基于控制回路补偿参考电流的APF设计方法

　　1 引言

　　随着变频器、开关电源、UPS和电子镇流器等电子电力装置的日益普及，容量日益增大，它们对电网所产生的谐波污染也越来越引起人们的重视。

　　消除谐波的传统方法是在电网中并入无源LC滤波器，但由于无源滤波器消除谐波的范围有限，随即出现了与无源LC滤波器组合使用的串联型电力有源滤波器，一方面，它能够较好地改善LC无源滤波器的滤波效果，另一方面，相对于单独使用的有源滤波器而言，其装置容量也得到大大的降低。本文对这一结构的串联型电力滤波器的系统特性和控制方法进行探讨，并基于信号时域正交特性的参考指令电流优化PWM检测方法，设计出了电力有源滤波器的主电路和控制电路。

　　2 系统结构及其检测原理

　　简言之，有源滤波器就是一种用于抑制谐波，补偿无功的电力电子装置。它实际可以分为两大部分，即谐波电流检测电路和补偿电流控制电路。其中，谐波电流检测电路能实时检测出负载中的谐波电流，据此由补偿电流控制电路得出指令信号，并控制变流器产生所需的补偿电流。

　　有源电力滤波器系统结构如图1所示，系统主要由一个小容量的串联型有源电力滤波器和一组LC无源滤波器构成，这组无源滤波器包括5、7次谐波滤波器和高通滤波器，串联型有源滤波器主要由三相电压源型PWM逆变器和控制电路组成，串联型有源电力滤波器经变压器耦合，串接在电网和负载之间，在控制电路的控制下，对电网和负载的谐波进行补偿。

　　此时，对于负载侧的谐波电流源，有源滤波器被控制为一个等效谐波阻抗，它可使无源和有源滤波器的总串联谐波阻抗对各次谐波都为零，从而使所有的负载谐波电流全部流入无源滤波器支路，达到提高无源滤波器滤波效果的目的。

　　此电力有源滤波器的检测原理可以用图2来说明。其中Us(t)为电网电压，Ui(t)为有源滤波器的输出电压，is(t)为电网进线电流，IC(t)为滤波器输出电流，iL(t)为非线形负载电流。

　　将流过非线形负载的周期性非正弦电流用傅立叶级数表示成：

　　其中，iL1p(t)为有功电流分量，iL1q(t)为无功电流分量，iLh(t)为高次电流分量。检测出iL1p(t)用iL(t)减去iL1p(t)即理想参考补偿电流ic*(t)。

　　按照图2，基于信号时域正交特性的参考指令电流优化PWM检测方法，可以得到：

　　根据此式，可以实现相应的检测电路。

　　3 主控电路及检测电路的实现

　　串联型电力有源滤波器所采用的主电路结构通常分为一个三相逆变桥或三个单相逆变桥。本系统主控电路采用一个三相逆变桥的拓扑结构。其中包括电力电子器件、直流侧电容、输出滤波电路、变压器等几部分，其结构如图3所示。

　　在任何设计之前确定器件的额定工作条件是很有必要并且很重要的，本文首先根据电网和负载的工作状况，确定了串联型电力有源滤波器的额定工作条件：

　　电源电压：380 V

　　负载功率：<6.6 kVA(根据负载的参数确定)

　　主电路电流：<10A

　　串联电力有源滤波器的额定容量：>2 kVA

　　变压器设计主要是选择变压器的变比，考虑到损耗及裕量，系统中的变比n=1，额定电压为90 V，额定电流为5 A。变压器应能满足1kHz以下正常工作的要求。

　　功率电路的输出是频率很高的方波，需要将其开关频率分量滤除后才能接到变压器上。滤波电路设计的原则是能恰好滤除开关频率分量，保留输出所需要的谐波分量。

　　本系统开关频率为固定的20 kHz，要求串联型电力有源滤波器能补偿20次以内的谐波，即能无失真地输出1 kHz以下的补偿电压。根据滤波环节的波特图，权衡考虑开关频率的滤波、输出频率和最小的谐振幅度，确定滤波参数为L=0.2mH、C=20μF、R=2 Ω。

　　在对功率变换电路的设计中，为了简化工作，选用智能功率模块(简称IPM，它是采用微电子技术和先进的制造工艺，将智能功率集成电路与微电子器件及外围功率器件组装成一体，能实现智能功率控制的商品化元件。该模块大多采用密封式结构，以保证良好的电气绝缘和抗震性能)。

　　智能功率模块内部主要包括欠压保护电路、IGBT驱动电路、过流保护电路、短路保护电路、温度传感器及过热保护电路、门电路和IGBT。IPM内部结构如图4所示。

　　本实验装置采用三相的TPM模块7MBP75RA-1200。其耐压为1200 V，电流为75 A。

　　检测电路实际上可分为标准正弦源电路、参考补偿电流指令生成电路以及优化PWM调制电路三部分。其中，放大器采用CA3140，锁相倍频电路采用了4046和4040。所谓锁相环，即输出信号频率与输入信号频率相等，输出电压与输入电压保持固定的相位差值。在锁相环路的反馈通道中接入分频器，即得锁相倍频电路。如图5所示。

　　模拟开关主要用于信号的切换，本系统的传输信号变化极快，对切换速度要求高，故采用MAXIM公司的8路集成模拟开关MAX308，可单电源和双电源供电，在单电源工作模式下，其电压范围是4.5V～30 V。MAX308的应用电路如图6所示。

　　输出的PWM信号经低通滤波后得到与电网电压同步的基波参考信号，该信号与负载电流相乘，再经过滤波后得到负载有功电流的峰值。滤波器选用低通滤波器，为了减小负载有功电流峰值波纹，且提高检测的动态响应速度，滤波器A的转折频率取为电网频率的十分之一。整个检测电路的性能取决于所设计的低通滤波器，它们不仅决定检测的稳态精度，而且决定着检测的动态响应速度。通过分析可知，不论负载电流的波形如何变化，检测电路均可以快速精确地得到补偿参考电流。

　　4 结束语

　　本文对串联型有源电力滤波器进行了探讨，对该装置的谐波电流检测方法、补偿电流控制方法和电路设计做了详细的论述，并基于控制回路补偿参考电流的检测方法设计了电子电路。理论分析表明，该谐波补偿装置具有良好的谐波补偿特性，但对于该装置的实效性，还有待通过仿真实验进一步验证。