有源电力滤波器设计

O 引言
    近年来，公用电网受到了谐波电流和谐波电压的严重污染，而电力电子装置是其主要的谐波污染源。随着电力电子装置的日益广泛应用，电网中的谐波污染也日益严重，并影响到供电质量和用户使用的安全性，因此电网谐波污染的治理越来越受到关注。
    有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功功率的新型电力电子装置，能对大小和频率都变化的谐波及无功功率进行补偿。和传统的无源滤波器相比，有突出的优点。
    (1)对各次谐波和分数谐波均能有效地抑制，且可提高功率因数；
    (2)系统阻抗和频率发生波动时，不会影响补偿效果。并能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响；
    (3)不会产生谐振现象，且能抑制由于外电路的谐振产生的谐波电流的变化；
    (4)用一台装置就可以实现对各次谐波和基波无功功率的补偿；
    (5)不存在过载问题，即当系统中谐波较大时，装置仍可运行，无需断开等。
    由以上可看出，它克服了传统的无源滤波器的缺点，具有良好的调节性能，因而有很大的发展前途。
    本文对适用于电力系统的有源电力滤波器的原理和设计进行介绍。

l 有源电力滤波器系统结构
    有源电力滤波器系统结构如图l所示。

    有源电力滤波器的基本工作原理是：实时检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算单元计算出补偿电流指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大产生补偿电流，补偿电流与负载电流中需用补偿的谐渡及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。在图1中的体现是，当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象负载电流iL中的谐波分量iLb后，将其反极性作为补偿电流的指令信号iC*，再由补偿电流发生电路产生补偿电流ic，其中补偿电流ic与负载电流中谐波分量iLh大小相等，方向相反，因而两者相互抵消，使得电源中电流中只含基波，达到消除电源电流中谐波的目的。
    图1为有源滤波器的系统框图。通过霍尔传感器检测非线性负载的电流iLa、iLb、iLc经电流信号调理后送入指令电流产生电路，指令电流产生模块是由TI公司的DSP TMS320LF2407为核心建立的。DSP计算出需要补偿的谐波和无功电流后，通过外部D／A送入电流跟踪控制电路。霍尔传感器检测有源电力滤波器主电路的电流ica、icb、icc，经电流信号调理后也送入电流跟踪控制电路，电流跟踪控制电路对主电路补偿电流与指令电流进行滞环比较后送出栅极开关驱动信号，驱动电路接受来自前级电流跟踪控制电路的PWM信号，并经隔离放大后驱动主电路的开关管，以控制主电流的电路跟随指令电流的变化，最终达到实时补偿谐波与无功功率的目的。电压传感器检测变流器直流侧总电压，经电压信号调理后送入指令电流发生电路，通过合理的控制以凋节直流侧电压的稳定。启动、关断和保护模块按一定的时序控制装置的启动和关断，并提供装置的过流、过压、过热、缺相等故障保护功能。

2 有源电力滤波器主电路设计
    设计主电路时，应首先确定主电路的形式，目前，有源电力滤波器主电路的形式绝大多数采用电压型，本文选择主电路为并联电压型、单个变流器的形式。
    主电路设计需要解决的问题是：主电路容量的计算；开关器件的选择及其参数的确定；对补偿电流的跟踪特性起决定作用的参数(输出电感L、直流侧电容电压Ud、滞环宽度δ)的设计；按所选器件要求的驱动电路的设计以及整个装置的各种保护电路设计。
2．1 主电路容量的计算
    有源电力滤波器的容量SA由式(1)确定

   
式中：E为电网相电压有效值；
    Lc为补偿电流有效值。
    如果所设计装置的容量为15 kVA，则

    Ic=SA/3E=15x103/3x220=22．7 A
2．2 功率开关器件的选取
    目前适用于APFP中的全控型开关器件主要有GTR、IGBT、IGCT等，器件的选择，首先应当满足工作频率和器件容量的要求，当单个器件的容量难以满足要求时，可考虑采用器件的串并联或主电路多重化等方式。其次，再考虑它们的价格。
    器件的种类确定后，再确定其额定参数。其中，额定电压由直流侧电压决定，并考虑适当的安全裕量。额定电流由补偿电流决定。
2.3 主电路滞环宽度的选取
    由于有源电力滤波器的指令电流包含高次谐波和暂态电流，故要求实际输出的电流对指令电流有很高的跟踪能力。在有源电力滤波器的补偿对象已确定的情况下，有源电力滤波器主电路参数的选取，对有源电力滤波器的性能和效率有较大的影响。
    下面以A相为例，分析采用滞环控制时逆变器的工作频率f与电网电压ea、变流器直流侧电压Ud及主电路电感值和滞环宽度δ间的相互关系。
    对于A相半桥逆变电路，可得电路方程为

