混合型有源電力濾波器設計及其工程應用

摘要：此處以工程應用為背景，研究了一種適用于低壓大電流整流系統的混合型有源電力濾波器(HAPF)給出了該結構的主電路及原理說(shuō)明，介紹了從驅動(dòng)功率、死區時(shí)間和箝位保護3個(gè)方向選擇大功率模塊，從電平轉換到光纖傳輸實(shí)現觸發(fā)，采用熱管技術(shù)以及基于DSP控制系統等關(guān)鍵技術(shù)的設計，包括DSP TMS320F2812控制板和接口電路板的設計。最后，針對某銅加工廠(chǎng)的諧波及無(wú)功實(shí)際情況，給出該濾波器的具體實(shí)現方案?，F場(chǎng)運行數據表明，設計方案和實(shí)驗裝置有效、可靠。
關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；諧波；數字信號處理器

1 引言
近年來(lái)，隨著(zhù)電力電子設備的發(fā)展。諧波污染日趨嚴重，而用戶(hù)對電能質(zhì)量的要求卻越來(lái)越高。HAPF作為治理諧波的主要技術(shù)之一，因其性?xún)r(jià)比高且工程實(shí)現容易，正日益成為工業(yè)系統有效濾除諧波和無(wú)功補償的首選方案。此處介紹了HAPF的主電路系統結構和設計及其數字控制系統的構成和DSP實(shí)現。最后，針對某企業(yè)諧波和無(wú)功情況，給出了HAPF的具體實(shí)現方法?，F場(chǎng)運行數據表明，提出的設計思路和方案可行。

2 HAPF的主電路結構及原理
圖1示出HAPF系統拓撲，因結構簡(jiǎn)單，安裝容易，占地面積小，適用于低壓系統兼顧大容量無(wú)功補償和動(dòng)態(tài)諧波治理場(chǎng)合，在工業(yè)上應用廣泛。

單純的無(wú)源濾波器(PF)存在濾波特性受電網(wǎng)阻抗影響和容易與電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生串并聯(lián)諧振的缺陷，有源濾波器(APF)受開(kāi)關(guān)器件容量限制，補償無(wú)功能力有限，這里結合現場(chǎng)的無(wú)功和諧波情況，給出了PF加并聯(lián)APF的HAPF實(shí)現方案。因現場(chǎng)工況為6脈波的高頻開(kāi)關(guān)整流負載，功率因數偏低，5次諧波電流偏大，5次單調諧無(wú)源支路降低了系統的PF對低頻信號的放大；11次單調諧無(wú)源支路不僅能夠補償一定量的無(wú)功，對高頻諧波如13，17等次諧波也有濾波效果，所以PF設計為5，11次單調諧，而APF通過(guò)對PWM逆變器的控制，使得逆變器輸出相應的電壓或電流跟蹤期望的參考電壓或電流，實(shí)現諧波治理。

3 關(guān)鍵技術(shù)
3．1 大功率逆變器的選取
功率模塊承擔著(zhù)電網(wǎng)的有功功率轉移和諧波治理。綜合了電力晶體管(GTR)耐高壓、大電流和MOSFET開(kāi)關(guān)頻率高的優(yōu)點(diǎn)，選擇全控型器件絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。實(shí)驗采用FF450R17ME3型IGBT，它采用了改進(jìn)的溝槽柵和場(chǎng)終止技術(shù)，耐流值為450 A，耐壓值為1．7 kV。IGBT模塊的導通和關(guān)斷受柵極驅動(dòng)信號的控制，IGBT正常工作需滿(mǎn)足以下要求：①驅動(dòng)功率滿(mǎn)足要求；②PWM驅動(dòng)信號需預留一定死區時(shí)間；③柵極、有源箝位功能。根據上述要求，此處預選2SP0115T作為FF450R17ME3這個(gè)半橋IGBT模塊的驅動(dòng)器。
3．1．1 驅動(dòng)功率
此處選擇設計的載波頻率為10 kHz，驅動(dòng)器每通道的輸出功率為：
P=fsQg△U (1)
式中：fs為IGBT開(kāi)關(guān)頻率；Qg為IGBT門(mén)極電荷；△U為門(mén)極驅動(dòng)電壓擺幅，等于驅動(dòng)正壓+U與-U之間差值。
根據式(1)和系統參數，驅動(dòng)板選取兩單元2SP0115T，每個(gè)IGBT的驅動(dòng)功率為1 W，保證了應用要求。
3．1．2 死區時(shí)間
設置死區時(shí)間需注意：①死區時(shí)間必須大于IGBT器件關(guān)斷延遲時(shí)間；②對控制效果的影響盡量小。死區時(shí)間過(guò)小不利于IGBT的安全，死區時(shí)間過(guò)大則容易給控制效果和精度帶來(lái)影響，尤其在驅動(dòng)信號開(kāi)關(guān)頻率很高時(shí)影響特別明顯。FF450R17ME3關(guān)斷延遲最大為0．62μs，開(kāi)通延遲為0．22μs，2SP0115T2A驅動(dòng)板的死區時(shí)間本身設置為3μs，可滿(mǎn)足安全要求，此處采用的開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz，開(kāi)關(guān)周期T=0．1 ms，故一個(gè)死區時(shí)間在一個(gè)PWM開(kāi)關(guān)周期內所占比例為3％，因此對控制的精度影響不大。