有源電力濾波器實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在大量實(shí)際的噪音干擾，這些干擾嚴(yán)重影響濾波器的工作效果,。給出對(duì)于有源電力濾波器電流采樣回路的分析,，分析在高頻干擾下可能出現(xiàn)的干擾現(xiàn)象；分析源電力濾波器對(duì)于普通并網(wǎng)逆變器的不同點(diǎn),，提出采樣回路中低通濾波器設(shè)計(jì)的重要性和特殊性,。并針對(duì)這些分析提供了一套切實(shí)可行的降低電流采樣回路干擾的解決方案，在實(shí)際應(yīng)用中取得了明顯的效果改善,。
隨著用電設(shè)備類(lèi)型的日益增多,，出現(xiàn)了很多非線性負(fù)載，此類(lèi)負(fù)載在運(yùn)行過(guò)程中,，產(chǎn)生大量的高次諧波,，這些諧波對(duì)于電網(wǎng)中的電力設(shè)備有著很強(qiáng)的危害，因此供電部門(mén)對(duì)于諧波的注入量有著嚴(yán)格的限制,。有源濾波器的設(shè)計(jì)思路是向電路注入除基波電流以外的電流,，從而抵消系統(tǒng)中原有的諧波電流，使得系統(tǒng)電流中只有需要的基波電流,。不同于并網(wǎng)逆變器,，有源電力濾波器本身發(fā)出的電流為非正弦波形。這就意味著應(yīng)用傳統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理算法消除噪音的方法在這里不完全適用,，而實(shí)際應(yīng)用中來(lái)自外部的干擾極大地影響了系統(tǒng)的運(yùn)行,。在此重點(diǎn)討論電流傳感器的選擇和采樣調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，從而使得．由于這兩者的非理想性對(duì)系統(tǒng)的影響最小,。
1 有源電力工作原理簡(jiǎn)介
有源濾波電路如圖1所示,。其中兩組電流傳感器分別用來(lái)檢測(cè)負(fù)載電流Iload。以及濾波器的實(shí)發(fā)補(bǔ)償電流Icom,。信號(hào)變壓器傳遞三相系統(tǒng)交流電壓Usys,，而直流電壓傳感器負(fù)責(zé)傳遞直流端電容電壓Udc。
負(fù)載電流被DSP讀入之后,，經(jīng)過(guò)運(yùn)算,，可以獲得三相負(fù)載電流當(dāng)中的正序有功電流，而補(bǔ)償?shù)哪康氖鞘沟孟到y(tǒng)端電流只含有正序有功電流,。獲得了負(fù)載電流的正序有功基波電流之后,，將負(fù)載電流與基波有功正序電流之差看作是有源濾波器輸出的指令，使得有源濾波器輸出該電流,，系統(tǒng)端電流即為正序有功電流,。
如何發(fā)出指令所需的電流是補(bǔ)償效果的關(guān)鍵?？梢詫⒂性礊V波器視為一個(gè)逆變電流源,，調(diào)制電壓經(jīng)過(guò)連接電抗在電路中形成相應(yīng)的電流，遵循公式如下：
式中：Uout為逆變器發(fā)出的電壓,；Usys為三相系統(tǒng)的電壓,；R為系統(tǒng)等效電阻，初次調(diào)試可視為零,；L為連接電抗電感值,；Icom為有源電力濾波器實(shí)際發(fā)出的三相電流；在離散系統(tǒng)下dIcom／ dt可視為△I／△T,，△I可以為期望的指令電流Iinst(指令電流為經(jīng)過(guò)計(jì)算的需要補(bǔ)償?shù)碾娏?和實(shí)際補(bǔ)償電流Icom的差值,，及△I=Iinst- Icom，△T是離散系統(tǒng)的采樣周期,，式(1)可寫(xiě)為：
當(dāng)忽略系統(tǒng)內(nèi)阻時(shí)(2)式可寫(xiě)為：
