有源電力濾波器主電路及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第10卷第2期2011年4月廣州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）JournalofGuangzhouUniversity（NaturalScienceEdition）Vol10No2Apr20110029-06文章編號(hào)：1671-4229（2011）02-有源電力濾波器主電路及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)12王曉剛，黃少輝（1廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東廣州510006；2艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司，廣東深圳518057）摘要：隨著非線性負(fù)載的應(yīng)用越來越廣泛，三相四線制供電系統(tǒng)中的諧波問題和中線電流過大的問題對(duì)配電網(wǎng)造成嚴(yán)重的危害文章以三相四橋臂有源電力濾波器為例，給出了主電路和控制系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過程實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：三相

2、四橋臂有源電力濾波器對(duì)諧波和中線電流能夠進(jìn)行有效補(bǔ)償，設(shè)計(jì)方案是可行有效的關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；四橋臂；諧波中圖分類號(hào)：TM761文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A并聯(lián)型有源電力濾波器（activepowerfilter，APF）是補(bǔ)償電流型諧波、無功功率、提高電能質(zhì)量的有效手段其中三相四橋臂APF除了補(bǔ)償諧波電流外，還可以補(bǔ)償三相四線系統(tǒng)的中線電流目前，研究APF控制算法的文獻(xiàn)較多，而介紹APF主電路和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)相對(duì)較18少，本文以20kVA四橋臂APF實(shí)驗(yàn)樣機(jī)為例，詳細(xì)介紹了APF主電路和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果1APF主電路設(shè)計(jì)20000×/（×311）52.5A，

3、考慮IGBT的額定電流選為75A直流側(cè)電壓裕量，IGBT的額定選為700V，考慮電壓尖峰等原因，電壓選擇為1700V最終選用了Semikron公司的SKM75GB123D12直流側(cè)電壓的設(shè)計(jì)和電容容量確定直流側(cè)電容的作用是為變流器提供直流電壓直流側(cè)電壓Udc應(yīng)至少比交流側(cè)相電壓峰值大1.5倍，Udc決定了APF的補(bǔ)償能力，總諧波電流的最大變化斜率越大，對(duì)Udc的要求就越高本文選電壓紋波擇Udc為700V直流電容的容量越大，APF輸出電流所含的非特征諧波也越??；但越小，容量越大暫態(tài)過程也越長(zhǎng)綜合考慮，直流電容C選為4000F收稿日期：20100927；修回日期：20101019三相四橋臂并聯(lián)型A

4、PF主電路如圖1所示主電路由4個(gè)IGBT及與其反并聯(lián)的二極管構(gòu)成，C為直流側(cè)電容，L及Ln為主電路與電網(wǎng)的接口基金項(xiàng)目：廣東省高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才培育項(xiàng)目（LYM09109）資助作者簡(jiǎn)介：王曉剛（1976），男，副教授，博士Email：ieewxg163com廣州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）13交流電感的設(shè)計(jì)交流電感L和Ln的作用是濾除PWM開關(guān)產(chǎn)第10卷生的高頻噪聲并使APF輸出電流可控電感值的選擇決定著APF跟蹤指令電流的能力，取值不能9可根據(jù)式（1）確定L：太大也不能太小，4Udc4UdcL（1）9fsI9Imax式中，Udc為直流側(cè)電壓；fs為開關(guān)頻率；為基波角頻率；Imax為基波相電流幅值

