电源滤波器十篇

电源滤波器篇1

关键词： 电解电容 滤波电路 开关电源

在电子设备中，电容器被广泛运用：诸如滤波、退耦、高频补偿、提供交流反馈、隔阻直流、抑制密勒效应，等等。交流电经过二极管整流后，为了获得较低的波纹电压、还需经电容器滤波后才能使用。一般地说，大容量的滤波电容器可以提供更平滑的输出电流。但理论和实践可以证明，当电容量达到一定值后，即使再加大电容量对优化滤波效果也无明显作用，应当根据负载电阻和输出电流的大小来选择最佳的电容量。滤波回路应用最多的是铝电解电容器。现在电子设备中常用有两类稳压电源，串联稳压电路和开关稳压电路。这两种电源电路对输出滤波电容器有不同的要求。

一、电解电容器的基本性能

电解电容器有多种性能参数。在它封装外壳上一般有容量标示，指静电容量及耐压标示，指工作电压或额定电压。

工作电压为绝对安全值；如果工作时的峰值电压超过这个电压值就可能使此电容器损坏。根据国际IEC384-4规定，低于315V时，Vs=1.15×Vr；高于315V时，Vs=1.1Vr。Vs为峰值电压，Vr为额定电压。

除了静电容量及工作耐压两个参数外，有关电源滤波电容器的参数还有：容量误差、工作温度，等等。反映电容器物理性能的特性参数有以下几个。

1.介质损耗

绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗，也叫介质损失。在交变电场作用下，电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角（功率因数角Φ）的余角δ。电容器在电场作用下，在单位时间内因发热所消耗的能量叫做损耗。各类电容都规定了其在某频率范围内的损耗允许值，在交变电场的作用下，电容的损耗不仅与漏导有关，而且与周期性的极化建立过程有关。随着频率的上升，电解电容器的介质损耗呈现增大的趋势，介质损耗大的电容器在高频下工作更易发热。

2.漏电流

铝电解电容在工作时一定会产生漏电流。漏电流的计算公式大致是：I=KCV。漏电流I的单位是μΑ，K是常数，由于制造标准不同大约在0.001到0.03之间。同一品牌的电容器，容量愈高，漏电流就愈大。在要求比较高的工作场合，漏电流应予考虑。显然降低实际工作电压可减少漏电流，也就是适当提高所用电容的耐压值。相同容量和耐压的铝电解电容的漏电流比钽电解电容高许多。

3.等效串联电阻

电容器会因其构造而产生各种阻抗、感抗，比较重要的就是ESR等效串联电阻及ESL等效串联电感――这就是容抗的基础。ESR与电容器的容量、电压、频率及温度等因素有关。当额定电压固定时，容量愈大ESR愈低。用多个小电容并接成一个大电容可降低阻抗，其理论根据是电阻并联阻值降低。反过来说，当容量固定时，选用高额电压的品种也能降低ESR；工作频率对ESR也有影响：低频时ESR高，高频时ESR低；此外，高温也会造成ESR的升高。

二、简单电路中滤波电容值的计算

在滤波电路中，输入电压为正弦交流电220V，50Hz。在电容的充电过程中，二极管等效电阻为R，得

将其包含表达式并整理得：

U′（t）+U（t）=U（5）

这是一阶非齐次微分方程，其解为：

U（t）=U（t）+U（t）=U（t）=e+cos?t+sin（?t）

在电容的放电过程中，电容只和电阻组成回路，其放电方程为：

U（t）=Ue（6）

其中，U为电容充电时达到的最大电压。

一般地，只要简单估算就能达到实际应用的要求。电容的选择应满足下式：

RC?垌（7）

F=100Hz。也可将上式写成：

C?垌（8）

在（8）式中我们可以看到在简单的整流电路中，滤波电容器的容量大小和电源频率成反比，和电路负载电阻成反比。具体数值可取（8）式右边的5―10倍。在电源频率一定的情况下，负载电阻越小，即负载越大，滤波电容的容量应该越大。显然，如果提高电源频率，也可减小滤波电容的容量。

三、开关电源输出滤波电容的计算

由于开关电源输出电压是脉冲波形，必须有LC滤波器和续流二极管D才能得到平滑的直流输出电压。在简单的计算中可忽略开关管、续流二极管，以及滤波电感器的压降和损耗。

续流二极管D上的反向电压U等于U。电感L上的电压为：

U-U=Ldi/dt（9）

开关管截至时，二极管因正向导通u=0，使开关管集电极电位U=0，电感L上的电压为：

-U=Ldi/dt（10）

可以认为在一个开关周期中，U和U都是不变的，则由上两式可知通过电感L的电流i是线性地增长和减小的。其平均值为I。

二极管D的反向电压U、电感L两端电压u、通过电感的电流I及输出电压u的波形。当时间变化t/2时，电感L中电流变化Vi，由式（10）可得：

L=•（11）

考虑到U=Ut/T=d•U，式中T=t+t是开关周期，t是导通期，t是截止期。d=t/T是脉冲占空系数。式（11）可写为：

L=（1-d）（12）

为保证电感电流i不出现截止，应有VI≤I。通常把出现电流截止条件VI=I时的电感值称为临界电感：

L=R（1-d）2f（13）

式中，R=U/I是负载电阻。为可靠防止电流截止，选L=2L。

图2中在电感中电流超过平均电流I的T/2期间，过量的电流使电容C充电。输出电压u由最小值变化为最大值，总变化量为2VU。则在T/2时间中流过电感的总电量：

VI=2VUC（14）

将式（12）和（13）代入式（14），求得开关电源输出滤波电容为：

C=（15）

电源滤波器篇2

关键词：有源电力滤波器 直流电容参数 能量流动 瞬时无功理论

1 概述

电力电子技术的应用改善了电力系统的性能，但是也带来了电网中谐波的污染问题。随着人们对电力环境优化要求的提高，对谐波进行治理的技术也成为人们研究的热点。电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。

有源电力滤波器是治理谐波的最优产品。参考文献[1]中提出了有源电力滤波的瞬时无功理论，参考文献[2]分析了有源电力滤波器在非理想条件下电流滞环控制，参考文献[3]研究了新型注入式混合有源滤波器的数学模型及电流控制方法，文献[4]分析了并联有源滤波器的最优电压滞环电流控制和有源滤波器滞环电流控制的矢量方法，对不同电流跟踪方式APF连接电感选取与设计进行了研究。并且对有源电力滤波器中连接电感的特性分析及优化进行了分析。但对有源电力滤波器直流侧电容的参数如何确定涉及的文献较少。本文根据瞬时无功理论分析了用于不同补偿目的时有源滤波变流器交直流侧能量的流动关系，给出了变流器的有功损耗和瞬时有功功率交流分量是引起电压波动的原因，以三相不可控负载为例给出了电容值选取的具体计算方法。

