并聯型有源電力濾波器的設計

孫昱瓊 周國偉

摘 要：近年來，隨著整流器、變頻裝置、電弧爐以及其它電力電子設備等的應用不斷增加，由于這些負荷具有非線性、沖擊性和不平衡的用電特性，引起供電網中的電流（電壓）畸變，產生大量諧波。諧波污染已成為供電系統不容忽視的問題之一，本文設計的有源電力濾波器（APF）是一種用于動態抑制諧波和補償無功功率的新型電力電子裝置.

關鍵詞：諧波;瞬時無功功率理論;有源電力濾波器;智能功率模塊;脈寬調制

1. 并聯有源電力濾波器的主電路結構設計

2 三相三線制有源濾波器主電路工作原理

有源電力濾波器的補償電流是由主電路中直流側電容電壓與交流側電源電壓的差值作用于電感上產生的。主電路的工作情況是由主電路中的6組開關器件的通斷組合決定的。有源電力濾波器工作時通過一定的控制方式控制各橋臂的開關管的通斷，從而控制加在輸出電感兩端的電壓以達到控制補償電流的目的。對于三相橋式變流器其同一橋臂上下開關不能同時開通，因此同一橋臂上下兩開關的控制信號是互補的。通常，同一相的上下兩個開關總有一個期間是導通的。

假設三相電源電壓之和，并根據該電路有，可得到描述主電路工作情況的微分方程如下：

有源電力濾波器主電路中開關器件的通斷，是由采樣時刻處和的極性決定的，其中仍以a相為例，當時，應該使，而時，應該使，從而使減小，達到補償電流跟蹤變化的目的。

3 并聯型有源電力濾波器的硬件結構

圖2為并聯型有源電力濾波器系統硬件整體結構圖.

4負載電流采樣及調理電路

1 ）負載電流采樣

.在本設計中采用LEM公司的LT200P霍爾效應電流傳感器作為負載電流采樣元件，圖 3 為 LT200P 連接圖。

LT200P 的參數：額定電流200A，測量范圍400A，匝數比1：2000，在額定電流下副邊輸出0.1A，總體精度0.4～0.5，帶寬為DC～100kHz，供電電源±15V。在本設計中LT200P自身工作時提供±15V 的電源，其中 M 端為測量端。 M 端與地之間串接采樣電阻。采樣電阻的阻值選取時應保證，原邊電流最大時副邊電流與采樣電阻值的乘積必須在±15V之間。

根據負載采樣電流有效值為200A，因此根據變比以及控制輸出電流的范圍，可以計算出采樣電阻：

2） 負載電流信號調理電路

.本設計中有源電力濾波器主要濾除20次以下的諧波電流，因此在調理電路中加入濾波電路濾除更高次的諧波。實際采用二階Butterworth 低通濾波器。對于濾波器的放大倍數選取為1，截止頻率f=3kHz。圖 4為信號調理電路圖。

首先對濾波器的參數進行設計。該電路中采用了一個同相放大器，由于無源RC電路部分反饋到運放的同相端，因此，它為正反饋。在運算放大器選擇時，選取LM324作為本次設計中的運算放大器。LM324通用型集成四運算放大器是電力電子設備中如今極為常用的運算放大器。LM324具有極好的設計性能，其引腳上下左右對稱，引腳排列甚為好記，所以很受電力電子行業技術工程人員的歡迎。LM324主要參數限制：①單正工作電源電壓U+：6～36V? ②單負工作電源電壓U-：-（6～36）V? ③雙電源工作電源電壓U+：±3～±18V? ④工作溫度范圍：0～70℃。

由于A/D轉換器的模擬數據采樣口允許的電壓幅值為±10V，而被采樣負載電流信號為±15V，所以在檢測電路中需進行適當的處理。經濾波后的信號再經比例、反相電路將信號幅值變換至±10V之間。因此，電路中的反向比例電路應該將放大倍數設定為2/3。反相電路只是起到使信號極性相反，這是因為前面的反相比例電路時信號極性已經反向。由此，根據一些經驗設計，可以確定各個電阻值：

