大容量有源電力濾波器的研究與設計

孫曙光， 王秋萌， 杜太行， 金少華

(1.河北工業大學控制科學與工程學院，天津300130；2.河北工業大學理學院，天津300130)

大容量有源電力濾波器的研究與設計

孫曙光1， 王秋萌1， 杜太行1， 金少華2

(1.河北工業大學控制科學與工程學院，天津300130；2.河北工業大學理學院，天津300130)

針對大容量有源電力濾波器(APF)的研究與設計，首先基于自適應原理的諧波檢測方法，提出采取一種新的變步長LMS諧波檢測算法，仿真結果證明該檢測方法不僅具有很快的動態響應速度，還具有很好的精度；在此基礎上繼而對APF的關鍵硬件設計進行分析，并闡述了大容量APF主電路功率器件的選擇以及主電路的布局設計；最后根據實際需要基于LabVIEW設計了APF的遠程控制軟件，實現了APF整機的研究與設計。實際補償效果測試也證明了有源電力濾波器軟件算法與關鍵硬件部分設計的合理性。

有源電力濾波器；變步長；主電路；LabVIEW

有源電力濾波器(APF)作為抑制諧波和補償無功的新型電力電子裝置，有效改善了電網的電能質量，是一種比較理想的濾波裝置，目前已經進入工業應用階段[1-3]。

對于有源電力濾波器來說諧波電流檢測和電流跟蹤控制一直是影響其性能的兩個關鍵環節，本文即基于自適應檢測方法[4]，力求找到一種算法既有較高的檢測精度，又具有很快的動態響應速度。

有源電力濾波器主控制器外圍信號處理電路、同步電路、驅動電路等對其運行以及補償效果是很關鍵的，尤其是針對大功率有源電力濾波器其主電路功率器件的選擇以及主電路的布局也是非常關鍵的，所以本文結合上述內容對100 kVA有源電力濾波器進行研究與設計，并根據實際需要開發了遠程監控系統。

圖1 APF系統結構圖

1 有源電力濾波器構成方案

所研制的并聯型三相三線制有源電力濾波器組成如圖1所示，實驗系統的主控芯片為TMS320F2812DSP芯片，完成檢測與補償控制功能。外圍電路實現信號調理、同步觸發、光纖隔離與IGBT驅動、故障保護等功能，電力參數儀配合實現補償前后系統參數監測，觸摸屏實現現場數據顯示與參數設置，遠程監控主機采取RS485通信方式，實現與電力參數檢測儀以及DSP數據傳輸，完成遠程監控功能。

2 有源電力濾波器檢測方法研究

基于自適應干擾對消原理[5]，三相有源電力濾波器諧波檢測原理如圖2所示。為簡單起見，以A相為例，其余兩相原理相同，在圖2中，sin(2 π)與cos(2 π)是與A相電源電壓同相和正交的單位正余弦信號，根據正弦函數的正交特性，二者分別與()中的有功與無功電流相關，而與()不相關，通過如式(2)的LMS自適應算法，可以提取負載電流的有功分量和無功分量，把這兩個分量從負載電流中減去，得到諧波分量。

圖2 諧波檢測原理圖

實際檢測中為提高檢測性能與效果，采取變步長因子，表1中分別總結了目前的一些常用的變步長算法[6-8]。本文所提出的變步長算法，如方法4所示。

表1 變步長算法

研究發現方法1易受噪聲的干擾，對于諧波檢測干擾噪聲所占的比例大，故應用此方法效果不是很好。對于方法2，在負載電流發生變化時，跟蹤效果較差[7]。

為此本文主要對方法3、方法4在有源電力濾波器諧波檢測中的效果進行了對比分析。在Matlab/Simulink環境下建立仿真模型，仿真中采樣速率為10 kHz，min取0.005，max取0.2，α取0.9，β取0.99，γ取1×10-10，步長初值為min，權值初值為0。電壓和電流的波形如圖3所示。