2 APF工作原理及能量流动分析

有源电力滤波器（APF）的组成分为两部分。第一部分电路系统是指令运算，第二部分电路系统是补偿电流。系统的主要电路包含PWM变流器，缓冲电路，直流侧电容电路，交流侧电感几部分组合而成。控制系统组成分为三部分。第一部分为指令运算，第二部分为电流跟踪，第三部分为驱动电路。APF的主电路是通过6组开关器件来进行控制的，通过这些开关器件的通断组合来决定主电路的工作状态。

如果忽略各部分的损耗其交流侧的瞬时有功功率将全部传递到直流侧。即交直流侧的能量交换主要取决于瞬时有功功率P，从而引起直流电压波动。假设电源提供的瞬时有功和瞬时无功功率为pS和qS，滤波器提供的瞬时有功和瞬时无功功率为pA和qA，负载的瞬时有功和瞬时无功功率为pL和qL。当只补谐波时负载所需的瞬时有功和无功率的交流分量由滤波器提供。此时电源只需提供负载所需的瞬时有功和无功率的直流流分量，即对应电流的基波分量。有源滤波器提供负载所需的瞬时有功和无功率的交流分量。由于瞬时无功只在交流侧三相之间进行，在APF交直流侧进行交换的能量只有瞬时有功交流的分量，其平均值为零。当只补无功时负载所需的瞬时无功率分量由滤波器提供，有功分量由电源提供。此时APF交直流侧没有能量交换。当同时补偿谐波和无功时，负载所需的瞬时无功功率由滤波器提供，负载所需的瞬时有功功率交流分量由滤波器提供，瞬时有功功率直流分量又电源提供。在APF交直流侧进行交换的能量只有瞬时有功交流的分量。

3 补偿电容值的计算

电容电压的波动主要是由能量交换引起。在忽略变流器等损耗的情况下，在只补无功时交直流侧能量交换为零，电容值提供直流电压，容值可为零；对于其他两种情况，有源电力滤波交直流侧能量交换为负载的瞬时有功的交流分量。虽然其平均值为零，但是其将会引起直流侧电压的波动。

假设电源电压无畸变，电源电压三相电压，且负载电流为三相电流，由瞬时无功理论可求得负载的瞬时有功功率和瞬时无功率。电容的C值由关系式∫%pdt=0.5×C×(Udc+Udc)2-0.5×C×Udc2确定。

4 仿真与实验结果分析

利用Matlab/ Simulin进行仿真。直流电容电压的仿真图如图所示，仿真模型负载选用相电压220V三相不可控负载。采用ip-iq法产生指令电流，利用三角波比较法使输出电流跟踪指令电流，直流侧电容电压的稳定采用PI调节，KP=8，Ki=0.01。时间每格为10ms。通过具体的实验测量，得到的电源电流的THD值也从25%下降到4.8%。实测直流电容电压波形中，电压每格20V（采用10:1霍尔），时间每格为4ms。从直流电容电压波形图分析中可以看到周期性的波动，其上下波动的变化范围在±5V,如果直流电容电压是900V的话，测量的纹波为0.55%。由以上的测量结果可以看出本系统对直流环节具有较好的控制效果，其直流波动指标可以满足要求。

5 结论

对于有源电力滤波而言，要想取得良好的补偿效果，除了需要先进的算法和控制策略外，其电容参数的选取同样重要。本文根据有源电力滤波的原理与数学模型分析了直流电容电压和电网电压的关系，得出了直流电容电压的确定原则；根据瞬时无功理论分析了只补谐波或者只补无功和两者同时补偿时有源滤波交直流侧能量的流动关系，给出了变流器的有功损耗和瞬时有功功率交流分量是引起电压波动的主要原因；以三相不可控负载为例给出了电容值选取的计算方法；最后通过仿真和实验利对直流电容参数的确定进行了验证，电容的波动小于5V，补偿后电流的THD值小于5%，取得了理想的效果。

参考文献:

[1]王兆安，杨君等.谐波抑制和无功功率补偿「M].北京:机械械工业出版，1998.

[2]徐君，徐德洪.并联有源滤波器非理想条件电流滞环控制分析[J]，电力电子技术，2007，41（1）：60~63.

电源滤波器篇3

关键词：并联；有源电力滤波器；设计

1.引言

随着科学技术的发展，大量的电力电子装置广泛的应用于工业的各个领域，给工业带来了翻天覆地的变化，但大量电力电子装置的广泛应用，同时也给电力系统这个环境带来了严重的“污染”，其根本原因就是电力电子装置是非线性负荷，在系统中运行会产生谐波，造成十分严重的危害。治理谐波污染已成为当今电工科学技术界所必须解决的问题，开发和研制高性能的谐波抑制装置迫在眉睫。改善电网质量，必须要控制电网中的无功与谐波，因此提高功率因数与抑制谐波就推动了各种谐波抑制与无功补偿技术的大力发展。针对谐波抑制，目前国际上有两个方面，一是从谐波源出发，对非线性负载使用合理的电路结构，使负载产生较少的谐波，甚至不产生谐波。二是增加外部电力电子设备来补偿谐波，这种方案适用于所有的谐波源。有源滤波器就是一种能够对电网中的谐波进行抑制与无功补偿的设备[1]。文以并联型APF来介绍滤波器的原理。

2.并联型有源滤波器

并联型APF与非线性负载在电网中是以并联电路接入的，并联型有源电力滤波器的主电路由变流器，电感以及直流侧储能元件所构成，并联型有源滤波器相当于一个受控电流源，主要用于补偿电流型的谐波和无功电流，能够对谐波与无功功率同时进行补偿也能够单独补偿。并联型APF安装方便，损耗较小，成本相对较低，而且补偿性能好，所以目前是应用最为广泛的一类滤波器[2]。

2.1并联有源电力滤波器结构原理

本系统是基于三相三线制的并联型有源电力滤波器（简称APF），交流电网对各种负载供电，负载中存在非线性负载谐波源，产生谐波、消耗无功。APF由四部分组成：主电路、IGBT驱动电路、数字控制电路和谐波电流检测电路。本系统原理是根据瞬时无功功率理论的ip-iq算法原理，首先由DSP、FPGA等数字控制器计算出三相电流中的谐波分量，再利用不同的方法产生驱动开关元件的PWM指令，这些信号经过相关电路变成驱动信号驱动相应的开关器件，进而产生与非线性负载电流相位相反，幅值为负载电流中的谐波分量幅值的补偿电流，从而达到滤波目的。

