有源电力滤波器主电路及控制系统设计

1、第10卷第2期2011年4月广州大学学报（自然科学版）JournalofGuangzhouUniversity（NaturalScienceEdition）Vol10No2Apr20110029-06文章编号：1671-4229（2011）02-有源电力滤波器主电路及控制系统设计12王晓刚，黄少辉（1广州大学机械与电气工程学院，广东广州510006；2艾默生网络能源有限公司，广东深圳518057）摘要：随着非线性负载的应用越来越广泛，三相四线制供电系统中的谐波问题和中线电流过大的问题对配电网造成严重的危害文章以三相四桥臂有源电力滤波器为例，给出了主电路和控制系统的详细设计过程实验结果表明：三相

2、四桥臂有源电力滤波器对谐波和中线电流能够进行有效补偿，设计方案是可行有效的关键词：有源电力滤波器；四桥臂；谐波中图分类号：TM761文献标志码：A并联型有源电力滤波器（activepowerfilter，APF）是补偿电流型谐波、无功功率、提高电能质量的有效手段其中三相四桥臂APF除了补偿谐波电流外，还可以补偿三相四线系统的中线电流目前，研究APF控制算法的文献较多，而介绍APF主电路和控制系统设计的文献相对较18少，本文以20kVA四桥臂APF实验样机为例，详细介绍了APF主电路和控制系统的设计过程，并给出了实验结果1APF主电路设计20000×/（×311）52.5A，

3、考虑IGBT的额定电流选为75A直流侧电压裕量，IGBT的额定选为700V，考虑电压尖峰等原因，电压选择为1700V最终选用了Semikron公司的SKM75GB123D12直流侧电压的设计和电容容量确定直流侧电容的作用是为变流器提供直流电压直流侧电压Udc应至少比交流侧相电压峰值大1.5倍，Udc决定了APF的补偿能力，总谐波电流的最大变化斜率越大，对Udc的要求就越高本文选电压纹波择Udc为700V直流电容的容量越大，APF输出电流所含的非特征谐波也越小；但越小，容量越大暂态过程也越长综合考虑，直流电容C选为4000F收稿日期：20100927；修回日期：20101019三相四桥臂并联型A

4、PF主电路如图1所示主电路由4个IGBT及与其反并联的二极管构成，C为直流侧电容，L及Ln为主电路与电网的接口基金项目：广东省高校优秀青年创新人才培育项目（LYM09109）资助作者简介：王晓刚（1976），男，副教授，博士Email：ieewxg163com广州大学学报（自然科学版）13交流电感的设计交流电感L和Ln的作用是滤除PWM开关产第10卷生的高频噪声并使APF输出电流可控电感值的选择决定着APF跟踪指令电流的能力，取值不能9可根据式（1）确定L：太大也不能太小，4Udc4UdcL（1）9fsI9Imax式中，Udc为直流侧电压；fs为开关频率；为基波角频率；Imax为基波相电流幅值

5、；I为输出超调电流Ln的确定方法与此类似最终L和Ln均选为5mH2APF控制电路设计控制电路的结构框图如图2所示考虑样机DSP控制电路采用以TI公司用于初期实验，TMS320F2812（简称F2812）为处理器的第三方开发板交流电压电流和直流电压被测量电路检测a相电网并滤波后送至DSP自带的A/D转换器，电压经过零信号检测电流产生过零信号，送至DSP的捕获引脚，用于与电网电压的同步DSP完成补偿算法后输出PWM信号，经驱动和保护电路隔离放大送至主电路的IGBT电源模块用于为各种芯片及驱动电路提供直流电压本节对驱动电路和测量电路的设计做详细介绍第2期王晓刚等：有源电力滤波器主电路及控制系统设计2

6、SC2655和2SA1020构成的推挽驱动缓冲，以增强驱动能力两个三极管的最大驱动电流为2A，可以驱动额定电流100A以下的IGBTR1为限流使光耦工作在最佳状态电阻，为了达到良好的IGBT驱动效果，隔离电源输出电压为+15V和7.5V双路输出，输出最大电流为100mA参考基于UC3842的典型反激式电路，设计出的隔离电源原理图如图6所示图6中P1为外接电源接口，输入+24V直流电压，输C8滤波后出的+15V和7.5V电压由右侧C7、C6组成输出作为驱动电路的供电电源；R13和R14、R6、R8和可调电位器R7组成电压采样启动电路，Cf一起组成隔离电源控制系统的电压网络，与Rf、环；Rs采样得

7、到的峰值电流经过R10和C2滤除开通尖峰后送到芯片的电流检测端引脚3，构成隔离电源控制系统的电流内环芯片的引脚6输出经R11和R12驱动MOSFETQ3；D5、R15、C9组成漏感尖Rt、Ct连接到芯片内部的RC振荡器，峰吸收电路，为芯片提供信号时钟；芯片正常工作后，反馈绕组Nf的电压经R14和C6滤波后为芯片提供工作电N2经D1、D2和C7、C8整流滤波流；反激绕组N1、后输出隔离电源所需的稳定直流电压广州大学学报（自然科学版）换成1V+1V的交流信号R13和C5是补偿电容，用于减小TV16的相移第10卷第2期王晓刚等：有源电力滤波器主电路及控制系统设计333软件设计APF控制程序总流程图见

8、图11在主程序查询A/D中断标志，一旦A/D转换完成，调用谐波提取子程序，提取出的谐波分量与电压控制环子程序产生的有功分量叠加作为电流指令，然后调用电流环控制子程序产生APF的电压指令，最后将电压指令送至空间矢量算法子程序，使F2812的PWM1PWM8引脚产生PWM信号过零检测电路产生的过零信号会引发CAP1中断，在CAP1中断服务程序中，确定定时器T2的中断周期，即确定了开关周期Ts，由于开关频率选为10kHz，所并根据电网频率的变化而略微以Ts约为20ms，调整图12Fig12实验结果Experimentalresults5结论本文详细介绍了三相四桥臂有源电力滤波器的主电路、控制电路及软

9、件设计方案，并在20kVA样机上进行了实验实验表明，三相四桥臂APF可有效补偿谐波电流和中线电流，验证了软硬件设计的可行性34广州大学学报（自然科学版）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参考文献：1乐健，姜齐容，韩英铎一种新型四桥臂并联APF的空间矢量控制策略J电力电子技术，2007，41（2）：1-32庄华，周林，张代红基于单周控制的四桥臂三相四线制有源电力滤波器的研究J继电器，2007，35（24）：36-39，253谭甜源，姜齐荣，季建辉，等并联型有源电力滤波器的安全保护系统设计J电力系统自动化，2007，31（12）：81-854乐健，姜齐容

15、，韩英铎并联型四桥臂有源电力滤波装置的研制J电气技术，2006（8）：14-199陈伟强三相四线制有源电力滤波器主电路设计J电气技术，2009（6）：34-36，3910王晓刚，谢运祥，帅定新，等基于模型预测控制的三相四桥臂有源电力滤波器J华南理工大学学报：自然科学2009，37（11）：56-63版，MaincircuitandcontrolsystemdesignofactivepowerfilterWANGXiao-gang1，HUANGShao-hui2（1SchoolofMechanicalandElectricalEngineering，GuangzhouUniversity，Guangzhou510006，China；2EmersonNetworkPowerCo，Shenzhen518057，China）Abstract：Withthewideuseofnonlinearloads，theharmoniccurrentsandhugeneutralcurrentsareharmfultothesafetyofthree-phasefour-wirepowerdistributionsystemsInthispaper，thedetaileddesignprocedureofthemaincircuitandco