濾波器電路設(shè)計(jì)與方案詳解

　　有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)作為一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波的電力電子裝置，其能夠同時(shí)補(bǔ)償多次諧波電流，能實(shí)時(shí)控制、自動(dòng)跟蹤非線性電流并加以控制，有較快的動(dòng)態(tài) 響應(yīng)速度，且具有改善三相不平衡度的優(yōu)點(diǎn)。

　　一、無差拍 SVPWM 的有源濾波器設(shè)計(jì)

　　有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)作為一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波的電力電子裝置，其能夠同時(shí)補(bǔ)償多次諧波電流，能實(shí)時(shí)控制、自動(dòng)跟蹤非線性電流并加以控制，有較快的動(dòng)態(tài) 響應(yīng)速度，且具有改善三相不平衡度的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于有源濾波器諧波電流檢測(cè)與補(bǔ)償電流的發(fā)生是其極為關(guān)鍵的技術(shù)。

　　有源電力濾波器的電流控制一般采用 PWM(PulseWidth Modulation)模式，目前常用的 PWM控制方式有滯環(huán)電流控制(Current Follow Pulse Width Modulation，CFPWM)、三角波電流控制(ΔPulse Width Modulation，ΔPWM) 和 電 壓 空 間 矢 量 脈 寬 調(diào) 制 (Space Vector PulseWidthModulation，SVPWM)三種技術(shù)。對(duì)于 SVPWM 其控制方法的優(yōu)點(diǎn)主要在于：提高逆變器直流側(cè)電壓的利用率，減小開關(guān)器件的開關(guān)頻率以及減少諧波成分，而且此方法更易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。因此，逆變電路控制常采 用此種方法。在 APF 的應(yīng)用中，SVPWM 常與滯環(huán)比較，PI調(diào)節(jié)器以及無差拍等結(jié)合應(yīng)用。本文采用無差拍 SVP-WM 控制策略，對(duì) APF 的電流進(jìn)行補(bǔ)償控制，以獲得較好的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果。

　　1 電力有源濾波器諧波檢測(cè)方法

　　有源濾波器的諧波電流檢測(cè)方法由時(shí)域和頻域檢測(cè)法構(gòu)成。時(shí)域檢測(cè)法主要分為：有功電流分離法和基于瞬時(shí)無功功率原理的 p-q 法，ip-iq 法以及 d-q 法等。頻域檢測(cè)法主要有 FFT法和諧波濾波器法等。

　　對(duì)于本文研究主要是采用 ip-iq 法來對(duì)電力有源濾波器進(jìn)行分析研究，由圖1可看出其原理。圖中虛線框內(nèi)為直流側(cè)電壓反饋控制部分，正余弦信號(hào) sin ωt 和-cos ωt 由鎖相環(huán) PLL 發(fā)生電路產(chǎn)生。其中 sin ωt 與 a 相輸入電壓 ua 同相;逆變電路直流側(cè)電壓的給定值為 Ucr，Ucf 是反饋值，將這兩路信號(hào)之差經(jīng)過 PI 調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，所得到的Δip 疊加到瞬時(shí)有功電流的直流分量中，經(jīng)過運(yùn)算得出指令電流 ih 中所含基波有功電流，從而令 APF 直流側(cè)與交流側(cè)進(jìn)行能量互換，從而將 Uc 調(diào)整到給定值。對(duì)于電力有源濾波器而言，濾波器逆變器直流側(cè)信號(hào)與交流側(cè)信號(hào)的 能量交換是本文研究的關(guān)鍵。

　　2 無差拍控制簡介

　　SVPWM 控制是用指令電流 ic*(k) 代替補(bǔ)償電流 ic*(k+1)使 k 時(shí)刻的補(bǔ)償電流在 k+1時(shí)刻完全跟蹤上指令電流，但這樣會(huì)存在一拍的滯后。而基于 SVPWM 的無差拍控制則在 k 時(shí)刻預(yù)測(cè)出 k+1時(shí)刻的指令電流值，并以此代替補(bǔ)償電流，最后通過 SVPWM 控制算法產(chǎn)生PWM 脈沖信號(hào)以控制變流器開關(guān)器件的通斷，從而使每一時(shí)刻輸出的補(bǔ)償電流等于其指令電流，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制。無差拍 SVPWM 的控制原理如圖2所示。

　　二、LTCC 低通濾波器的設(shè)計(jì)

　　LTCC 濾波器的設(shè)計(jì)通常是基于經(jīng)典濾波器設(shè)計(jì)理論，從結(jié)構(gòu)上講，主要有兩種結(jié)構(gòu)，一種是采用傳統(tǒng)的 LC 諧振單元結(jié)構(gòu)，諧振單元由集總參數(shù)的電容電 感組成，另一種是采用多層耦合帶狀線結(jié)構(gòu)。本文所設(shè)計(jì)的低通濾波器采用第一種集總參數(shù)形式，理想化低通濾波器電路原理圖如圖3所示。

　　本文設(shè)計(jì)的LTCC濾波器中的集總參數(shù)的電容和電感通過 LTCC多層陶瓷集成在陶瓷基板內(nèi)部。LTCC 內(nèi)埋植電容的設(shè)計(jì)一般采用兩種方式：垂直交指 型(VIC)電容和金屬-介質(zhì)-金屬(MIM)電容。本文設(shè)計(jì)的濾波器的內(nèi)埋置電容元件采用垂直交指型(VIC)電容，在相同電容量的情況下，VIC 結(jié)構(gòu)電容相比 MIM 結(jié)構(gòu)電容能夠大大減小端電極面積，從而有效減小濾波器尺寸。

　　LTCC 內(nèi)埋電感有平面螺旋電感、堆棧螺旋電感、多層螺旋電感等方式，如圖 3所示，本文設(shè)計(jì)的低通濾波器內(nèi)埋植電感元件采用多層螺旋結(jié)構(gòu)的電感，在相同的有效電感值下此結(jié)構(gòu)比平面螺旋式、堆棧螺旋式等結(jié)構(gòu)具有更高的自諧振頻率和品質(zhì)因子。