2.2 滑窗FFT递推算法

DFT及其快速算法FFT是数字信号处理领域的核心组成部分。FFT算法多种多样，按数据组合方式不同一般分时域法和频域法，按数据抽取方式的不同又可分为基2和基4等。各算法的缺点视不同的制约因素而不同。FFT的实现方法也多种多样，可以用软件实现，也可以用硬件实现。在数字通信系统中，经常用到信号谱线技术，这种技术利用离散傅里叶变换将信号从时域变换到频域，达到信号检测、信道估值、同步和调解的目的。

3.电流控制策略

对电流的控制是有源滤波器中另一关键因素，存在于APF中的电流跟踪控制部分，控制主电路中的变流器产生与谐波大小相等，方向相反的电流。

3.1 无差拍控制

无差拍控制电流是采样控制系统中一种特有的控制方式，在每一个开关周期内计算变流器在下一个开关内的占空比，其原理是利用下一个采样时刻指令电流的预测值和当前时刻采样电压和电流值，计算当前指令电压或指令电流，以达到电流跟踪误差为零的目的，如图2所示。

无差拍控制属于开环控制，存在稳态误差，对于环境及参数依赖较强而产生误差。其良好的电流跟踪效果需要有合适的电流预测方案来保证，而这种不进行预测的无差拍控制实为差一拍或差几拍控制，由频谱分析可知，补偿之后电源电流的低次谐波含量较高。

3.2 重复控制

重复控制策略是基于内模原理的，在一个周期性的信号中，它能将每个周期中的误差存储下来，并且进行逐周期累加，是一种有效的波形校正技术，能够消除周期性扰动的影响。

3.3 重复控制的无差拍控制电流

由于无差拍控制对参数依赖性较强，其滤波效果受预测方案影响较大，而重复控制最大的缺点即是动态响应速度过慢，因此可以将二者结合起来对电流进行控制。在电网中，非线性负载产生的谐波无功电流各不相同，但是由于谐波电流的出现具有重复性和周期性，平推算法的预测值与实际值之间的误差也将以固定的波形重复出现[3]。采用重复控制结合无差拍控制电流的方法，利用重复控制对电网电流进行超前一拍的预测，由于无差拍控制对于电流预测值总是会产生延时，因此将二者结合在一起，可以改善无差拍控制电流的性能。将重复控制器置于无差拍控制之前，通过对上一开关周期误差信息的收集，能够在下一周期到来时，给予正确的幅度，相位补偿值，然后迅速的消除该周期的误差。重复控制减小谐波失真，改善系统误差，无差拍控制提高系统的动态响应。将两者结合在一起能够对变化的电流有很好的适应能力，当电网中的参数变化，两种控制方法能够很好地对变化的电流进行跟踪，从而准确得出控制主电路的开断信号。

4、结语

随着电力电子技术的快速发展，各种非线性功率器件的广泛应用，大量谐波和无功功率注入电网，造成系统效率降低，功率因素变差，严重影响电网和用电设备的安全运行。有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）通过向电网注入与原有谐波和无功电流大小相等方向相反的补偿电流，可以补偿电网的谐波和无功功率、提高电能质量、增强电网的可靠性和稳定性，其良好的滤波性能在国内外引起了广泛关注。但是目前有源电力滤波器的采样频率较低，而且多路采样结果之间有延时，因此设计一套并联型有源电力滤波器对于提高电能质量以及系统的安全使用有着十分重要的意义。本文设计了一种并联有源电力滤波器，详细介绍了并联有源电力滤波器的原理、算法以及电流控制策略。

参考文献：

[1]李战鹰，任震，杨泽明.有源滤波装置及其应用研究综述[J].电网技术，2004，28（22）：40-43.

电源滤波器篇4

关键词:pwm控制;谐波抑制;滞环比较;三角波比较

0 引言

有源电力滤波器由于其优良的性能而在电力滤波中逐渐替代无源滤波器。由于有源滤波器的原理是自身实时产生一个与谐波方向相反,幅值相同的补偿电压(电流),这就要求滤波器产生的补偿电压(电流)必须具有很好的跟踪性和准确性。pwm(脉冲宽度调制)控制是有源电力滤波器控制系统中最常用,也是最有效的控制方法。当检测系统检测到谐波后,指令运算电路根据检测到的谐波产生补偿信号,该信号通过跟踪控制电路生成pwm信号,最后驱动电路根据pwm信号产生补偿电压(电流)。目前采用的pwm控制方式主要有滞环比较方式、三角波比较方式、无差拍控制、单周控制等,以上方法都有自己的优缺点,本文将对几种常用的pwm控制方式进行探讨。

1 滞环比较pwm控制方式

滞环比较控制方法是将补偿电流(电压)的指令信号与逆变器实际电流(电压)补偿信号进行比较,两者之差输入到具有滞环特性的比较器,通过比较器的输出来控制开关的开合,从而达到变流器输出值实时跟踪补偿电流(电压)参考值。

补偿电流的指令信号i*c与实际的补偿电流信号ic进行比较,两者的偏差ic作为滞环比较器的输入。用h表示滞环比较器的环宽,当∣ic∣h时,滞环比较器的输出将翻转,则补偿电流ic的方向随之改变,使ic减小,保证了补偿电流跟踪指令电流的变化。这种控制方法硬件电路简单,属于实时控制方式的一种,补偿量响应快,开关损耗小,而且不用载波,在逆变器的输出中不含特定频率的谐波分量。缺点是系统的开关频率、响应速度及电流的跟踪精度会受滞环带宽影响。带宽固定时,开关频率会随补偿电流变化而变化,从而引起较大的脉动电流和开关噪声。

2 三角波比较pwm控制方式

三角载波比较的跟踪控制方法是最简单的一种控制方法。

该方式将补偿电压的指令信号u*c与实际的补偿电压信号uc进行比较,两者的偏差uc经放大器a之后再与三角波比较,所得到的矩形脉冲作为变流器各开关元件的控制信号,从而在变流器输出端获得所需的波形。放大器a往往采用比例放大器或比例积分放大器。这样组成的一个控制系统是基于把uc控制为最小来进行设计的。该调制方法的最大优点是开关频率固定,简单易行,响应速度快,对具有足够高开关频率的系统有良好的控制特性,缺点是输出波形中含有与三角载波相同频率的高频畸变分量,开关损耗较大,在大功率应用中受到限制。

