基于控制回路補償參考電流的APF設計方法

　　1 引言

　　隨著(zhù)變頻器、開(kāi)關(guān)電源、UPS和電子鎮流器等電子電力裝置的日益普及，容量日益增大，它們對電網(wǎng)所產(chǎn)生的諧波污染也越來(lái)越引起人們的重視。

　　消除諧波的傳統方法是在電網(wǎng)中并入無(wú)源LC濾波器，但由于無(wú)源濾波器消除諧波的范圍有限，隨即出現了與無(wú)源LC濾波器組合使用的串聯(lián)型電力有源濾波器，一方面，它能夠較好地改善LC無(wú)源濾波器的濾波效果，另一方面，相對于單獨使用的有源濾波器而言，其裝置容量也得到大大的降低。本文對這一結構的串聯(lián)型電力濾波器的系統特性和控制方法進(jìn)行探討，并基于信號時(shí)域正交特性的參考指令電流優(yōu)化PWM檢測方法，設計出了電力有源濾波器的主電路和控制電路。

　　2 系統結構及其檢測原理

　　簡(jiǎn)言之，有源濾波器就是一種用于抑制諧波，補償無(wú)功的電力電子裝置。它實(shí)際可以分為兩大部分，即諧波電流檢測電路和補償電流控制電路。其中，諧波電流檢測電路能實(shí)時(shí)檢測出負載中的諧波電流，據此由補償電流控制電路得出指令信號，并控制變流器產(chǎn)生所需的補償電流。

　　有源電力濾波器系統結構如圖1所示，系統主要由一個(gè)小容量的串聯(lián)型有源電力濾波器和一組LC無(wú)源濾波器構成，這組無(wú)源濾波器包括5、7次諧波濾波器和高通濾波器，串聯(lián)型有源濾波器主要由三相電壓源型PWM逆變器和控制電路組成，串聯(lián)型有源電力濾波器經(jīng)變壓器耦合，串接在電網(wǎng)和負載之間，在控制電路的控制下，對電網(wǎng)和負載的諧波進(jìn)行補償。

　　此時(shí)，對于負載側的諧波電流源，有源濾波器被控制為一個(gè)等效諧波阻抗，它可使無(wú)源和有源濾波器的總串聯(lián)諧波阻抗對各次諧波都為零，從而使所有的負載諧波電流全部流入無(wú)源濾波器支路，達到提高無(wú)源濾波器濾波效果的目的。

　　此電力有源濾波器的檢測原理可以用圖2來(lái)說(shuō)明。其中Us(t)為電網(wǎng)電壓，Ui(t)為有源濾波器的輸出電壓，is(t)為電網(wǎng)進(jìn)線(xiàn)電流，IC(t)為濾波器輸出電流，iL(t)為非線(xiàn)形負載電流。

　　將流過(guò)非線(xiàn)形負載的周期性非正弦電流用傅立葉級數表示成：

　　其中，iL1p(t)為有功電流分量，iL1q(t)為無(wú)功電流分量，iLh(t)為高次電流分量。檢測出iL1p(t)用iL(t)減去iL1p(t)即理想參考補償電流ic*(t)。

　　按照圖2，基于信號時(shí)域正交特性的參考指令電流優(yōu)化PWM檢測方法，可以得到：

　　根據此式，可以實(shí)現相應的檢測電路。

　　3 主控電路及檢測電路的實(shí)現

　　串聯(lián)型電力有源濾波器所采用的主電路結構通常分為一個(gè)三相逆變橋或三個(gè)單相逆變橋。本系統主控電路采用一個(gè)三相逆變橋的拓撲結構。其中包括電力電子器件、直流側電容、輸出濾波電路、變壓器等幾部分，其結構如圖3所示。

　　在任何設計之前確定器件的額定工作條件是很有必要并且很重要的，本文首先根據電網(wǎng)和負載的工作狀況，確定了串聯(lián)型電力有源濾波器的額定工作條件：

　　電源電壓：380 V

　　負載功率：<6.6 kVA(根據負載的參數確定)

