關鍵詞：有源電力濾波器；指令電流；鎖相倍頻
1 引言
隨著變頻器、開關電源、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，它們對電網所產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，隨即出現了與無源LC濾波器組合使用的串聯型電力有源濾波器，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型電力濾波器的系統(tǒng)特性和控制方法進行探討，并基于信號時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(tǒng)結構及其檢測原理
簡言之，有源濾波器就是一種用于抑制諧波，補償無功的電力電子裝置。它實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時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，并控制變流器產生所需的補償電流。
有源電力濾波器系統(tǒng)結構如圖1所示，系統(tǒng)主要由一個小容量的串聯型有源電力濾波器和一組LC無源濾波器構成，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，串聯型有源電力濾波器經變壓器耦合，串接在電網和負載之間，在控制電路的控制下，對電網和負載的諧波進行補償。
此時，對于負載側的諧波電流源，有源濾波器被控制為一個等效諧波阻抗，它可使無源和有源濾波器的總串聯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源濾波器支路，達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)為電網電壓，Ui(t)為有源濾波器的輸出電壓，is(t)為電網進線電流，ic(t)為濾波器輸出電流，iL(t)為非線形負載電流。
將流過非線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，可以實現相應的檢測電路。
3 主控電路及檢測電路的實現
串聯型電力有源濾波器所采用的主電路結構通常分為一個三相逆變橋或三個單相逆變橋。本系統(tǒng)主控電路采用一個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，本文首先根據電網和負載的工作狀況，確定了串聯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(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關頻率分量，保留輸出所需要的諧波分量。
本系統(tǒng)開關頻率為固定的20 kHz，要求串聯型電力有源濾波器能補償20次以內的諧波，即能無失真地輸出1 kHz以下的補償電壓。根據濾波環(huán)節(jié)的波特圖，權衡考慮開關頻率的濾波、輸出頻率和最小的諧振幅度，確定濾波參數為L=0.2mH、C=20μF、R=2 Ω。
在對功率變換電路的設計中，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和先進的制造工藝，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驅動電路、過流保護電路、短路保護電路、溫度傳感器及過熱保護電路、門電路和IGBT。IPM內部結構如圖4所示。
本實驗裝置采用三相的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。
模擬開關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信號經低通濾波后得到與電網電壓同步的基波參考信號，該信號與負載電流相乘，再經過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，且提高檢測的動態(tài)響應速度，濾波器A的轉折頻率取為電網頻率的十分之一。整個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(wěn)態(tài)精度，而且決定著檢測的動態(tài)響應速度。通過分析可知，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
本文對串聯型有源電力濾波器進行了探討，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，但對于該裝置的實效性，還有待通過仿真實驗進一步驗證.
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