3 无差拍控制

无差拍控制是一种建立在精确数学模型与严密数学推导之上的状态反馈控制,控制质量很大程度上依赖于控制器参数与主电路参数的配合。无差拍控制的主要特点是采用预测的手段,其基本思想是根据在第k个采样时刻所检测的负载电流和补偿电流,计算第k+l时刻的指令电流值和各种可能开关状态下补偿电流的预测值。然后计算某种特定的目标函数(一般为指令值和预测值的累计误差),选择目标函数最小的开关状态作为k+l时刻的开关依据。这种控制方法的动态性能好,可以消除稳态误差,并且能在最短的时间内结束过渡过程,它的缺点是对模型参数敏感而且鲁棒性差。另外控制器参数是根据主电路元件标称参数计算得到的,标称参数与元件的实际参数存在着一定的差,且受温度、运行条件的影响会有一定的漂移,这样就会导致控制器参数与主电路参数不能很好地配合,从而引起系统极点改变,破坏无差拍控制条件。

4 单周控制

单周控制是一种非线性控制法,将非线性控制的本质与开关电路有机的结合,可以实现快速的瞬态响应。这种方法的基本思想是:控制开关占空比,在每个周期内使开关变量的平均值与控制参考值相等或成一定比例,从而消除稳态和瞬态误差,使前一周期的误差不会带到下一周期,实现对控制参考的瞬时跟踪。

单周控制法作为一种新型非线性控制法,具有结构简单、控制精度高、响应速度快,特别是具有控制性能对系统和电源参数变化不敏感等优点,克服了传统的pwm控制方法的不足,适用于各种脉宽调制、软开关、谐振开关等开关逆变器,用用于有源电力滤波器控制时,具有不需要检测、可分离畸变信号和控制电路简单等优点。

5 最优矢量控制

最优矢量控制方法选取最优的空间电压矢量,对电流(电压)偏差微分矢量进行控制,从而实现对电流(电压)偏差矢量的控制。在获得电流(电压)的快速响应的同时,抑制了输出电流(电压)的高次谐波,降低了功率器件的工作频率,降低了有源滤波器的损耗。

6 结束语

本文对有源电力滤波器主要的几种pwm信号控制方法进行了介绍和比较,另外pwm信号控制方法还有空间矢量控制法、模糊逻辑控制法、自适应控制法以及学习控制法等,它们在应用中都各有优势和不足。在实际应用中一般根据侧重点以及具体环境、条件的不同而选择最适合的方法。

参考资料

[1]叶忠明等.一种混合有源电力滤波器的研究.电力系统自动化.1998(7)

[2]孙辉等.电能质量调节技术及其应用.大连理工大学学报.2003,3

[3]李玉梅,马伟明.无差拍控制在串联电力有源滤波器中的应用.电力系统自动化.2001,25

[4]万健如,裴玮等.统一电能质量调节器同步无差拍控制方法研究.中国电机工程学报.2005,25(13)

[5]蒋强.基于dsp的三相有源电力滤波器控制系统设计[d].四川大学.2002

电源滤波器篇5

【关键词】有源电力滤波器；模块化；均流控制；FPGA

0 引言

随着非线性负载在配电网中的应用日益广泛，电能质量严重恶化，而工业发展对电能质量提出了更高的要求，对电网谐波的限制也越来越严格[1]。有源电力滤波器（APF）是解决谐波问题的理想设备，理论上可以补偿任意次数的谐波电流和无功功率，具有良好的动态性能，受到广泛的关注。单因其造价和技术原因，特别是容量的问题，在大功率应用领域受到制约[2-3]。

目前，大容量APF的研究取得了较多成果如混合型APF，但因其无源部分参数设计难度大，而且容易发生谐振等缺陷，缺乏通用性；多电平APF具有单机容量大的优点，但电路控制不仅复杂而且对可靠性要求很高，价格也比较昂贵。多模块并联APF则比较灵活，可以应用于不同容量的谐波抑制场合，而且有利于标准化大规模生产。[4-5]

本文提出基于FPGA为核心控制芯片的新型模块化APF，FPGA具有设计灵活、速度快、不受干扰的特点；按模块容量比例均流控制策略不仅可以增加了设备谐波补偿的能力，而且提高了设备的可靠性和安全性。实验结果验证了理论分析的正确性。

1 原理、结构和控制方法

本文中的有源电力滤波器实现完全模块化，基本结构如图1所示，装置由两部分组成：一为装置的控制系统；二是装置的功率模块。其中功率模块中集成了一个模块级别的FPGA控制系统、IGBT功率模块、直流侧并联电容和交流侧接入电感。各个模块之间为并联连接，当单个模块的容量不能满足系统谐波补偿要求，装置需要扩容时，只要增加装置的功率模块就可以了，使得装置可以广泛适用于各种不同容量的谐波抑制场合。

APF控制系统包括指令电流运算、补偿电流跟踪控制以及PWM驱动电路环节。根据APF工作原理知，模块化APF控制系统应当满足以下要求：（1）能够快速、准确地检测出系统电流的谐波成分、计算出指令电流；（2）能够良好地控制各个功率模块产生动态跟踪的高精度补偿电流；（3）功率模块直流侧电容电压保持稳定；（4）能够让各个滤波模块合理分担补偿电流。[6]

图1 模块化APF基本结构

按照其控制系统的要求，图2给出了模块化并联型APF控制系统的控制方法原理图，其中：

C=sinωt -cosωt-cosωt -sinωt（1）

C■=■1 -1/2 -1/20 ■/2 -■（2）

C■=C■■（3）

其谐波电流检测及补偿电流控制方法为：

（1）对电网电压进行采样，低通滤波锁相后形成与电网电压同步的正弦、余弦信号。用于谐波电流监测运算，同时保证电流采样时刻也与该正弦、余弦信号同步。

（2）三相负载电流经基于瞬时无功理论的谐波运算提取到所需补偿的谐波电流，经过直流侧电压闭环PI控制得到用于稳定直流电压的有功电流，两种电流叠加形成逆变器的指令电流，将指令电流均分后作为各个模块的补偿电流给定，与各个模块的输出反馈电流作差，采用滞环比较控制环节形成PWM信号，经驱动电路控制逆变器产生补偿电流。

图2 APF算法框图

2 控制系统硬件设计

因为有源电力滤波器对信号处理的实时性要求特别高，所以本文设计了以Xilinx公司的Spartan3E型FPGA为主控芯片的控制系统。它由数据采集单元A/D、基于FPGA的主控单元及片外存储器组成。FPGA是具有极高并行度的信号处理引擎，能够满足算法复杂度不断增加的应用要求，通过并行方式提供极强的信号处理能力，速度快、实时性强。[7]

