頻率f與電網(wǎng)電壓e、變流器直流側(cè)電壓Ud及主電路電感值和滯環(huán)寬度^間的相互關(guān)系。對于A相半橋逆變電路，可得電路方程為L土=e-（UX^atl+UX^aZl） （3-2）\o"CurrentDocument"dta C1 2 C22式中：ka為開關(guān)函數(shù)，其取值為七=1或-1，當(dāng)匕=1時，A相上橋臂導(dǎo)通；當(dāng)ka=-1時，A相下橋臂導(dǎo)通。UC1、UC2分別為電容C「C2的電壓當(dāng)上橋臂導(dǎo)通時，k尸，式（3-2）變?yōu)椋篖—e=e—U （3-3）dta C1可得出:虹—孔一UC1

dtL(3-4)由于系統(tǒng)中應(yīng)有e<U，故上式為負(fù)，即電感電流在下降。C1當(dāng)下橋臂導(dǎo)通時，k=-1，式(3-2)變?yōu)長—'-ea—e+Udta C2(3-5)虹—孔十七

dtL(3-6)式(3-6)為正，即電感電流在上升。C2與，假定逆變器的工作開關(guān)頻率較高，在一個開關(guān)周期內(nèi)可認(rèn)為電壓基本不變則滯環(huán)控制時補償電流的波形如圖3-1所示，其中^為滯環(huán)寬度。圖3-1滯環(huán)控制時補償電流波形由圖由圖3-1，以及式(3-4)和式(3-6)，可分別計算出電流的上升時間7；和下降時間氣282泣TUU^L'+eL2a(3-7). 28 2泣(3-8)T= = (3-8)〃U^L-eL2a逆變器的工作頻率為：1 1U2—4e2(3-9)—= =—d(3-9)TT+T 88LUd由式（3-9）知，逆變器的最小工作頻率和最大工作頻率分別f=Ud2-8氣2(e為A相電壓的有效值，e=J2E) (3-10)min 88LU a a adfmaxU―d-88L（3-11）其平均開關(guān)頻率為:（3-12）f二j2匕土％in、,=氣」4e〃2（3-12）a 2兀o 88LU 88LUdd取電流滯環(huán)寬度6為1.5A，直流側(cè)電壓氣為1200V，主電路電感L為6mH，則由上述公式可得：最小開關(guān)頻率為12.185kHz，最大開關(guān)頻率為16.667kHz，平均開關(guān)頻率14.4kHz。3.4直流側(cè)電壓的計算和電容的選取主電路的工作模式及相應(yīng)的開關(guān)系數(shù)，如表3-1所列，等效電路圖如圖3-2所示。表3-1主電路的工作模式與開關(guān)系數(shù)工作模式序號工作模式開關(guān)系數(shù)S1S2S3S4S5S6KaKbKc1通通通1/3-2/31/32通通通2/3-1/3-1/33通通通1/31/3-2/34通通通-1/32/3-1/35通通通-2/31/31/36通通通-1/3-1/32/3圖3-2等效電路原理圖當(dāng)K=-1時，電流i上升，即要求虹>0如果直流側(cè)電壓不能滿足大于有源電力濾波a3 ca dt器與供電系統(tǒng)連接點的相電壓峰值(E)的3倍，即mUd>3E貝uL土=e-u=e-KU=e+-U>0 (3-13)dtaUNaada3d就不會永遠(yuǎn)成立，這是不希望出現(xiàn)的。同理，當(dāng)K=1時，電流i下降，即要求虹<0a3 ca dt如果直流側(cè)電壓不能滿足Ud>3E，則L虹=e-u=e-KU=e-1U<0 (3-14)dtaUNaada3d也不會永遠(yuǎn)成立。所以直流側(cè)電壓應(yīng)滿足如下條件，即Ud>3E (3-15)意味著主電路直流側(cè)電壓值應(yīng)大于有源電力濾波器與供電系統(tǒng)連接點的相電壓峰值(Em)的3倍。在此基礎(chǔ)上，直流側(cè)電壓值越大，補償電流的跟隨性能越好，但器件的耐壓要求也就越高，因此要綜合考慮。由式(3-15)，得Ud>3E=3x巨x220=933.4V (3-16)由此可選取直流側(cè)參考電壓Uf1000V。有源電力濾波器在實際運行時很難將主電路直流側(cè)電壓控制在某一恒定值，直流側(cè)電壓波動的根本原因在于補償電流在交流電源與有源電力濾波器之間的能量脈動。若電容值選擇過小。主電路直流側(cè)電壓波動就會過大，影響有源電力濾波器的補償效果；而若電容值選擇過大，則主電路直流側(cè)電壓動態(tài)響應(yīng)變慢，電容體積和價格也會增加。因此必須綜合考慮，合理選擇。

假設(shè)在某一PWM周期內(nèi)電容始終處于充電或放電狀態(tài)，直流側(cè)電容電壓最大允許偏離設(shè)定值為^Udmax，則max（3-17）…iimax（3-17）AUdmax-?CJPWM式中：f為PWM脈沖的頻率；，；為通過電容C的最大電流值。所以，直流側(cè)電容PWM Cmax值為：c—c— △〃PWMdmzx（3-18）max3.5輸出電感值的選取電壓型有源濾波器的補償特性豐要取決于輸出補償電流對于補償指令電流的跟蹤控制能力。而輸出電感值直接決定了補償電流的跟蹤速度，從而很大程度地影響電力有源濾波器的工作性能。電感值過大，則系統(tǒng)不能適時跟蹤指令電流信號，而且電感值的增大也會造成設(shè)備成本的增加；反之。如果太小，則補償后的紋波電流過大。因此，設(shè)計時必須合理選擇主電路交流側(cè)輸出電感值。3.5.1電感的最大取值由主電路的模型，對于A相有（3-19）、—-(e-KU)dtLaad（3-19）e—Esinwt，則di cadi cadtsinwt-KUd（3-20）e—E，K—1或e—-E，K—-1時，ama3ama3di1(1、 co—-U--di1(1、 co—-U--EdtL13dm)min(3-21)要使補償電流能跟隨指令電流，則補償電流的斜率必須大于指令電流的斜率的最大值，即di cadtmindi* ca—dtmax(3-22)所以主電路電感的最大取值為Lmax（3-23）di* ca-dtmax式（23）中，對于不同的諧波源和不同的補償要求，指令電流ica*是不同的，其最大電流變化率y 與補償參考電流的具體表達(dá)形式密切相關(guān)。其經(jīng)驗公式為dtmaxdi* co—dt=(10di* co—dt=(10?20)fi*Camax（3-24）max式中：f為基波電流頻率，i「只含諧波時，i* =2.3/*ca camaxi：含諧波和無功時，max3.5.2電感的最小取值如果電感取值太小，則會使補償電流的紋波過大，影響有源電力濾波器的補償效果。因此，電感的最小值主要由主電路開關(guān)器件所產(chǎn)牛的紋波決定，電感的作用是將其在補償電流上產(chǎn)生的紋波限定在一定范圍內(nèi)。若有源電力濾波器的實際輸出電流偏離指令電流的最大允許值為△imax，則di codtdi codtmax2Ai max 1/(2L)（3-25）式中??fpwMPWM脈沖頻率。由式（3-20），可知，當(dāng)sinrnt=1,Ka=——J或sin①t=—1,K3 a二2時，3di―cadt最大，其最大值為di cadt1=—Lmax(2 \:3U+氣J(3-26)由式（3