基于控制回路補(bǔ)償參考電流的APF設(shè)計(jì)方法

　　1 引言

　　隨著變頻器、開關(guān)電源、UPS和電子鎮(zhèn)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越引起人們的重視。

　　消除諧波的傳統(tǒng)方法是在電網(wǎng)中并入無源LC濾波器，但由于無源濾波器消除諧波的范圍有限，隨即出現(xiàn)了與無源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無源濾波器的濾波效果，另一方面，相對于單獨(dú)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(jié)構(gòu)的串聯(lián)型電力濾波器的系統(tǒng)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(shè)計(jì)出了電力有源濾波器的主電路和控制電路。

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其檢測原理

　　簡言之，有源濾波器就是一種用于抑制諧波，補(bǔ)償無功的電力電子裝置。它實(shí)際可以分為兩大部分，即諧波電流檢測電路和補(bǔ)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(fù)載中的諧波電流，據(jù)此由補(bǔ)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(bǔ)償電流。

　　有源電力濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)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無源濾波器構(gòu)成，這組無源濾波器包括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(fù)載之間，在控制電路的控制下，對電網(wǎng)和負(fù)載的諧波進(jìn)行補(bǔ)償。

　　此時(shí)，對于負(fù)載側(cè)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(fù)載諧波電流全部流入無源濾波器支路，達(dá)到提高無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來說明。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)線電流，IC(t)為濾波器輸出電流，iL(t)為非線形負(fù)載電流。

　　將流過非線形負(fù)載的周期性非正弦電流用傅立葉級數(shù)表示成：

　　其中，iL1p(t)為有功電流分量，iL1q(t)為無功電流分量，iLh(t)為高次電流分量。檢測出iL1p(t)用iL(t)減去iL1p(t)即理想?yún)⒖佳a(bǔ)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(jù)此式，可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的檢測電路。

　　3 主控電路及檢測電路的實(shí)現(xiàn)

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

　　在任何設(shè)計(jì)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(jù)電網(wǎng)和負(fù)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(fù)載功率：<6.6 kVA(根據(jù)負(fù)載的參數(shù)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(shè)計(jì)主要是選擇變壓器的變比，考慮到損耗及裕量，系統(tǒng)中的變比n=1，額定電壓為90 V，額定電流為5 A。變壓器應(yīng)能滿足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，需要將其開關(guān)頻率分量濾除后才能接到變壓器上。濾波電路設(shè)計(jì)的原則是能恰好濾除開關(guān)頻率分量，保留輸出所需要的諧波分量。

　　本系統(tǒng)開關(guān)頻率為固定的20 kHz，要求串聯(lián)型電力有源濾波器能補(bǔ)償20次以內(nèi)的諧波，即能無失真地輸出1 kHz以下的補(bǔ)償電壓。根據(jù)濾波環(huán)節(jié)的波特圖，權(quán)衡考慮開關(guān)頻率的濾波、輸出頻率和最小的諧振幅度，確定濾波參數(shù)為L=0.2mH、C=20μF、R=2 Ω。

　　在對功率變換電路的設(shè)計(jì)中，為了簡化工作，選用智能功率模塊(簡稱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(xiàn)智能功率控制的商品化元件。該模塊大多采用密封式結(jié)構(gòu)，以保證良好的電氣絕緣和抗震性能)。

　　智能功率模塊內(nèi)部主要包括欠壓保護(hù)電路、IGBT驅(qū)動電路、過流保護(hù)電路、短路保護(hù)電路、溫度傳感器及過熱保護(hù)電路、門電路和IGBT。IPM內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　本實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)正弦源電路、參考補(bǔ)償電流指令生成電路以及優(yōu)化PWM調(diào)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。

　　模擬開關(guān)主要用于信號的切換，本系統(tǒng)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(yīng)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(fù)載電流相乘，再經(jīng)過濾波后得到負(fù)載有功電流的峰值。濾波器選用低通濾波器，為了減小負(fù)載有功電流峰值波紋，且提高檢測的動態(tài)響應(yīng)速度，濾波器A的轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)的低通濾波器，它們不僅決定檢測的穩(wěn)態(tài)精度，而且決定著檢測的動態(tài)響應(yīng)速度。通過分析可知，不論負(fù)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(bǔ)償參考電流。

　　4 結(jié)束語

　　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(bǔ)償電流控制方法和電路設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的論述，并基于控制回路補(bǔ)償參考電流的檢測方法設(shè)計(jì)了電子電路。理論分析表明，該諧波補(bǔ)償裝置具有良好的諧波補(bǔ)償特性，但對于該裝置的實(shí)效性，還有待通過仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。