圖3 電壓電流波形

圖4與圖6中虛線為基波電流及權值的理論計算值，可以看出方法4的步長在較大范圍內跟隨負載電流的變化，并且權值收斂速度快，到達穩態后波動也很小，所以該算法檢測速度比方法3快，在半個周波內使檢測值跟蹤上理論值。該算法編程簡單，有利于DSP編程實現。

圖4 檢測結果

圖5 方法4步長

圖6 方法4權值變化

3 有源電力濾波器硬件電路設計

3.1 關鍵外圍硬件電路設計

(1)電流調理電路設計

電流調理電路設計如圖7所示。電流傳感器選用LT-308型霍爾電流傳感器。

圖7 電流調理電路原理圖

本調理電路分濾波、電壓偏置、跟隨器三部分。抗混疊濾波功能是濾除輸入信號可能攜帶的高頻干擾信號，本文中濾波器采用二階Butterworth低通濾波器，截止頻率約為7 kHz。

(2)同步觸發電路設計

有源電力濾波器正常工作，需要對電網信號進行同步采樣，并獲取補償時基。該電路由電壓過零檢測電路和鎖相環電路等組成，電壓過零檢測電路如圖8所示，輸出接CD4046。

圖8 電壓過零檢測電路

本文采用軟件鎖相倍頻的方法，通過軟件檢測工頻信號的頻率，根據采樣點數，在DSP內采用軟件定時中斷的形式啟動AD轉換。可將CD4046的3腳和4腳直接相連，不接CD4040計數器。如圖9所示，信號由鎖相環電路輸出后，送給DSP的CAP口，在CAP中斷中可實現計算電源電壓的周期。CD4046使用鑒相器Ⅰ，相比于鑒相器Ⅱ，它更易于穩定，可是常常會在輸入輸出之間產生一固定相位差，這個問題可以通過調節低通濾波器減小，也可以在軟件中進行修正。

圖9 鎖相環電路

(3)驅動接口設計與驅動模塊選取

由于TMS320F2812的PWM模塊發出的信號為幅值0～3 V的PWM波，而主電路功率開關器件IGBT的驅動信號為幅值0～15 V的PWM波，且前者是弱電信號，后者連接強電電路，光纖電路必不可少，可實現強弱電之間的隔離，保護控制電路，抑制高壓電路對控制電路的干擾。選用安捷侖(Agilent)公司的塑料光纖HFBR-1521光發送器與HFBR-2521光接收器，光纖連接如圖10所示，包含光發送器HFBR-1521、傳輸光纖、光接收器HFBR-2521三部分。

圖10 光纖連接圖

CD4093輸出接瑞士CT-Concept技術有限公司生產的高壓IGBT的專用集成驅動器2SD315A驅動電路。SCALE驅動器2SD315A是一個用于功率MOSFET和IGBT的雙通道驅動。2SD315A結合緊湊的機械尺寸和簡潔的電氣界面，具有非常高的輸出電流、高的驅動功率和高絕緣能力。

3.2 主電路選型與布局設計

(1)直流側電容值的選取

本文選擇EPCOS公司的電解電容，型號為B43310-A5688-M，容值6 800 μF，耐壓值450 V。為滿足補償容量和耐壓等級，選擇了6個電容，三個串聯再并聯后組成電容器組(4 500 μF/1 350 V)。

此外由于多個電容串聯，要進行電容器均壓設計，加入均壓電阻，本文在電容器組里對每個電容都加均壓電阻，這樣雖然增加了成本，卻提高了系統可靠性和安全性。通過對均壓電阻的計算和市場上電阻的型號，選用8 kΩ的電阻，均壓電阻取得太大，起不到均壓作用，均壓電阻取得太小，電阻的功耗太大，所以要適當選取。