2.1 数据采集

A/D转换芯片采用的是Analog Devices公司的AD7865芯片，他是一款高速多通道数据采集芯片，具有四个采样/保持通道和一个快速A/D转换单元，可以实现同步采样；支持双极性模拟输入，抗混叠滤波电路输出的5V之内的信号可直接送入采样电路，无需转换电平，大大简化了硬件电路，有效减少了因信号转换电路带来的额外误差。图3 给出了AD7865与FPGA的接口电路。

图3 AD7865与FPGA接口电路

2.2 电源及保护电路

电源电路由交流220V供电，产生控制电路元件、电流传感器及驱动所需的5V电压。FPGA所需的3.3V、1.2V核心电压由专用电源芯片提供。故障保护电路监测直流电压、负载电流以及输出不畅电力，当直流过压、负载过载以及输出过流时，实施保护动作。

3 控制系统软件设计

FPGA主要功能是协调整个系统的工作并完成运算和控制功能，包括控制A/D转换的启动和停止、读取A/D转换结果至block RAM中缓存、实现采样算法、并实现数字化PI控制器、输出PWM脉冲。

在设计中采用Verilog DHL硬件语言，进行模块化设计，以加快处理速度，模块通过接口被其他模块调用。

3.1 谐波计算

先设计一个计算控制寄存器（COMUTER-CONTROLC），用于计算的时序控制，当寄存器上升沿时，启动计算程序，先从RAM中读取电流的三个采样值，进行基于瞬时无功理论的三相到两相坐标变换，然后读取sin， cos值并计算得到ip、iq。

图4 FPGA中谐波计算模块调用关系

3.2 电流控制与直流侧电压控制

输出电流闭环控制是控制系统的一个重要组成部分，对设备的响应速度、电流跟踪精度影响很大。三相独立滞环电流控制具有结构简单、响应速度快、跟踪精度高和稳定性好等优点，并且对三相不平衡系统的补偿效果较好，因而应用较广。FPGA易于实现灵活的置换电流跟踪控制与功能完整的驱动脉冲调理功能。图5给出了A相驱动脉冲生成与保护电路框图。

图5 驱动脉冲生成与保护电路结构

直流侧电容电压到达给定值前，直流电压稳定标志无效，输出稳定控制模块的脉冲信号，电容继续充电；直流电压稳定到给定值后，电压稳定标志有效，PI调节器的计算结果经过滞环电流跟踪模块输出脉冲信号，APF正常工作。

A相脉冲信号经最小脉宽封锁与四驱时间调整模块处理后，输出为驱动功率模块上下桥臂的两路信号Ug1和Ug4。保护模块由纯逻辑电路硬件实现。当主电路出现过流、过压等故障时，控制器可以迅速封锁驱动脉冲的输出，及时有效地保护功率器件。保护动作滞后时间很短，只与器件的不限延迟和决断时间有关。

4 实验结果

利用所研制的有源电力滤波器装置进行了补偿实验。实验条件：380V三相四线系统，负载为三相整流桥接电阻负载。

图6给出了实验电流波形及频谱图。采用FLUKE 43B谐波测试分析仪。补偿前电流THD为13.72%，补偿后THD为1.25%。

（a）补偿前电流波形及频谱

（b）补偿后系统电流波形及频谱

图6 实验电流波形及频谱图

5 结语

本文介绍了以FPGA为核心控制芯片的模块化有源电力滤波器，给出了系统结构拓扑，完成了控制系统软硬件设计，并进行了谐波补偿实验。实验结果证明本文提出的模块化结构、控制系统设计的正确性，并且模块化有源电力滤波器具有优秀的滤波功能，可达到降低线路损耗、改善电能质量的重要作用，具有良好的工程应用价值。

【参考文献】

[1]肖国春，刘进军，王兆安.电能质量及其控制技术的研究进展[J].电力电子技术，2000，36（6）：58-60.

[2]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，1998.

[3]蒋平，邓俊雄，曹莹.一种先进的电网谐波检测方法[J].电工技术学报，2000，15（6）：70-74.

[4]杨振宇，赵剑锋，唐国庆.多台并联型APF联合补偿协调控制[J].电力系统及其自动化学报，2006，18（6）：32-37.

[5]鞠建永，陈敏，徐君，等.模块化并联有源电力滤波器[J].电机与控制学报，2008，12（1）：20-25.

电源滤波器篇6

关键词：单相有源滤波器；谐波电流检测；Matlab仿真

中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）31-0004-02

有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波进行补偿，其应用可克服无源滤波器等传统的谐波抑制方法的缺点，因此，近年来，国内外都在进行有源电力滤波器的研制。有源滤波器与无源滤波器的最大区别，它是一种向交流电网注入补偿谐波电流，以抵消负荷所产生的谐波电流的主动式滤波装置，其结构上由静态功率变流器构成，具有半导体功率变流器的高可控性和快速响应性。

本文对同一主电路采用了两种不同的谐波检测方法，并通过Matlab软件对它们的补偿效果进行了仿真验证。

1 有源滤波器的基本原理

有源滤波器的主电路为一电压源逆变器，其补偿的负荷为电力变换装置。如我们经由有源滤波器向系统中注入与负荷电流中的高次谐波分量iLh波形相同但方向相反的补偿电流iF，则高次谐波源所产生的高次谐波电流就可以被就地抵消掉。显然，这可以利用简单的反馈控制的方法来实现。关键问题在于如何检出负荷电流iL中所含的高次谐波分量，从而据此确定补偿器应向系统中注入的电流。

2 谐波检测方法

2.1 基于有功电流分离法

设电源电压为正弦，式中U为电压有效值，负荷畸变电流iD（t）经傅立叶分解为：

ilp（t）+ilq（t）+ih（t）

其中，In、φn分别为n次谐波电流的有效值和相位角，n为正整数；I1、φ1分别为基波电流的有效值和相位角。

ilp（t）=Ipsinωt

ilq（t）=Iqcosωt

ih（t）=∑1.414Insin（nωt+φn）

分别为基波有功、无功电流分量和谐波电流分量；Ip、Iq分别为基波有功和无功电流的最大值，且，

。如果确定了Ip和Iq的值即可确定ilp（t）和

ilq（t）。

为此，在式（1）两端同乘以sinωt，同时利用三角函数的有关特性有：

基波有功电流幅值的一半，用低通滤波器滤波，将增益扩大一倍，再与sinωt相乘，从而得到ilp（t）。

同理，我们可得到基波无功电流幅值的一半，用低通滤波器滤波，将增益扩大一倍，再与cosωt相乘，从而得到ilq（t）。

进而可得谐波电流：

ih（t）=iD（t）-ilp（t）-ilq（t）

由于流入有源电力滤波器的有功电流直接影响其直流侧电容电压，因此通常将直流侧电容电压与给定的参考电压的差经过比例积分（PI）环节后的输出叠加到有源电力滤波器参考电流的有功电流分量中，完成对电容电压的控制。其中udc为直流侧电容电压，uref为给定的参考电压。