5、；I為輸出超調(diào)電流Ln的確定方法與此類似最終L和Ln均選為5mH2APF控制電路設(shè)計(jì)控制電路的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示考慮樣機(jī)DSP控制電路采用以TI公司用于初期實(shí)驗(yàn)，TMS320F2812（簡(jiǎn)稱F2812）為處理器的第三方開發(fā)板交流電壓電流和直流電壓被測(cè)量電路檢測(cè)a相電網(wǎng)并濾波后送至DSP自帶的A/D轉(zhuǎn)換器，電壓經(jīng)過零信號(hào)檢測(cè)電流產(chǎn)生過零信號(hào)，送至DSP的捕獲引腳，用于與電網(wǎng)電壓的同步DSP完成補(bǔ)償算法后輸出PWM信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路隔離放大送至主電路的IGBT電源模塊用于為各種芯片及驅(qū)動(dòng)電路提供直流電壓本節(jié)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路和測(cè)量電路的設(shè)計(jì)做詳細(xì)介紹第2期王曉剛等：有源電力濾波器主電路及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2

6、SC2655和2SA1020構(gòu)成的推挽驅(qū)動(dòng)緩沖，以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力兩個(gè)三極管的最大驅(qū)動(dòng)電流為2A，可以驅(qū)動(dòng)額定電流100A以下的IGBTR1為限流使光耦工作在最佳狀態(tài)電阻，為了達(dá)到良好的IGBT驅(qū)動(dòng)效果，隔離電源輸出電壓為+15V和7.5V雙路輸出，輸出最大電流為100mA參考基于UC3842的典型反激式電路，設(shè)計(jì)出的隔離電源原理圖如圖6所示圖6中P1為外接電源接口，輸入+24V直流電壓，輸C8濾波后出的+15V和7.5V電壓由右側(cè)C7、C6組成輸出作為驅(qū)動(dòng)電路的供電電源；R13和R14、R6、R8和可調(diào)電位器R7組成電壓采樣啟動(dòng)電路，Cf一起組成隔離電源控制系統(tǒng)的電壓網(wǎng)絡(luò)，與Rf、環(huán)；Rs采樣得

7、到的峰值電流經(jīng)過R10和C2濾除開通尖峰后送到芯片的電流檢測(cè)端引腳3，構(gòu)成隔離電源控制系統(tǒng)的電流內(nèi)環(huán)芯片的引腳6輸出經(jīng)R11和R12驅(qū)動(dòng)MOSFETQ3；D5、R15、C9組成漏感尖Rt、Ct連接到芯片內(nèi)部的RC振蕩器，峰吸收電路，為芯片提供信號(hào)時(shí)鐘；芯片正常工作后，反饋繞組Nf的電壓經(jīng)R14和C6濾波后為芯片提供工作電N2經(jīng)D1、D2和C7、C8整流濾波流；反激繞組N1、后輸出隔離電源所需的穩(wěn)定直流電壓廣州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）換成1V+1V的交流信號(hào)R13和C5是補(bǔ)償電容，用于減小TV16的相移第10卷第2期王曉剛等：有源電力濾波器主電路及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)333軟件設(shè)計(jì)APF控制程序總流程圖見

8、圖11在主程序查詢A/D中斷標(biāo)志，一旦A/D轉(zhuǎn)換完成，調(diào)用諧波提取子程序，提取出的諧波分量與電壓控制環(huán)子程序產(chǎn)生的有功分量疊加作為電流指令，然后調(diào)用電流環(huán)控制子程序產(chǎn)生APF的電壓指令，最后將電壓指令送至空間矢量算法子程序，使F2812的PWM1PWM8引腳產(chǎn)生PWM信號(hào)過零檢測(cè)電路產(chǎn)生的過零信號(hào)會(huì)引發(fā)CAP1中斷，在CAP1中斷服務(wù)程序中，確定定時(shí)器T2的中斷周期，即確定了開關(guān)周期Ts，由于開關(guān)頻率選為10kHz，所并根據(jù)電網(wǎng)頻率的變化而略微以Ts約為20ms，調(diào)整圖12Fig12實(shí)驗(yàn)結(jié)果Experimentalresults5結(jié)論本文詳細(xì)介紹了三相四橋臂有源電力濾波器的主電路、控制電路及軟