(2)交流側電感設計

交流側電感參數一般由經驗公式計算：

(3)主電路的布局設計

由于主電路寄生電感越大、IGBT過電壓越大。因此大功率電路要求母線電感、緩沖電路及其元件內的雜散電感越小越好。經過實驗，主電路疊層母排采用工字型。母排結構外形美觀，器件布局緊湊，安裝空間減小；功率回路寄生的雜散電感也小，即保證了器件安全。

4 遠程監控系統設計

遠程監控系統主要是通過工控機與APF控制器DSP以及電力參數監測儀通信來實現。在工控機上采用現在非常流行的LabVIEW軟件來進行設計[10]。它們之間是通過485總線進行連接的。工控機通過串口分別向電力參數監測儀和DSP發送指令，從而實現數據的讀取和對DSP中參數的設置，如圖11中所示。

圖11 遠程監控界面

遠程控制系統可以顯示電壓、電流、頻率、功率、功率因數、諧波電流含有率、電流電壓畸變率和諧波電流含有率的柱狀圖，圖11給出了部分功能。

5 實際補償測試效果分析

為進一步對整機性能進行測試，通過PROVA6800諧波分析儀對補償效果進行測試。如圖12所示，(a)為負載電流波形，由頻譜分析看出，基波電流為46 A，主要含有5、7、11次諧波，TDH=25.9%，由(b)可以看到經過APF補償后，電網電流基本上為標準的正弦波，畸變率達到5%，符合國家標準要求，基波電流為42 A，5次以上諧波基波消失。

圖12 補償效果分析

6 結論

仿真結果的波形數據證明所提出的變步長LMS諧波檢測算法具有很快的動態響應速度，還具有很好的精度；同時諧波分析儀的測試數據也證明了所設計的有源電力濾波器對諧波補償的有效性，表明了軟件算法與關鍵硬件部分設計的合理性。在此基礎上，工業現場的滿負荷運行性能測試、有源電力濾波器工作效率分析、在已經具備過壓、過流、過熱保護的基礎上針對現場運行的實際需要設計更加完善合理的故障保護措施是需要努力的方向。

[1]劉繼全，張茂松.基于瞬時無功功率理論的新型諧波檢測法[J].電測與儀表，2012,49(10):29-31.

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《太陽能利用原理·技術·工程》

本書全面介紹了太陽能利用技術，分為原理篇、技術篇、工程篇三部分，共15章。原理篇介紹太陽能利用的基礎知識，以及太陽能工程的光學設計原理和傳熱分析原理，這是一切太陽能利用技術所共同需要的基礎；技術篇講述光熱轉換技術、光伏轉換技術、光化學制氫轉換技術、太陽能表面技術、太陽能材料、太陽能儲存等，涵蓋了太陽能利用的光熱、光伏和光化學制氫三大主題，目的是構建太陽能利用的工程技術基礎；工程篇講述太陽能熱利用工程、溫室工程、熱動力發電工程、光伏發電工程、生態工程等，詳細介紹各種太陽能利用專項工程的設計與分析，最后收尾到工程經濟分析。

Research and design of active power filter with large power

Aiming at the research and design of large power active power filter(APF),first of all,basing on the adaptive harmonic detection method,a new variable step size LMS harmonic detection algorithm was put forward. Simulation result shows that the method not only has fast dynamic response speed,but also has good precision.On the basis,the key hardware design of APF was analyzed,and the devices selection and layout design of main circuit were elaborated.According to the actual need,the remote control software basing on LabVIEW was designed. Finally the research and design of APF were completed. Actual compensation effect test also proves that the software algorithm and key part design of hardware are rational.

active power filter;variable step size;main circuit;LabVIEW

TM 464

A

1002-087 X(2015)10-2284-04

2015-03-27

河北省教育廳科學研究計劃項目(Z2008308)；河北工業大學博士科研啟動費資助項目

孫曙光(1979—)，男，河北省人，博士，副教授，主要研究方向為諧波檢測與補償技術。

孫曙光