2.2 改进的检测方法

以检测谐波电流和无功电流为例，当基波有功电流增大时，由于低通滤波器的延时作用，检测出的基波电流不能迅速跟踪实际值，在一段时间内，基波的检测结果要比实际值小。这样，输出的谐波及无功电流中含有与系统基波有功电流同相位的成分，反馈到输入端，将使得检测出的基波有功分量有所增大，从而补偿了过渡过程中的检测误差，加快了动态响应速度。同样，当基波有功电流减小时，过渡过程中输出的谐波及无功电流中含有与系统基波有功电流反相位的成分，因此使检测出的基波有功分量迅速衰减，补偿了低通滤波器的延时。负反馈参数K的设置可通过Matlab仿真逐步调节。

3 仿真研究

仿真系统具体参数为：电网相电压幅值220V，50Hz；系统等效阻抗L1=0.2mH，R1=0.01Ω；整流器交流侧换向阻抗L2=2.0mH，R2=0.3Ω；整流桥直流侧负载L3=20mH，R3=2.0Ω；逆变器交流侧阻抗L4=10mH，R4=0.1Ω；逆变器直流侧电容C=2000μF，直流电压为500V。

在本仿真中，电流跟踪控制策略采用以滞环控制为基础的PWM脉宽调制，该方法具有开关损耗小、动态响应快、不用载波、输出波形中不含特定频率的谐波分量等优点。图2中直流分量Ip在和正弦信号相乘之前，要经过逆变器直流侧电容电压PI调节器输出值的修正，从而保证直流侧电容电压的稳定。低通滤波器LPF阶数为二阶，截止频率为20Hz。仿真采用ode23tb算法。

为了验证APF的动态响应特性，要求负载电流在0.2s时发生突变，R3由2.0Ω变为1.0Ω。

分别给出了单相并联型有源滤波器采用基于有功电流分离法和改进谐波检测法的仿真结果。其中iL为负载电流，is为电网电流，ih为补偿的谐波电流。可以看出改进前谐波检测法下电网电流在APF起动后大约0.05s进入稳定状态，负载突变时大约在0.13s进入稳定状态；改进后谐波检测法下电网电流在APF起动后大约0.04s进入稳定状态，负载突变时大约在0.12s进入稳定状态。可见，后者比前者提前半个周期进入稳定状态，响应速度更快。

由FFT分析可以得到，基于有功电流分离法下电流总畸变率由滤波前的22.42%下降到滤波后的3.21%；而改进谐波检测方法下电流总畸变率下降到3.32%，可见滤波效果

相当。

上面的仿真分析说明单相有源滤波器在两种谐波检测方法下的补偿效果都不错，且直流侧电容电压控制得比较稳定。其中改进的谐波检测方法下APF进入稳定状态更快。

4 结语

本文介绍了并联型有源电力滤波器的基本原理，重点分析了两种不同谐波电流检测方法，用Matlab软件搭建了APF仿真模型，将两种谐波检测方法应用于同一主电路拓扑结构，给出了仿真结果。仿真结果表明两种检测方法下APF都能够快速响应，实时补偿，并保持电容器电压维持在一定的水平。其中改进的谐波检测方法响应速度更快，更适合对动态系统的谐波电流进行检测。

参考文献

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[4] 李天博，孙雨华，廖志凌.一种单相电路无功电流实时检测新方法的研究[J].电测与仪表，2003，（7）：8-9.

[5] 陶骏，刘正之.谐波及无功电流检测方法的研究[J].电力系统自动化，2001，31（1）：31-33、44.

[6] 孙生鸿，.谐波及无功电流的直接检测方法[J].电力系统自动化，2002，26（19）：52-55.

电源滤波器篇7

【关键词】有源滤波；电力变压器；节能技术；研究

一、前言

作为一项实际应用效果良好的控制方法，有源滤波控制技术在近期得到了长足的发展和进步。研究其理念下的电力变压器节能技术，能够更好地提升有源滤波控制的实践水平，从而有效优化电力变压器节能技术的最终整体效果。

二、有源滤波器控制概述

近年来，随着电力电子技术的高速发展和电力电子设备的普及，使得谐波对电网的污染日趋严重。电力电子装置自身所具有的非线性导致了电网中含有大量谐波，给电力系统带来了严重的谐波污染。谐波是指对周期流进行的傅里叶分解后得到频率不为基波频率的分量。有源电力滤波器（APF）是一种能动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能对幅值和频率都变化的谐波进行快速的跟踪补偿且补偿性不受系统阻尼的影响，其控制电路容易实施限流保护以提高系统的安全性，因而受到了极大的关注。

控制系统是有源电力滤波器的核心，决定了有源电力滤波器的主要性能和指标。现今常用的PI控制对检测到的误差信号能立即产生校正作用，跟踪的快速性较好，但是它的跟踪效果不好，并且PI调节不能消除系统的稳态误差。重复控制技术被引入APF控制，用来消除周期性负载谐波，其思想来源于控制理论的内模原理，利用负载扰动的周期性规律，有针对性的逐步修正，可以保证输出的波形精确跟踪给定，是一种能消除所有包含在稳定闭环内的周期性误差的控制方案，结构简单，易于实现。

有源滤波器系统结构各部分的主要功能：电压型逆变模块和连接电抗器，用于补偿负载畸变的谐波电流，通过它完成电网与直流电容有功功率和无功功率的交换；直流侧支撑电容，用于存储电能，为VSI提供直流电压支撑，同时补偿系统有功损耗以保证直流电压稳定；锁相环，用于锁定电网电压相位；畸变电流检测模块，用于实时检测负载的谐波电流分量和无功电流量，为VSI输出的补偿电流提供参考值；逆变器控制模块，可以通过直接电流控制或间接电流控制方法，使VSI输出电流实时跟踪指令电流的变化。

三、变压器运行损耗影响因素分析

影响变压器损耗的因素有很多，总结起来，主要表现在以下几个方面：

1.变压器的结构类型

传统的变压器几乎都是采用高压绕组和低压绕组制成，利用电磁感应原理实现高压与低压之间的电压转换与电能传递。新的结构的出现，使得变压器的运行损耗不再是单纯的分为有功功率损耗和无功功率损耗，而是必须要针对具体的结构进行分析。