　　主電路電流：<10A

　　串聯(lián)電力有源濾波器的額定容量：>2 kVA

　　變壓器設計主要是選擇變壓器的變比，考慮到損耗及裕量，系統中的變比n=1，額定電壓為90 V，額定電流為5 A。變壓器應能滿(mǎn)足1kHz以下正常工作的要求。

　　功率電路的輸出是頻率很高的方波，需要將其開(kāi)關(guān)頻率分量濾除后才能接到變壓器上。濾波電路設計的原則是能恰好濾除開(kāi)關(guān)頻率分量，保留輸出所需要的諧波分量。

　　本系統開(kāi)關(guān)頻率為固定的20 kHz，要求串聯(lián)型電力有源濾波器能補償20次以?xún)鹊闹C波，即能無(wú)失真地輸出1 kHz以下的補償電壓。根據濾波環(huán)節的波特圖，權衡考慮開(kāi)關(guān)頻率的濾波、輸出頻率和最小的諧振幅度，確定濾波參數為L(cháng)=0.2mH、C=20μF、R=2 Ω。

　　在對功率變換電路的設計中，為了簡(jiǎn)化工作，選用智能功率模塊(簡(jiǎn)稱(chēng)IPM，它是采用微電子技術(shù)和先進(jìn)的制造工藝，將智能功率集成電路與微電子器件及外圍功率器件組裝成一體，能實(shí)現智能功率控制的商品化元件。該模塊大多采用密封式結構，以保證良好的電氣絕緣和抗震性能)。

　　智能功率模塊內部主要包括欠壓保護電路、IGBT驅動(dòng)電路、過(guò)流保護電路、短路保護電路、溫度傳感器及過(guò)熱保護電路、門(mén)電路和IGBT。IPM內部結構如圖4所示。

　　本實(shí)驗裝置采用三相的TPM模塊7MBP75RA-1200。其耐壓為1200 V，電流為75 A。

　　檢測電路實(shí)際上可分為標準正弦源電路、參考補償電流指令生成電路以及優(yōu)化PWM調制電路三部分。其中，放大器采用CA3140，鎖相倍頻電路采用了4046和4040。所謂鎖相環(huán)，即輸出信號頻率與輸入信號頻率相等，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值。在鎖相環(huán)路的反饋通道中接入分頻器，即得鎖相倍頻電路。如圖5所示。

　　模擬開(kāi)關(guān)主要用于信號的切換，本系統的傳輸信號變化極快，對切換速度要求高，故采用MAXIM公司的8路集成模擬開(kāi)關(guān)MAX308，可單電源和雙電源供電，在單電源工作模式下，其電壓范圍是4.5V～30 V。MAX308的應用電路如圖6所示。

　　輸出的PWM信號經(jīng)低通濾波后得到與電網(wǎng)電壓同步的基波參考信號，該信號與負載電流相乘，再經(jīng)過(guò)濾波后得到負載有功電流的峰值。濾波器選用低通濾波器，為了減小負載有功電流峰值波紋，且提高檢測的動(dòng)態(tài)響應速度，濾波器A的轉折頻率取為電網(wǎng)頻率的十分之一。整個(gè)檢測電路的性能取決于所設計的低通濾波器，它們不僅決定檢測的穩態(tài)精度，而且決定著(zhù)檢測的動(dòng)態(tài)響應速度。通過(guò)分析可知，不論負載電流的波形如何變化，檢測電路均可以快速精確地得到補償參考電流。

　　4 結束語(yǔ)

　　本文對串聯(lián)型有源電力濾波器進(jìn)行了探討，對該裝置的諧波電流檢測方法、補償電流控制方法和電路設計做了詳細的論述，并基于控制回路補償參考電流的檢測方法設計了電子電路。理論分析表明，該諧波補償裝置具有良好的諧波補償特性，但對于該裝置的實(shí)效性，還有待通過(guò)仿真實(shí)驗進(jìn)一步驗證。