從式(3)可看出,，為了讓有源電力濾波器發(fā)出與Iinst指令電流相同的實(shí)際電流，只需控制IGBT發(fā)出Uout電壓,，即可獲得期望電流．而為了獲得 Uout指令,，必須知道式(3)中其余參數(shù)。其中L,，△T,，Usys均為已知量，因此只需知道Iinst和Icom即可求得Uout,，從而在連接電感中獲得所需電流,。因此精確地補(bǔ)償電流和精確的指令電流是補(bǔ)償精度的關(guān)鍵，而指令電流又是由負(fù)載電流經(jīng)過(guò)運(yùn)算獲得的,，因此準(zhǔn)確地獲得負(fù)載和補(bǔ)償電流是關(guān)鍵所在,。
2 分 析
逆變器電路在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生許多高頻電流諧波，這些高頻諧波會(huì)產(chǎn)生高頻電磁場(chǎng),，這些空間分布的高頻電磁場(chǎng)會(huì)在采樣電路中產(chǎn)生很多干擾,，會(huì)在信號(hào)傳輸線路當(dāng)中產(chǎn)生很多電壓干擾信號(hào)。由于導(dǎo)線分布參數(shù)的復(fù)雜和非線性特征,。這些干擾的電壓信號(hào)往往體現(xiàn)為噪音信號(hào),，噪聲是不能夠被信號(hào)濾波器完整濾除的,，通過(guò)低通濾波之后，其截止頻率以下的噪音信號(hào)任然保留,，而這些噪音信號(hào)將參與整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算,，最終影響發(fā)出，使得有源電力濾波器的實(shí)際的效果大打折扣,。電流采樣回路框圖如圖2所示,。
各部作用如下：
(1)傳感器。采集電力設(shè)備中的各個(gè)信號(hào),，使之轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所能識(shí)別的信號(hào),。傳感器一般要求精度較高，線性度較好,，溫漂盡可能小,。對(duì)于電力系統(tǒng)中的傳感器通常對(duì)于不同被測(cè)目標(biāo)做如下選型：通常使用變壓器(PT)做交流電壓信號(hào)輸入；使用電流互感器或者霍爾傳感器做電流輸入,。
(2)傳輸線路,。將傳感器(互感器)輸出的電信號(hào)傳遞給低通濾波電路．一般為導(dǎo)線即可。
(3)低通濾波器,。電力系統(tǒng)中的電壓電流信號(hào)一般不能直接送到A／D轉(zhuǎn)換器的輸入端,，同時(shí)PWM調(diào)制使得逆變器輸出中存在調(diào)制頻率附近的電流信號(hào)。這些信號(hào)也會(huì)被傳感器(互感器)送回采樣調(diào)理回路,，而這些高頻諧波是應(yīng)該盡量避免的,，因此調(diào)理回路當(dāng)中加入低通濾波器將這些高次諧波濾除并對(duì)信號(hào)做適當(dāng)縮放。
3 設(shè) 計(jì)
為了使信號(hào)能夠盡可能地少受到噪音的干擾．需要對(duì)以上分析的三個(gè)環(huán)節(jié)做充分的設(shè)計(jì),。電流互感器和霍爾型電流傳感器的選擇,，電流互感器遵循電磁感應(yīng)定律只能傳遞交變信號(hào)。而霍爾傳感器利用霍爾效應(yīng)可以傳遞各類(lèi)電流信號(hào),，由于有源電力濾波器有濾除電流不平衡度的需求,，因此需要采集直流分量信號(hào)，所以選擇霍爾傳感器,?；魻杺鞲衅靼摧敵龇绞椒譃殡妷汉碗娏餍汀ｋ妷盒洼敵鲇欣诤蠹?jí)運(yùn)放電路處理,，但由于前文所述的噪聲信號(hào)在導(dǎo)線中體現(xiàn)為電壓噪聲信號(hào),，因此，電壓輸出型傳感器的抗干擾能力很弱,。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)比較,，選擇了電流輸出型的閉環(huán)電流傳感器。