2.变压器的材料类型

变压器的材料主要是指用于制作铁芯和绕组的材料，从过去普通的铁质铁芯，发展到目前非晶合金铁芯变压器、三相油浸卷铁芯变压器等新式材料变压器，由于新型材料的应用，使得现在的变压器的导磁率相较于过去传统变压器有了大幅提升，因此现在的变压器的运行损耗已经越来越取决于材料的导磁率等属性。

3.变压器的负载类型

变压器连接不同类型的负载，对于变压器在实际运行过程中的损耗也有会有一定影响，这主要是因为电网中的负载类型包括感性负载、非感性负载以及其他类型的负载，不同类型的负载会影响到变压器在电能转换和配电传输过程中的效率，从而对变压器运行的损耗产生影响。

4.电网的输电状况

变压器作为电力电能转换传输的关键环节，必然会参与电网的并网连接和运行，电网电压的状况也会对变压器的运行损耗产生一定影响，比如电网输电电压采用超高压进行传输，其变压器的运行损耗相对就会小一些，电力转换的效率相对就较高。

四、有源滤波的电力变压器节能技术

1.补偿电流的检测方法

（一）通过对带阻滤波器装置的应用，使基波电流能够流经待检测的电流。通过此种方式，将所获取的变压器高次谐波设定为检测电流的补偿对象。我们通常将此种对补偿电流的检测方式称之为基波电流减去法。此项方法的优势在于：补偿反应直观，且可操作性强，但同样存在一定的不足之处，即整个有源滤波器在功能实现方面相对比较简单，仅能够针对变压器高次谐波进行消除。并且，对带阻滤波器装置的应用是建立在理想环境下的，实际环境中无法达到理想的应用状态。因此，在现阶段的电力系统建设中，较少会使用此种检测方法。

（二）在有关补偿电流检测方面还有一个关键性的方法，即频率分析法。此项检测方法以傅里叶级数分析法为基础而形成。在对畸变电流、电压进行检测的基础之上，对其实施基于傅里叶式的转换。转化过程当中可将畸变电流、电流分解成分具有高次谐波代数属性的组分，最终形成相应的补偿电流。但由于其建立在傅里叶级数分析的基础之上，导致检测数据的分析存在比较大的难度，且相对于实际情况的可调控性较低。

2.补偿电流控制途径

现阶段，补偿电流的控制主要可通过以下几种途径实现：

（一）三角载波调制法

指的是将在检测环节所得到的电流实际值和参考值之间的偏差产生的控制信号与高频的三角调制波展开实时比较，最后将所得到的矩形脉冲作为逆变器各个开关组件的一个控制性的信号，从而在逆变器的输出端得到所需要的波形。这种调制方法的最大优势在于开关的频率比较固定，响应的速度也较快，而且对高开关频率的系统具有较好的控制特性。但是这种方法最大的不足在于电流系统的硬件较为复杂，以致出现的误差较大，而且调制器的带宽是有限的，不能滤除所有调制性信号的所有脉动，输出的波型中可能存在与三角载波相同频率的高频畸变分量；高频的三角波会使逆变器一直处于保持高频工作状态，这就会产生较大的开关损耗和高频失真，在大功率的系统应用中无法正常使用。

（二）滞环比较调制法

这种方法是以补偿电流的参考值为基准而设计的1个滞环带，在实际的补偿电流将要离开滞环带时，逆变器的开关就会自动工作，使得实际的电流始终停留在滞环带以内，数值始终围绕其参考值的上下在波动。这种调制方法的优势在于它的硬件电比较路简单，容易实现，而且动态的响应较快，控制的精度高。但不足是对于无线连接的逆变器而言，若三相间的控制不能独立，则势必会产生相间的干扰，这样就不利于快速暂停的有效控制。

五、结束语

通过对基于有源滤波的电力变压器节能技术的相关研究，我们可以发现，该项工作的顺利开展，有赖于对有源滤波多项影响环节与因素的充分掌控，有关人员应该从其应用的客观实际出发，研究制定最为符合实际的相对应实施方案。

参考文献：

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[2] 胡铭，陈绗.有源滤波技术及其应用[J].电力系统自动化.2012（03）：33-38.

[3] 马晓军，陈建业，等.单相并联型有源滤波器的研究[J].清华大学学报.2011（07）：39-43.

电源滤波器篇8

关键词： 电磁干扰（EMI），共模（CM）、差模（DM）噪声，电源供应器

一、介绍

在过去的几十年里，大大增加了对电源的需求，已经迫使电力工程师建立可靠的网络，以向消费者提供“质量”的电源。多年来进行了大量的研究，给消费者提供优质的电源供应。伴随着电气工业大步迈进小型化，这项研究得到了巨大的推动作用。

电力电子器件是非常通用的设备能够提供高达10kW的功率。此外，这些器件能够在几百kHz的频率范围内工作，并在同一时间存在的设备，这使得这些设备很容易地控制的栅极端子的控制。一般来说EMI问题产生由于突然的电压变化（dv / dt的）或电流（di / dt的）的水平在一个波形。在二极管整流器，线电流可以是脉冲的持续时间短的二极管的恢复电流脉冲产生的瞬态电压尖峰中的线路电感。

导体的dv / dt波就像一个天线和敏感的信号电路出现噪音。 EMI问题建立通信线路的干扰与敏感信号电子电路。

在本文中提出了EMI滤波器设计建议。

二、EMI问题

家用电气和电子系统的广泛使用，工业，通信和其他应用程序，使得它所需的电路操作上接近对方。这些电路通常不利影响附近的其他电路的性能通过无意其信号耦合通过近及远的区域，传播电磁领域。

因此，这种干扰被称为电磁干扰（EMI），是设计师的一个主要问题。此外，减少了集成电路的使用电子设备的大小和多个电路在更小的空间，从而加大了干扰的可能。

设备设计者需要确保他们的设备将工作在现实世界中与其他设备附近。这意味着设备性能不应受外部噪声来源和设备不应该本身是一个来源的噪音。避免电磁干扰是一个主要设计目标。这就引出了电磁兼容的概念。电磁兼容性（EMC）的能力是电子设备在预期的电磁干扰环境中能够正常运转，同样重要的是，不能过度干扰在同一环境下工作的其他设备。

过去20年中已经看到了虚拟电操作的设备，如电脑，电视机，录像机，通信设备，如传真机，调制解调器和高速数字数据传输的无线电链路使用爆炸。这样的增长，是非常严重的电磁频谱的压力，可用的频段现在非常拥挤，进一步增加了EMI导致故障的可能性。如果N是设备的数量，可能会互相干扰，干扰事件的数目将上升为NN！