其中是為了保證實際的兩個輸入端對地的等效電阻相等，從而使

運放處于對稱與平衡的工作狀態，減小由輸入偏置電流引入的誤差。故又稱平衡電阻，取。為了防止直流電源的干擾，可以在電源引腳和地之間加一獨石電容（）防止高頻干擾，因此本設計中取電容。

另外，A/D轉換器的模擬數據采樣口對電壓的要求嚴格，所以在信號的輸出端加有限幅電路，由穩壓二極管構成。對于穩壓管的選取，因為所要限定的電壓是±10V，所以按照上面的接法，根據10V電壓限值，選用的穩壓管的型號是2DW4， 主要參數有：穩定電壓10V，穩定電流30mA，最大穩定電流120mA，動態電阻≤4，電壓溫度系數0.03%/℃。

5 直流電壓采樣及調理電路

1） 直流電壓采樣

直流側電壓采樣采用直流電壓傳感器進行采樣。采用LEM公司的電壓傳感器 LV100。LV100為霍爾效應的閉環電壓傳感器，所以有非常良好的原副邊隔離作用，可測的電壓范圍為100V～2500V。

2） 直流電壓調理電路

由于直流電壓采樣的信號要送入到A/D轉換器的模擬輸入口，因此采樣的電流不能直接接到A/D轉換器的模擬輸入口，需要經過調理再送到A/D轉換輸入口。將采樣的信號經二階濾波電路以減小干擾，由于采樣直流信號，濾波器截止頻率可以選取的較低，本設計的濾波器截止頻率為1kHz。

由于采樣的電壓為7.5左右波動，而且在設計任務書中要求電壓波動為2%，所以電壓波動不會超過±10V。因此，在調理電路中只需要濾波電路和限幅電路即可。直流電壓調理電路如圖5所示。

6 A/D轉換電路的設計

在本設計中，A/D轉換采用美國BB公司推出的ADS7824。它一種低功耗4通道12位并行/串行模數轉換芯片。該芯片是一種開關電容式逐次逼近模數轉換芯片，其內部自帶采樣保持器（SHA）、時鐘源、+2.5V參考電壓及與微處理器的并行/串行接口。同時，它還可以在連續轉換模式下對外部4通道模擬輸入信號進行順序轉換。與其它ADC相比，ADS7824具有非常低的功耗和豐富的片上資源，且內部結構緊湊，集成度高，工作性能好，可在-40～80℃范圍內正常工作。

本設計中，D/A轉換芯片采用美信公司的MAX526芯片。MAX526是4路12位、電壓輸出型數模轉換器，與MAX527兼容，采用±5V供電，8位數據總線。數據通過兩次寫操作（低8位LSB，高4，位MSB） 裝入各輸入寄存器，并通過異步裝載DAC輸入信號將輸入寄存器數據裝入DAC寄存器。MAX526 建立時間為3μs、1LSB不可校正誤差的優點，廣泛地應用在數字/增益校正、工業處理控制、自動測試設備等方面。

作者簡介：孫昱瓊 （1978年—），女，河北固安，技師，研究方向：水電廠運行

參考文獻：

1 姜齊榮、趙東元、陳建業，《有源電力濾波器——結構·原理·控制》，北京：科學出版社，2005年10月

2 王兆安、楊君、劉進軍、王躍，《謝波抑制與無功功率補償》，機械工業出版社

3姜齊榮、謝小榮、陳建業，《電力系統并聯補償——結構、原理、控制與應用》，機械工業出版社，2004年8月

4沙占友，《中外集成傳感器實用手冊》，電子工業出版社，2005年9月

5 李華、孫曉民、李紅青、徐平、張新宇，《MCS—51系列單片機實用接口技術》，北京航空航天大學出版社，2004年3月