傳輸線路使用屏蔽線或者雙絞線，盡可能使干擾減?。绻褂闷帘尉€,，屏蔽層要接地(或設(shè)備箱體)；如果是雙絞線纏繞要均勻,，多股線先雙絞在相互纏繞,，盡可能在結(jié)構(gòu)上使得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相互抵消。另外,，走線盡可能的短,，盡量遠(yuǎn)離電感,，走線短是為了減少導(dǎo)線分布電感．遠(yuǎn)離電感是因?yàn)殡姼惺请姶艌?chǎng)發(fā)生的主要來(lái)源,，遠(yuǎn)離電感使得電磁場(chǎng)盡可能小，從而使得在傳輸線路當(dāng)中的噪聲電動(dòng)勢(shì)減小,。
采樣調(diào)理回路的選擇是另一個(gè)重點(diǎn),。電流信號(hào)中存在著大量PWM調(diào)制產(chǎn)生的高次諧波，這些諧波會(huì)影響運(yùn)算,，因此這些波形需要被濾除,。通用的方法是添加低通濾波器去除諧波?？梢赃x擇相應(yīng)的濾波器的結(jié)構(gòu),，使得幅頻特性符合濾波需求。但是對(duì)于有源電力濾波器,，需要生成的電流不是單一次數(shù)的諧波,，而是含有不同次數(shù)諧波的復(fù)合波形。為了真實(shí)地復(fù)現(xiàn)所需要的波形,，必須真實(shí)的獲得采樣信號(hào),，但是由于低通濾波器的存在，信號(hào)的群延時(shí)往往不同,，這就使得信號(hào)在通過(guò)低通濾波器前后不同頻率的諧波的延時(shí)不同．信號(hào)發(fā)生了畸變．最終的輸出必然會(huì)有誤差,，這個(gè)延時(shí)可由相頻特性反映。但是對(duì)于通常的低通濾波電路,，考慮的都是濾波器的相頻特性,，很少提及幅頻特性，更不用說(shuō)群延時(shí),。但是在實(shí)際的有源電力濾波器中,，相頻特性同樣很重要。相頻特性反映到時(shí)域中直接體現(xiàn)出濾波器對(duì)不同頻率信號(hào)的延時(shí)影響,；另外從群延時(shí)角度分析相頻特性,，還需要延時(shí)盡可能的低。但是對(duì)于低通濾波器而言，幅頻特性好意味著截止頻率低或者濾波階數(shù)高,，但同時(shí)延時(shí)必然會(huì)加大,，因此，如何權(quán)衡這二者關(guān)系是設(shè)計(jì)的一個(gè)問(wèn)題,。延時(shí)不單是由電容的增加產(chǎn)生的,，還與電路中的分布電容有關(guān)。濾波電容的固定之后,，需要進(jìn)一步減小或消除分布電容對(duì)電路的影響,；分布電容是由元器件的排列引起的。因此合理排列元器件可以盡可能消除分布電容,，但是,，這是件很難做到的事，故選擇一個(gè)集成的濾波器對(duì)此是最好的選擇,。本樣機(jī)選擇MAXIM公司集成濾波器MAX275構(gòu)造濾波電路,。
MAX275是美國(guó)MAXIM公司生產(chǎn)的通用型有源濾波器。它內(nèi)含兩個(gè)獨(dú)立的二階有源濾波電路,，可分別同時(shí)進(jìn)行低通和帶通濾波,，也可通過(guò)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)四階有源濾波，中心頻率／截止頻率可達(dá)300 kHz,。MAX275無(wú)需時(shí)鐘電路,，因此與開(kāi)關(guān)電容濾波器相比，其噪聲更低,，動(dòng)態(tài)特性更好,，能廣泛應(yīng)用于各種精密測(cè)試設(shè)備、通信設(shè)備,、醫(yī)療儀器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),。
