引言

有源電力濾波器(APF) 是一種用于動(dòng)態(tài)諧波抑制和功率補(bǔ)償?shù)男滦?a href="www.1cnz.cn/article/special/" target="_blank">電力電子裝置。它能對(duì)大小和頻率都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償。與無(wú)源濾波器相比， 有源電力濾波器具有更高的可控性和快速響應(yīng)性， 本文提出了一種基于全模擬器件的有源濾波器的設(shè)計(jì)思路。其各個(gè)主要部件的輸入量及輸出量都是連續(xù)變化的電壓、電流等物理量。該方案由若干種作用及數(shù)量不同的加法器、乘法器、函數(shù)產(chǎn)生器以及各種分離元件等組成。另外， 使用模擬器件來(lái)實(shí)現(xiàn)可以很容易地集成為芯片。有源電力濾波器諧波檢測(cè)及控制等電路集成為芯片后， 使用起來(lái)就更加方便、靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。這樣就能達(dá)到更好地推廣有源電力濾波器的目的。

1 模擬有源濾波器的結(jié)構(gòu)原理

本有源電力濾波器系統(tǒng)由指令電流運(yùn)算電路、控制電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路三大部分組成。其中指令電流運(yùn)算電路的功能是從負(fù)載電流il中分離出諧波電流分量及基波無(wú)功電流分量i*c，然后將其反極性作用后產(chǎn)生補(bǔ)償電流的指令信號(hào)。電流跟蹤控制電路的功能是根據(jù)主電流產(chǎn)生的補(bǔ)償ic應(yīng)跟蹤i*c的原則， 來(lái)計(jì)算主電路各開關(guān)器件的觸發(fā)脈沖。此脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后將作用于主電路， 并產(chǎn)生補(bǔ)償電流ic。圖1所示是并聯(lián)型有源電力濾波器的原理框圖。

基于全模擬器件的有源電力濾波器同樣也是由圖1所示的這幾個(gè)部分組成， 只是其各個(gè)部分都是由模擬器件構(gòu)成。現(xiàn)分別對(duì)電路各個(gè)部分進(jìn)行介紹。

2 諧波信號(hào)檢測(cè)電路

采用ip、iq諧波檢測(cè)法， 諧波信號(hào)檢測(cè)電路可由乘法、加減法以及低通有源濾波電路組成。通過模擬器件獲取單相諧波參考電流的ip、iq法所實(shí)現(xiàn)的單相諧波檢測(cè)的原理框圖如圖2所示。

由于本濾波器是基于全模擬器件的， 其電路全部由常規(guī)電路元件構(gòu)成。故此濾波器的性能也受到元件的溫度漂移、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、相移等因素的影響。因此， 元件的選型對(duì)于本有源電力濾波器尤為關(guān)鍵。

乘法器型號(hào)有多種， 本文不作羅列。相對(duì)于現(xiàn)代模擬電子器件的寬頻帶而言， 有源電力濾波器對(duì)帶寬要求不高。如要求能濾除50次諧波則其帶寬要求為50×50 Hz=2.5 kHz。AD632、AD633、AD534等加法器的帶寬、輸入及滿功率輸出范圍相當(dāng)。本文在乘法器電路中選用AD633乘法器。

AD633乘法器的誤差包括輸入輸出偏移、放大倍數(shù)誤差和乘法核的非線形誤差。輸入偏移隨溫度變化曲線顯示， -40℃~+40℃的偏置電流范圍為420 nA~580 nA。放大倍數(shù)誤差在滿額時(shí)的典型值為0.25%。AD633資料給出的總的誤差典型值為1%， 最大值為2%。

系統(tǒng)中的運(yùn)算放大器選用高精度低漂移低噪聲集成放大器OP07。該放大器的輸入偏移電流為1 nA、偏移電壓為30 μV、-3 dB帶寬為600 kHz、靜態(tài)耗散電流為4 mA、電壓溫度漂移為0.2 μV/℃。

