混合型有源電力濾波器設(shè)計(jì)及其工程應(yīng)用

摘要：此處以工程應(yīng)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(shuō)明，介紹了從驅(qū)動(dòng)功率、死區(qū)時(shí)間和箝位保護(hù)3個(gè)方向選擇大功率模塊，從電平轉(zhuǎn)換到光纖傳輸實(shí)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(jì)，包括DSP TMS320F2812控制板和接口電路板的設(shè)計(jì)。最后，針對(duì)某銅加工廠的諧波及無(wú)功實(shí)際情況，給出該濾波器的具體實(shí)現(xiàn)方案。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，設(shè)計(jì)方案和實(shí)驗(yàn)裝置有效、可靠。
關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；諧波；數(shù)字信號(hào)處理器

1 引言
近年來(lái)，隨著電力電子設(shè)備的發(fā)展。諧波污染日趨嚴(yán)重，而用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求卻越來(lái)越高。HAPF作為治理諧波的主要技術(shù)之一，因其性?xún)r(jià)比高且工程實(shí)現(xiàn)容易，正日益成為工業(yè)系統(tǒng)有效濾除諧波和無(wú)功補(bǔ)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(jì)及其數(shù)字控制系統(tǒng)的構(gòu)成和DSP實(shí)現(xiàn)。最后，針對(duì)某企業(yè)諧波和無(wú)功情況，給出了HAPF的具體實(shí)現(xiàn)方法?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，提出的設(shè)計(jì)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?fù)?，因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝容易，占地面積小，適用于低壓系統(tǒng)兼顧大容量無(wú)功補(bǔ)償和動(dòng)態(tài)諧波治理場(chǎng)合，在工業(yè)上應(yīng)用廣泛。

單純的無(wú)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(kāi)關(guān)器件容量限制，補(bǔ)償無(wú)功能力有限，這里結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)功和諧波情況，給出了PF加并聯(lián)APF的HAPF實(shí)現(xiàn)方案。因現(xiàn)場(chǎng)工況為6脈波的高頻開(kāi)關(guān)整流負(fù)載，功率因數(shù)偏低，5次諧波電流偏大，5次單調(diào)諧無(wú)源支路降低了系統(tǒng)的PF對(duì)低頻信號(hào)的放大；11次單調(diào)諧無(wú)源支路不僅能夠補(bǔ)償一定量的無(wú)功，對(duì)高頻諧波如13，17等次諧波也有濾波效果，所以PF設(shè)計(jì)為5，11次單調(diào)諧，而APF通過(guò)對(duì)PWM逆變器的控制，使得逆變器輸出相應(yīng)的電壓或電流跟蹤期望的參考電壓或電流，實(shí)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(dān)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(kāi)關(guān)頻率高的優(yōu)點(diǎn)，選擇全控型器件絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。實(shí)驗(yàn)采用FF450R17ME3型IGBT，它采用了改進(jìn)的溝槽柵和場(chǎng)終止技術(shù)，耐流值為450 A，耐壓值為1．7 kV。IGBT模塊的導(dǎo)通和關(guān)斷受柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的控制，IGBT正常工作需滿足以下要求：①驅(qū)動(dòng)功率滿足要求；②PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)需預(yù)留一定死區(qū)時(shí)間；③柵極、有源箝位功能。根據(jù)上述要求，此處預(yù)選2SP0115T作為FF450R17ME3這個(gè)半橋IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)器。
3．1．1 驅(qū)動(dòng)功率
此處選擇設(shè)計(jì)的載波頻率為10 kHz，驅(qū)動(dòng)器每通道的輸出功率為：
P=fsQg△U (1)
式中：fs為IGBT開(kāi)關(guān)頻率；Qg為IGBT門(mén)極電荷；△U為門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓擺幅，等于驅(qū)動(dòng)正壓+U與-U之間差值。
根據(jù)式(1)和系統(tǒng)參數(shù)，驅(qū)動(dòng)板選取兩單元2SP0115T，每個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)功率為1 W，保證了應(yīng)用要求。
3．1．2 死區(qū)時(shí)間
設(shè)置死區(qū)時(shí)間需注意：①死區(qū)時(shí)間必須大于IGBT器件關(guān)斷延遲時(shí)間；②對(duì)控制效果的影響盡量小。死區(qū)時(shí)間過(guò)小不利于IGBT的安全，死區(qū)時(shí)間過(guò)大則容易給控制效果和精度帶來(lái)影響，尤其在驅(qū)動(dòng)信號(hào)開(kāi)關(guān)頻率很高時(shí)影響特別明顯。FF450R17ME3關(guān)斷延遲最大為0．62μs，開(kāi)通延遲為0．22μs，2SP0115T2A驅(qū)動(dòng)板的死區(qū)時(shí)間本身設(shè)置為3μs，可滿足安全要求，此處采用的開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz，開(kāi)關(guān)周期T=0．1 ms，故一個(gè)死區(qū)時(shí)間在一個(gè)PWM開(kāi)關(guān)周期內(nèi)所占比例為3％，因此對(duì)控制的精度影響不大。