該集成濾波器內(nèi)部含有電容和電阻，中心頻率,、品質(zhì)因素和放大倍數(shù)的改變只需改變外圍的R1～R4四個(gè)電阻就能完成,，并且有著很好的相頻特性。MAX275 集成濾波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部連接如圖3所示,，其中虛線框內(nèi)為MAX內(nèi)部部件,，外部為需選擇部件。同時(shí)MAXIM公司針對(duì)MAX275提供了專(zhuān)用設(shè)計(jì)軟件,。用戶(hù)只需輸入要求,，即可獲得相應(yīng)的電阻阻值選擇。
4 樣機(jī)運(yùn)行結(jié)果及分析
實(shí)驗(yàn)分別對(duì)開(kāi)環(huán)電壓輸出型霍爾電流型傳感器和閉環(huán)電流輸出型霍爾電流傳感器做比較分析,，運(yùn)行樣機(jī),，得出以下不同的補(bǔ)償效果。圖4為可控硅整流柜開(kāi)啟時(shí)的負(fù)載電流Iload。,，其中橫坐標(biāo)為時(shí)間,，單位為秒，縱坐標(biāo)為電流,，單位為安培,，可以看出該電流含有大量非基波成分，經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)儀器分析,，該電流含有大量的5 次和7次諧波,，這也印證了可控硅電路的諧波含有特點(diǎn)。為樣機(jī)安裝電壓輸出型霍爾電流傳感器,，測(cè)量Isys對(duì)可控硅整流柜的補(bǔ)償效果如圖5所示,，可見(jiàn)結(jié)果中電流趨于正弦，但仍含有很多毛刺,，經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)工具分析,，發(fā)現(xiàn)電路中雖然5次和7次諧波明顯降低,，但是出現(xiàn)了部分偶次諧波,，而這些待補(bǔ)償電流中原來(lái)沒(méi)有，說(shuō)明這些電流是由有源濾波器發(fā)出的,，而發(fā)出這些電流的原因歸咎于信號(hào)傳遞過(guò)程中的干擾,，這些噪聲信號(hào)通過(guò)低通濾波器后仍然留有部分頻率較低信號(hào)，參與運(yùn)算后得到了這樣的結(jié)果,。
在此盡力排好信號(hào)線,，做好屏蔽，縮短信號(hào)線,，信號(hào)線緊密纏繞,，并且換了電流輸出型霍爾傳感器，更改了調(diào)理回路,，運(yùn)行有源電力濾波器,，補(bǔ)償效果如圖6所示。圖6中可明顯看到電流波形變的光滑,，對(duì)稱(chēng)性提高很多,，使用儀器分析，發(fā)現(xiàn)5次和7次諧波明顯下降,，同時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)其他次數(shù)的諧波,。因此證明所做改動(dòng)成功。為使用閉環(huán)電流輸出型霍爾電流傳感器補(bǔ)償效果,。
表1為兩種補(bǔ)償效果做的對(duì)比結(jié)果,。
說(shuō)明：以上實(shí)驗(yàn)樣機(jī)額定電流為相電流200 A補(bǔ)償能力，諧波挑選了大于1 A的電流列表，當(dāng)樣機(jī)補(bǔ)償對(duì)象基波為150 A電流時(shí),，總畸變率可降低至5％以下,。
5 結(jié) 語(yǔ)
這里通過(guò)對(duì)有源濾波器工作原理的分析，找出可能影響濾波器工作效果的因素,，信號(hào)傳遞的失真是影響效果的最主要因素,，而對(duì)于傳感器，傳遞線路,，低通濾波器的合理選擇和處理可以最大程度的減小信號(hào)的失真度,，從而使得有源濾波器工作效果得到明顯的改善，使得樣機(jī)具有工程實(shí)際應(yīng)用意義,。