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，因其性價(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。[!--empirenews.page--]
3．1．3 箝位保護(hù)
    在IGBT的門(mén)極和射極間寄生著米勒電容，當(dāng)電容兩端電壓變化率過(guò)大時(shí)將在門(mén)極產(chǎn)生較大偏移電流，影響IGBT正常關(guān)斷，為防止這種關(guān)斷拖尾現(xiàn)象，在門(mén)極進(jìn)行有源米勒箝位，如圖2所示。

    在IGBT的門(mén)極與射極間附加一個(gè)晶體管VT和一個(gè)穩(wěn)壓管VD，當(dāng)門(mén)極電流較大時(shí)，VT導(dǎo)通，吸收部分柵極電流，加速I(mǎi)GBT的關(guān)斷，從而改善其關(guān)斷特性。
3．2 觸發(fā)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
3．2．1 電平轉(zhuǎn)換
    OC門(mén)電路如圖3所示，實(shí)現(xiàn)了電平轉(zhuǎn)換，通過(guò)改變電源Ec值，即可改變輸出邏輯高電平的值，實(shí)現(xiàn)TTL電平到其他類(lèi)型電路電平轉(zhuǎn)換，而此處是將TTL電平轉(zhuǎn)換為高閾值的TTL電平。

    由于設(shè)計(jì)中DSP發(fā)出的PWM信號(hào)為0～3 V脈沖信號(hào)，而7407外接+Vcc和上拉電阻將電平轉(zhuǎn)換至高閾值電平。
3．2．2 光纖觸發(fā)
    光電轉(zhuǎn)換器和電光轉(zhuǎn)換器采用ST接頭，符合IEEE 802．3 Ethemet 802．5 Token Ring標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)率最高可達(dá)175 MBd，最長(zhǎng)傳輸距離達(dá)4 km，工作溫度范圍寬-40～+85℃。原理如圖4所示，電流IF的大小決定傳輸距離，計(jì)算公式為：
    IF=(Vcc-UF)／R1      (2)[!--empirenews.page--]
    式中：UF為電光轉(zhuǎn)換器2412的導(dǎo)通壓降，一般為1．5V。

    圖5示出光纖傳輸距離與IF大小的關(guān)系。只要選取合適的R1就能使光信號(hào)傳輸?shù)侥康奈恢?，并且不失真?/p>

3．3 散熱系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行時(shí)，若散熱措施不夠好，IGBT開(kāi)關(guān)管損耗導(dǎo)致模塊升溫，給系統(tǒng)帶來(lái)不利影響。熱管屬于一種傳熱元件，它充分利用了熱傳導(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，通過(guò)在全封閉真空管內(nèi)的液體蒸發(fā)與凝結(jié)來(lái)傳遞熱量，具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠(yuǎn)距離傳熱、可控制溫度等優(yōu)點(diǎn)，其導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)超過(guò)任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。熱管技術(shù)的原理就是利用工作流體的蒸發(fā)與冷凝來(lái)傳遞熱量。將鋁管內(nèi)部抽真空后充入工作流體，流體以蒸發(fā)-冷凝的相變過(guò)程在內(nèi)部反復(fù)循環(huán)，不斷將熱端的熱量傳至冷卻端，從而形成將熱量從管子的一端傳至另一端的傳熱過(guò)程。
3．4 基于DSP的控制電路的設(shè)計(jì)
    采用TMS320F2812型DSP作為控制器核心單元，此處設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了TMS320F2812嵌入式DSP控制板，DSP整體接口控制框圖如圖6所示。

    所用DSP控制板是專(zhuān)為電力監(jiān)控而設(shè)計(jì)的、采用基于32位定點(diǎn)DSP的高性能、低成本DSP控制板，在保證各種應(yīng)用的適應(yīng)性基礎(chǔ)上，還兼具良好的擴(kuò)展性。在該控制板中集成了DSP，SRAM，片外D／A，片外A／D，UART，串行EEPROM，RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘，工業(yè)以太網(wǎng)等外設(shè)。[!--empirenews.page--]
    該控制板除具有TMS320F2812特性外，擴(kuò)展了很多功能，外擴(kuò)有512K*16 bit高速SRAM存儲(chǔ)器。①參數(shù)存儲(chǔ)：帶56字節(jié)NvRAM實(shí)時(shí)時(shí)鐘、SPI接口EEPROM(最大128K*8 bit)；②輸入／輸出：12路±10 V模擬輸入、4路±10 V模擬輸出、48路I／O及功能擴(kuò)展口線、128*64LCD接口、4*4鍵盤(pán)、8位數(shù)據(jù)及3位地址總線擴(kuò)展：③接口通信接口：10M以太網(wǎng)接口、保留的I／O口線可方便實(shí)現(xiàn)RS485／RS232／CAN／SPI等形式的通訊：④采用的DSP控制板結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理，外部接口信號(hào)根據(jù)信號(hào)特點(diǎn)合理劃分，提高了模板穩(wěn)定性及抗干擾能力。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    某冶煉廠0．4 kV HAPF系統(tǒng)如圖7所示，由5，11次無(wú)源濾波支路和有源部分組成。系統(tǒng)參數(shù)L5=0．262 mH，C5=1 592．36 μF，L11= 0．108 mH，C11=796．18μF，L0=0．3mH，C=10mF。

    表1示出該廠投入補(bǔ)償裝置前后平均功率因數(shù)和第5，7，11次特征諧波電流幅值對(duì)比。

    圖8示出實(shí)驗(yàn)波形，由表1及圖8可見(jiàn)，投入補(bǔ)償裝置后，平均功率因數(shù)由原來(lái)的0．82提高到0．97，第5，7，11次特征諧波也得到了很好的抑制，達(dá)到了國(guó)標(biāo)要求。

5 結(jié)論
    提出了一種適用于低壓整流系統(tǒng)的并聯(lián)混合型有源電力濾波電路，并給出了濾波器主電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)和控制器的DSP實(shí)現(xiàn)方案。最后針對(duì)某企業(yè)的工程實(shí)際情況，給出了混合型有源電力濾波的的具體實(shí)現(xiàn)方案和參數(shù)。現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，提出的設(shè)計(jì)思路和方案是可行的。