混合型有源電力濾波器設(shè)計及其工程應用

摘要：此處以工程應用為背景，研究了一種適用于低壓大電流整流系統(tǒng)的混合型有源電力濾波器(HAPF)給出了該結(jié)構(gòu)的主電路及原理說明，介紹了從驅(qū)動功率、死區(qū)時間和箝位保護3個方向選擇大功率模塊，從電平轉(zhuǎn)換到光纖傳輸實現(xiàn)觸發(fā)，采用熱管技術(shù)以及基于DSP控制系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計，包括DSP TMS320F2812控制板和接口電路板的設(shè)計。最后，針對某銅加工廠的諧波及無功實際情況，給出該濾波器的具體實現(xiàn)方案。現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)表明，設(shè)計方案和實驗裝置有效、可靠。
關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；諧波；數(shù)字信號處理器

1 引言
近年來，隨著電力電子設(shè)備的發(fā)展。諧波污染日趨嚴重，而用戶對電能質(zhì)量的要求卻越來越高。HAPF作為治理諧波的主要技術(shù)之一，因其性價比高且工程實現(xiàn)容易，正日益成為工業(yè)系統(tǒng)有效濾除諧波和無功補償?shù)氖走x方案。此處介紹了HAPF的主電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計及其數(shù)字控制系統(tǒng)的構(gòu)成和DSP實現(xiàn)。最后，針對某企業(yè)諧波和無功情況，給出了HAPF的具體實現(xiàn)方法。現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)表明，提出的設(shè)計思路和方案可行。

2 HAPF的主電路結(jié)構(gòu)及原理
圖1示出HAPF系統(tǒng)拓撲，因結(jié)構(gòu)簡單，安裝容易，占地面積小，適用于低壓系統(tǒng)兼顧大容量無功補償和動態(tài)諧波治理場合，在工業(yè)上應用廣泛。

單純的無源濾波器(PF)存在濾波特性受電網(wǎng)阻抗影響和容易與電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生串并聯(lián)諧振的缺陷，有源濾波器(APF)受開關(guān)器件容量限制，補償無功能力有限，這里結(jié)合現(xiàn)場的無功和諧波情況，給出了PF加并聯(lián)APF的HAPF實現(xiàn)方案。因現(xiàn)場工況為6脈波的高頻開關(guān)整流負載，功率因數(shù)偏低，5次諧波電流偏大，5次單調(diào)諧無源支路降低了系統(tǒng)的PF對低頻信號的放大；11次單調(diào)諧無源支路不僅能夠補償一定量的無功，對高頻諧波如13，17等次諧波也有濾波效果，所以PF設(shè)計為5，11次單調(diào)諧，而APF通過對PWM逆變器的控制，使得逆變器輸出相應的電壓或電流跟蹤期望的參考電壓或電流，實現(xiàn)諧波治理。

3 關(guān)鍵技術(shù)
3．1 大功率逆變器的選取
功率模塊承擔著電網(wǎng)的有功功率轉(zhuǎn)移和諧波治理。綜合了電力晶體管(GTR)耐高壓、大電流和MOSFET開關(guān)頻率高的優(yōu)點，選擇全控型器件絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。實驗采用FF450R17ME3型IGBT，它采用了改進的溝槽柵和場終止技術(shù)，耐流值為450 A，耐壓值為1．7 kV。IGBT模塊的導通和關(guān)斷受柵極驅(qū)動信號的控制，IGBT正常工作需滿足以下要求：①驅(qū)動功率滿足要求；②PWM驅(qū)動信號需預留一定死區(qū)時間；③柵極、有源箝位功能。根據(jù)上述要求，此處預選2SP0115T作為FF450R17ME3這個半橋IGBT模塊的驅(qū)動器。
3．1．1 驅(qū)動功率
此處選擇設(shè)計的載波頻率為10 kHz，驅(qū)動器每通道的輸出功率為：
P=fsQg△U (1)
式中：fs為IGBT開關(guān)頻率；Qg為IGBT門極電荷；△U為門極驅(qū)動電壓擺幅，等于驅(qū)動正壓+U與-U之間差值。
根據(jù)式(1)和系統(tǒng)參數(shù)，驅(qū)動板選取兩單元2SP0115T，每個IGBT的驅(qū)動功率為1 W，保證了應用要求。
3．1．2 死區(qū)時間
設(shè)置死區(qū)時間需注意：①死區(qū)時間必須大于IGBT器件關(guān)斷延遲時間；②對控制效果的影響盡量小。死區(qū)時間過小不利于IGBT的安全，死區(qū)時間過大則容易給控制效果和精度帶來影響，尤其在驅(qū)動信號開關(guān)頻率很高時影響特別明顯。FF450R17ME3關(guān)斷延遲最大為0．62μs，開通延遲為0．22μs，2SP0115T2A驅(qū)動板的死區(qū)時間本身設(shè)置為3μs，可滿足安全要求，此處采用的開關(guān)頻率為10 kHz，開關(guān)周期T=0．1 ms，故一個死區(qū)時間在一個PWM開關(guān)周期內(nèi)所占比例為3％，因此對控制的精度影響不大。