式(6)为正，即电感电流在上升。
    设UC1=UC2=Ud/2，假定逆变器的工作开关频率较高，在一个开关周期内可认为电压ea基本不变，则滞环控制时补偿电流的波形如图2所示，其中δ为滞环宽度。

    由图2，以及式(4)和式(6)，可分别计算出电流的上升时间Tu和下降时间Td，即

    由式(9)知，逆变器的最小工作频率和最大工作频率分别为

    取电流滞环宽度δ为1．2A，直流侧电压Ud为l000V，主电路电感L为5mH，则由上述公式可得：最小开关频率为12．767 kHz，最大开关频率为20．833kHz，平均开关频率16．8 kHz。
2．4 直流侧电压的计算和电容的选取
    主电路的工作模式及相应的开关系数，如表1所列，等效电路图如图3所示。

    当Ka=-1/3时，电流ica上升，即要求如果直流侧电压不能满足大于有源电力滤波器与供电系统连接点的相电压峰伉(Em)的3倍，即

就不会永远成立，这是不希望出现的。
    同理，当Ka=1／3时，电流ica下降，即要求

   
也不会永远成立。
    所以直流侧电压应满足如下条件，即

   
    意味着主电路直流侧电压值应大于有源电力滤波器与供电系统连接点的相电压峰值(Em)的3倍。在此基础上，直流侧电压值越大，补偿电流的跟随性能越好，但器件的耐压要求也就越高，因此要综合考虑。
    由式(15)，得

   
    由此可选取直流侧参考电压Udref为1000V。
    有源电力滤波器在实际运行时很难将主电路直流侧电压控制在某一恒定值，直流侧电压波动的根本原因在于补偿电流在交流电源与有源电力滤波器之间的能量脉动。若电容值选择过小。主电路直流侧电压波动就会过大，影响有源电力滤波器的补偿效果；而若电容值选择过大，则主电路直流侧电压动态响应变慢，电容体积和价格也会增加。因此必须综合考虑，合理选择。
    假设在某一PwM周期内电容始终处于充电或放电状态，直流侧电容电压最大允许偏离设定值为△Udmax，则

2．5 输出电感值的选取
    电压型有源滤波器的补偿特性丰要取决于输出补偿电流对于补偿指令电流的跟踪控制能力。而输出电感值直接决定了补偿电流的跟踪速度，从而很大程度地影响电力有源滤波器的工作性能。电感值过大，则系统不能适时跟踪指令电流信号，而且电感值的增大也会造成设备成本的增加；反之。如果太小，则补偿后的纹波电流过大。因此，设计时必须合理选择主电路交流侧输出电感值。
2．5．1 电感的最大取值
    由主电路的模型，对于A相有

式(23)中，对于不同的谐波源和不同的补偿要求，指令电流ica*是不同的，其最大电流变化率与补偿参考电流的具体表达形式密切相关。其经验公式为

2．5．2 电感的最小取值
    如果电感取值太小，则会使补偿电流的纹波过大，影响有源电力滤波器的补偿效果。因此，电感的最小值主要由主电路开关器件所产牛的纹波决定，电感的作用是将其在补偿电流上产生的纹波限定在一定范围内。若有源电力滤波器的实际输出电流偏离指令电流的最大允许值为△imax，则

    因而可以根据式(23)和式(29)，并结合实际情况对交流侧电感值进行选取和调整，从而选择合适的电感值。

3 结语
    本文分析了有源电力滤波器的系统结构和工作原理，对其主电路的参数设计给出了理论上的依据，讨论了采用滞环控制时电网电压、变流器工作频率、直流侧电压及主电路电感值和滞环宽度间的相互关系。