獲得很高的帶寬， 也意味著會(huì)帶來(lái)高的功耗。而且， 在單相全模擬有源電力濾波器使用高帶寬的運(yùn)算放大器也同時(shí)會(huì)引入高頻噪聲。單相全模擬有源電力濾波器的信號(hào)頻率不超過3 kHz。

型號(hào)為OP07的運(yùn)算放大器的截止頻率為600 kHz，故能很好地滿足有源電力濾波器的要求。

運(yùn)算放大器的誤差主要由輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流以及等效輸入噪聲等引起。當(dāng)前運(yùn)算放大器的性能已經(jīng)得到很大的改進(jìn)， 其各項(xiàng)性能指標(biāo)十分優(yōu)異。以高精度低漂移低噪聲集成放大器OP07為例， 其輸入偏移電壓為μV級(jí)， 輸入漂移電流和輸入偏置電流為nA級(jí)， 因此， 對(duì)于±10V電路工作電壓， 完全可以忽略。

運(yùn)算放大器電路的最終精度和穩(wěn)定性與其電路中的無(wú)源元件的精度和穩(wěn)定性具有對(duì)應(yīng)的關(guān)系。本硬件選擇好的電容和電阻關(guān)系到該電路的整體性能表現(xiàn)。

電容的類別也是多種多樣。該濾波器電路中使用的電容主要是要求其頻率特性較好， 溫度系數(shù)小， 長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。聚苯乙烯電容的損耗較低、體積小， 容量相對(duì)時(shí)間、溫度、電壓都很穩(wěn)定。

電阻有繞線電阻、金屬箔電阻、金屬膜電阻、金屬氧化膜電阻、碳膜電阻、碳實(shí)芯電阻、厚膜電阻、薄膜電阻、金屬釉質(zhì)電阻等。常用的是碳膜、金屬膜以及碳質(zhì)線繞電阻。本電路選用金屬膜電阻， 該電阻是在真空中加熱合金， 并使合金蒸發(fā)， 從而使瓷棒表面形成一層導(dǎo)電金屬膜。

刻槽和改變金屬膜厚度可以控制電阻值。該電阻體積小、噪聲低、穩(wěn)定性好， 當(dāng)然成本也較高。

3 PWM控制電路

由于現(xiàn)在沒有專門為有源電力濾波器而設(shè)計(jì)的脈沖發(fā)生集成電路， 所以， 現(xiàn)在的研究與設(shè)計(jì)主要是利用一些現(xiàn)有的脈沖發(fā)生模塊來(lái)產(chǎn)生脈沖波， 從而實(shí)現(xiàn)有源電力濾波器的控制。

美國(guó)通用公司的SG3525 PWM脈沖控制電路目前已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。本文將它試用在有源電力濾波器中， 并將其作為模擬集成電路中比較有代表性的一種。SG3525是美國(guó)通用公司的產(chǎn)品， 是專為開關(guān)電源設(shè)計(jì)的脈沖發(fā)生電路， 它的輸入電壓范圍是1～3.5 V， 而本文中的輸入信號(hào)是交流信號(hào)， 故須經(jīng)過變換。可先經(jīng)過精確絕對(duì)值電路將輸入信號(hào)變成正信號(hào)， 再通過電平移動(dòng)電路使輸入信號(hào)在1～3.5 V之間。圖3所示是采用SG3525實(shí)現(xiàn)的PWM電路框圖。其中絕對(duì)值電路所采用的精密全波整流電路如圖4所示。

圖4中， R取20 kΩ， 為1％精密電阻； 二極管選用超快速恢復(fù)二極管， 其反向恢復(fù)時(shí)間為50 ns。圖5所示是本濾波器的邏輯控制電路實(shí)現(xiàn)框圖。

4 模擬有源電力濾波器的噪聲和干擾抑制

模擬電子電路有其自身的特點(diǎn)， 由于本有源電力濾波器使用的是全模擬電路， 故在模擬信號(hào)的放大、運(yùn)算以及傳輸過程中不可避免地會(huì)引入外界和內(nèi)部的一些無(wú)規(guī)則信號(hào)及干擾。如果無(wú)規(guī)則信號(hào)及外部干擾很強(qiáng)， 若其大小可與正常工作信號(hào)相比較， 那么勢(shì)必給模擬有源電力濾波器的諧波抑制性能造成破壞。所以， 在模擬電路的設(shè)計(jì)階段就應(yīng)進(jìn)行抗干擾和濾除噪聲的設(shè)計(jì)。