9、件設(shè)計(jì)方案，并在20kVA樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)表明，三相四橋臂APF可有效補(bǔ)償諧波電流和中線電流，驗(yàn)證了軟硬件設(shè)計(jì)的可行性34廣州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）第10卷References：1LEJian，JIANGQi-rong，HANYing-duoAnewspacevectorcontrolstrategyoffour-legshuntactivepowerfilterJPow-erElectronics，2007，41（2）：1-3（inChinese）2ZHUANGHua，ZHOULin，ZHANGDai-hongStudyonone-cyclecontrolledthree-phasefo

10、ur-wireactivepowerfilterwithfour-legJRelay，2007，35（24）：36-39，25（inChinese）3TANTian-yuan，JIANGQi-rong，JIJian-hui，etalDesignofsecurityandprotectionsystemforshuntactivepowerfilterJAutomationofElectricPowerSystems，2007，31（12）：81-85（inChinese）4LEJian，JIANGQi-rong，HANYing-duoDesigningofafour-legshuntactiv

11、epowerfilterJElectricalEngineering，2006（8）：14-19（inChinese）5JINTT，SMEDLEYKMOperationofone-cyclecontrolledthree-phaseactivepowerfilterwithunbalancedsourceandloadJIEEETransactionsonPowerElectronics，2006，21（5）：1403-14126AURELIOGC，OMARPA，VIEENTEFB，etalApplicationofarepetitivecontrollerforathree-phaseact

12、ivepowerfilterJIEEETransactionsonPowerElectronics，2007，22（1）：237-2457RAMONCC，ROBERTG，ENRICFOdd-harmonicdigitalrepetitivecontrolofasingle-phasecurrentactivefilterJIEEETransactionsonPowerElectronics，2004，19（4）：1060-10688MILJANAO，PERICLEZC，MARKSHighperformancepredictivecurrentcontrolforactiveshuntfilte

13、rsC12thInter-2006：1677-1681nationalPowerElectronicsandMotionControlConference，9CHENWei-qiangMaincircuitdesignoftheactivepowerfilterforthree-phasefour-wiresystemJElectricalEngineering，2009（6）：34-36，39（inChinese）10WANGXiao-gang，XIEYun-xiang，SHUAIDing-xin，etalThree-phasefour-legactivepowerfilterbasedon

14、modelpredictiveJJournalofSouthChinaUniversityofTechnology：NaturalScienceEdition，2009，37（11）：56-63（inChinese）control參考文獻(xiàn)：1樂健，姜齊容，韓英鐸一種新型四橋臂并聯(lián)APF的空間矢量控制策略J電力電子技術(shù)，2007，41（2）：1-32莊華，周林，張代紅基于單周控制的四橋臂三相四線制有源電力濾波器的研究J繼電器，2007，35（24）：36-39，253譚甜源，姜齊榮，季建輝，等并聯(lián)型有源電力濾波器的安全保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)J電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31（12）：81-854樂健，姜齊容

15、，韓英鐸并聯(lián)型四橋臂有源電力濾波裝置的研制J電氣技術(shù)，2006（8）：14-199陳偉強(qiáng)三相四線制有源電力濾波器主電路設(shè)計(jì)J電氣技術(shù)，2009（6）：34-36，3910王曉剛，謝運(yùn)祥，帥定新，等基于模型預(yù)測(cè)控制的三相四橋臂有源電力濾波器J華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)2009，37（11）：56-63版，MaincircuitandcontrolsystemdesignofactivepowerfilterWANGXiao-gang1，HUANGShao-hui2（1SchoolofMechanicalandElectricalEngineering，GuangzhouUniversity，Guangzhou510006，China；2EmersonNetworkPowerCo，Shenzhen518057，China）Abstract：Withthewideuseofnonlinearloads，theharmoniccurrentsandhugeneutralcurrentsareharmfultothesafetyofthree-phasefour-wirepowerdistributionsystemsInthispaper，thedetaileddesignprocedureofthemaincircuitandco