噪聲及干擾的消除和抑制一般有屏蔽、接地和濾波等幾種措施。但也應(yīng)該根據(jù)其產(chǎn)生的性質(zhì)分別加以處理。

對(duì)于元器件本身所產(chǎn)生的噪聲， 只能在器件選型中加以注意。應(yīng)盡量選用低噪聲、高精度的集成芯片。現(xiàn)代的模擬電子已經(jīng)發(fā)展的很成熟，各種模擬元件都能達(dá)到令人滿意的性能。對(duì)于電阻的熱噪聲， 設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量做到不將噪聲在最后結(jié)果中放大， 故應(yīng)在放大電路中選用較小阻值的電阻。熱噪聲會(huì)隨帶寬的增加而增加， 并由于有源電力濾波器所針對(duì)的電力系統(tǒng)本身的電壓、電流頻率不高， 因此， 模擬電路可采用較低頻率帶寬的運(yùn)算放大器來(lái)降低熱噪聲的影響。

對(duì)于接地噪聲， 可減小公共地線部分的阻抗， 這樣， 公共地線上的電壓也會(huì)隨之減小， 從而控制公共阻抗耦合。具體做法是地線聯(lián)結(jié)采用較粗的導(dǎo)線并盡量減短。減小地線阻抗的核心問題是減小地線的電感。可在電路中采用多條相距較遠(yuǎn)的并聯(lián)導(dǎo)體作為接地線。

對(duì)于輻射噪聲， 則應(yīng)該采用屏蔽方式予以抑制和消除。屏蔽的方式有靜電屏蔽、磁性屏蔽及電磁屏蔽等方式。屏蔽的結(jié)構(gòu)可以將干擾源或受干擾元件用屏蔽罩屏蔽起來(lái)。具體采用何種方式， 取決于屏蔽的噪聲對(duì)象。

本設(shè)計(jì)采用并聯(lián)電容對(duì)電路的直流電源進(jìn)行穩(wěn)壓和濾波， 電容的特性是對(duì)直流開路， 對(duì)高頻呈現(xiàn)低阻抗特性。所以， 采用加設(shè)旁路電容可對(duì)高頻噪聲旁路。本電路中采用電解電容和瓷石兩種電容并聯(lián)方式進(jìn)行聯(lián)接。這是因?yàn)殡娊怆娙莸碾娙葜悼梢宰龅帽容^大， 采用電解電容主要還可起到穩(wěn)壓作用。但是， 電解電容的高頻特性差強(qiáng)人意， 所以要對(duì)高頻噪聲旁路， 故應(yīng)再并聯(lián)一個(gè)瓷片電容。

通過以上措施， 模擬電路的噪聲抑制情況會(huì)有較好的改善， 其可檢測(cè)到的噪聲信號(hào)在mV級(jí)。

5 模擬有源濾波器的主電路及接入方式

目前應(yīng)用的有源濾波器多種多樣， 但總的來(lái)說， 其主電路都是基于脈沖調(diào)制(PWM) 變流器的， 由于變流器有電壓型變流器(VSC) 和電流型變流器(CSR) 兩種。兩種變流器都可以應(yīng)用于各種有源電力濾波器中。電壓型PWM整流器最顯著的拓?fù)涮卣骶褪侵绷鱾?cè)采用電容進(jìn)行直流儲(chǔ)能， 從而使VSR直流側(cè)呈低阻抗的電壓源特征；電流型PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最顯著特征就是直流側(cè)采用電感進(jìn)行直流儲(chǔ)能， 從而使CSR直流側(cè)呈高阻抗的電流源特性。

電流源型結(jié)構(gòu)更容易跟蹤補(bǔ)償負(fù)荷的諧波電流。但電流源型式的主電路損耗較大， 在交流側(cè)需要加裝更大的濾波電容來(lái)濾除不需要的諧波電流， 且電流源型結(jié)構(gòu)不利于多重化。因而限制了有源電力濾波器的容量。而電壓源型有源電力濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、損耗小、價(jià)格便宜， 可降低開關(guān)器件的開關(guān)頻率等優(yōu)點(diǎn)， 因而一直在有源電力濾波器中得到廣泛應(yīng)用。基于此，本文采用電壓型變流器作為基于全模擬器件的有源濾波器的逆變器。

構(gòu)成變流器的核心是開關(guān)器件有MOSFET管、絕緣門極雙極型晶體管(IGBT)、門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、集成門極晶閘管IGCT等幾種可供選擇。選擇器件的首要條件是根據(jù)有源電力濾波器所需濾除諧波頻率來(lái)確定器件的開關(guān)頻率， 然后根據(jù)有源電力濾波器的容量與電壓、電流等級(jí)來(lái)選擇合適的器件。對(duì)于高頻小容量的有源電力濾波器， 一般可選用MOSFET器件， 因其開關(guān)頻率很高， 因而適用于濾除高頻率的諧波。而對(duì)于大容量低頻率的場(chǎng)合， 則應(yīng)選擇GTO/IGCT器件。

但在有源濾波器中應(yīng)用最廣泛的還是IGBT， 這是因?yàn)镮GBT驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單， 其開關(guān)頻率和容量適中。

5.1 并聯(lián)型有源電力濾波器

電力系統(tǒng)的諧波有兩類， 即電流源型諧波源與電壓源型諧波源。因?yàn)槔硐腚娏髟吹膬?nèi)阻是無(wú)窮大， 因此， 采用串聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆绞讲荒転V除諧波。而對(duì)于電流源型諧波源， 只能采用并聯(lián)濾波進(jìn)行分流才能對(duì)注入到電力系統(tǒng)中的諧波進(jìn)行抑制。濾波效果與成本會(huì)因?yàn)橹C波源的性質(zhì)是偏于電流源還是偏于電壓源而有所不同。如果諧波是由用戶自己產(chǎn)生， 則基本屬于電流源型， 故應(yīng)采取并聯(lián)濾波。

為消除各節(jié)點(diǎn)電壓的諧波， 應(yīng)該采用就近并聯(lián)諧波補(bǔ)償?shù)却胧?補(bǔ)償諧波電流與非線性負(fù)荷注入諧波電流大小相等， 方向相反， 從而使各個(gè)節(jié)點(diǎn)注入的諧波電流為零， 以最終消除各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓的諧波。并聯(lián)型有源電力濾波器的等效電路如圖6所示。

并聯(lián)型有源濾波器的主要功能是使補(bǔ)償電流ic (t) 能快速跟蹤負(fù)荷電流中的諧波電流， 從而使流入配電系統(tǒng)的諧波電流很小， 避免對(duì)系統(tǒng)的污染。為了提高跟蹤能力， 同時(shí)提高dic (t) /dt，一般要么減小有源濾波器的等效電感L， 要么提高逆變器的輸出電壓uc (t)。但應(yīng)注意， 有源電力濾波器的等效電感不能無(wú)限制地減小。當(dāng)L過小時(shí)， 有源電力濾波器輸出電流中基于開關(guān)頻率的特征諧波就會(huì)很大。所以， 提高逆變器輸出電壓uc (t) 就成為提高有源電力濾波器的有效手段。

5.2 串聯(lián)型有源電力濾波器

雖然并聯(lián)就地補(bǔ)償可以完全消除非線形負(fù)荷造成的諧波問題， 但許多情況下， 由于電力系統(tǒng)負(fù)荷組成很復(fù)雜， 難以準(zhǔn)確地找到非線性負(fù)荷所在的位置， 或者更有非線性負(fù)荷分布在許多節(jié)點(diǎn)上， 因此很難利用就地并聯(lián)補(bǔ)償來(lái)徹底補(bǔ)償電壓的諧波。為了更有效地消除諧波電壓的影響， 為用戶提供無(wú)污染的電壓， 串聯(lián)型有源濾波器正在逐步受到電力用戶的歡迎。

圖7所示是其串聯(lián)型電路的工作原理圖。由圖中可以看到， 如果在負(fù)荷鄰近節(jié)點(diǎn)處， 除受諧波電壓源影響， 還要受到諧波電流源的影響， 則會(huì)使該節(jié)點(diǎn)處電壓帶有諧波分量ui， 而接入串聯(lián)型有源濾波器， 則該裝置剛好產(chǎn)生的電壓為-ui。

這樣， 負(fù)荷節(jié)點(diǎn)處的電壓為ul=u+ui-ui=u， 可見會(huì)得到未含諧波分量的基波電壓u。因此， 串聯(lián)型有源濾波器可以快速補(bǔ)償系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)上電壓的異常， 而且其容量可以由用戶根據(jù)自身容量來(lái)靈活確定， 因而比較適合對(duì)電能質(zhì)量要求較高的用戶使用。

串聯(lián)型有源濾波器可以快速補(bǔ)償系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)上電壓的異常， 其容量可以由用戶根據(jù)自身容量靈活決定， 比較適合對(duì)電能質(zhì)量要求較高的用戶使用。采用檢測(cè)負(fù)載諧波電壓控制方式， 串聯(lián)型有源電力濾波器投入工作時(shí)， 首先應(yīng)檢測(cè)負(fù)載諧波電壓， 然后產(chǎn)生一個(gè)與負(fù)載諧波電壓大小相等，方向相反的諧波電壓進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償后， 電源電流會(huì)發(fā)生變化， 從而使得整流橋橋臂的導(dǎo)通角增加， 進(jìn)而使其交流側(cè)電壓波形也隨之發(fā)生變化，最終導(dǎo)致負(fù)載諧波電壓增加。同時(shí)， 有源電力濾波器所產(chǎn)生的補(bǔ)償電壓所跟蹤的負(fù)載諧波電壓的變化也隨之增大。這種狀態(tài)將一直持續(xù)到最后負(fù)載諧波電壓保持不變， 有源電力濾波器進(jìn)入補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)定狀態(tài)。只要串聯(lián)型有源電力濾波器能實(shí)時(shí)產(chǎn)生與負(fù)載諧波電壓大小相等、方向相反的補(bǔ)償電壓， 就能取得理想的補(bǔ)償效果， 從而使電源電流接近正弦波。

6 結(jié)束語(yǔ)

使用全模擬器件來(lái)實(shí)現(xiàn)有源電力濾波器， 可提高有源電力濾波器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。而使用發(fā)展成熟、價(jià)格低廉的模擬器件則可降低有源電力濾波器的成本， 從而促進(jìn)有源電力濾波器的廣泛應(yīng)用。另外， 使用模擬器件也可以更容易的集成為芯片， 使用起來(lái)更加方便、靈活， 同時(shí)也對(duì)電磁環(huán)境的抗干擾性更強(qiáng)。有源電力濾波器在電力系統(tǒng)諧波治理中發(fā)揮著重要作用， 未來(lái)也有著廣闊的發(fā)展空間。由此可見， 基于全模擬器件的有源濾波器借助發(fā)展成熟、價(jià)格低廉的模擬電子技術(shù)， 其工業(yè)應(yīng)用前景十分廣闊。

事實(shí)上， 模擬電子有著自身的特點(diǎn)， 模擬器件通常會(huì)受漂移、長(zhǎng)期穩(wěn)定性及熱效應(yīng)等因素影響。要使基于全模擬器件的有源電力濾波器得到更廣泛的應(yīng)用， 必然要在設(shè)計(jì)中考慮這些因素并最大限度地消除這些因素的影響， 并選用應(yīng)用性能更為優(yōu)良， 更抗噪聲的低漂移高精度模擬電子元器件， 只有這樣， 基于全模擬器件的有源電力濾波器就一定能不斷發(fā)展完善， 最終達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。