三、EMI的干扰形式

电磁干扰有些是天然的，如宇宙辐射，太阳活动或大气照明放电。其他的，无论是有意还是无意，或是由高压电源线或无线电发射器，可能会干扰其他系统。

作为无意的干扰，是电力线路上的电气设备，或一个无线电发射机的谐波，可能会干扰信号的频带。很明显，天然的或故意的EMI干扰，必须考虑在电磁兼容性之中，设备必须被设计为在这样的干扰的存在下正常运行。

这就要求，对典型的无意的电磁干扰源进行研究。关于这个问题，主要的工作已经完成。含有无意电磁干扰（EMI）从设备必须明确的责任在于该设备的设计者。对于这一点，他们需要衡量多少EMI是可以容忍的标准。

A.传导电磁干扰

传导电磁干扰是指通过导线直接传导到受干扰设备的噪声干扰，相互连接的设备通过电源线、电话线（包括传真或调制解调器）、或网线，是巨大的潜在EMI问题。

实际的EMI问题不能这么容易地追踪到完全是由于辐射或传导机制，往往是这些噪声机制同时存在或相互转化。

B.外部电磁干扰

作为一个例子，在接近电视机的地方开关荧光灯，当管灯被打开“ON”时，可以看到白线或斑点瞬间叠加在电视画面。这些都是开关接触反弹（或起动器管光）造成的EMI引起电视机的天线辐射的宽带噪声。

此外，在同一台设备既可以是源极，也可以是受体。上个例子中电视是一个受体，但是如果放一个收音机在电视跟前，受影响的就是收音机了。这是因为，最现代化的电视机包含开关模式电源，这些电源辐射大量噪声干扰周围的收音机。

C.内部EMI

同样的，系统内部的的EMI也是相当重要的，必须重视系统内的模块到模块的干扰，因为不这样做可能会导致系统无法执行其预定的功能。

四、噪声类型

开关电源电磁干扰由于不同类型的噪音的发生。其中有些是共模噪声，差模噪声，非内在差模噪声等，这些噪声频谱分析仪可以识别的，他们可以由噪声分离器分离。在本文中，被认为是共模噪声和差模噪声。

A.共模（CM）噪声

共模噪声又称为非对称噪声或线路对地的噪声，在使用交流电源的电气设备的输入端（输电线和中线）都存在这种噪声，两者对地的相位保持同相。

B.差模（DM）噪声

差模噪声又称为正常型、对称噪声或线路间噪声，它存在于交流线路和中性导线中，二者相位差为180°。差模噪声的电流沿着一条交流线流出，并沿着另一条交流线返回。在地线中不存在差模噪声电流。

五、EMI滤波器的设计

EMI滤波器的分析设计是非常困难的。提出了一个实用的方法。该方法是基于以下三个条件：

1.必须提供基线（即不带过滤器）的EMI的共模和差模噪声。

2.如果过滤器的元件架构安排和型号是适当的，源阻抗几乎没有影响。那么，分析设计可以在不知道确切的源阻抗值的情况下进行。

3.设计过程中的重点是为了满足低频规范。

建议EMI滤波器的设计过程

第1步：测量基线EMI辐射总噪声，共模噪声和DM噪声。对于CM和DM噪音的测量，噪声分离是必要的。

第2步：确定衰减要求。所需的衰减是基线噪声和EMI规格之间的差差值，再加上一些修正系数。

第3步：选择滤波器的拓扑结构。这一步还包括确定滤波器的阶数。由于CM和DM噪声源阻抗的性质，我们不会有很多的拓扑结构可以选择。

第4步：确定噪声的转折频率。

第5步：最后的步骤是使用设计好的滤波器再次测量噪声。

六、结论

在本文中，研究了开关电源的电磁干扰（EMI）问题。在这里，被认为是共模噪声和差模噪声。提出了一种新的步骤EMI滤波器，以减轻EMI噪声。该过滤器有噪声，只有CM和DM噪声被认为是缺点。也可以考虑不同的其他噪声，如工业，NIDM，混合模传导EMI噪声等。■

参考文献

电源滤波器篇9

关键词：有源电力滤波器； 三相四桥臂； 三维空间矢量脉宽调制； 谐波电流

中图分类号：TN713 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2011)24-0037-04

Research of Three-dimensional Space Vector Modulation for Active Power Filter with Four-leg

MO Zhi-lu

(Beijing Logintel Science & Technology Development Co., Ltd, Beijing 100055, China)

Abstract： APF with three-phase four-leg topological structure can suppress harmonic currents and compensate three-phase unbalance. The topological structure of the system isintroduced. The control strategy of APF was obtained based on the modeling analysis of the four-leg voltage-source converter. The three-dimensional space vector modulation (3D-SVM) for APF is also analyzed in detail. An experimental prototype was built. The experimental results validate that the control strategy and 3D-SVM is correct and effective.

Keywords： active power filter (APF); three-phase four-leg topological structure; three-dimensional space vector modulation (3D-SVM); harmonic current

0 引 言

随着国民经济的持续发展，各种非线性负载在电力系统中得到广泛应用，使得电网中的谐波污染越来越严重。同时，现代高科技工业对供电质量提出了更高的要求。因此，如何抑制谐波已成为电力系统亟待解决的问题。有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）作为一项抑制谐波的有效措施被广泛研究和应用［1］，它从补偿对象中检测出谐波电流分量，然后由补偿装置向电网注入一个与该谐波电流极性相反，大小相等的补偿电流，从而达到消除谐波电流的目的［2-3］。

目前，三相三线制APF及技术较为成熟，已在实际系统中得到应用，而三相四线制APF的研究相对落后，但在我国民用住宅和工厂用电中三相四线制系统广为应用，其中谐波和不平衡问题非常严重，因此对三相四线制APF的研究具有十分重要的现实意义。三相四线制APF与三相三线制APF的根本区别在于对中线电流的控制。根据中线电流补偿方式的不同，三相四线制APF分为三桥臂和四桥臂两种拓扑结构。由于四桥臂APF对中线电流进行直接控制，故补偿效果优于三桥臂的间接控制效果，但由于四桥臂APF增加了一对桥臂，使控制变得相对复杂［4］。

本文针对四桥臂拓扑结构的APF展开研究，通过对四桥臂电压型变换器进行建模分析，得到了APF的控制策略。详细介绍了APF的三维空间矢量脉宽调制法（3D-SVM），最后在实验样机上进行了实验研究。

1 系统模型

三相四桥臂结构的APF主电路结构如图1所示，ea，eb，ec为电源的三相电压；iaf，ibf，icf，inf为APF的输出电流；L，Ln为连接电感，ua，ub，uc，un为APF的输出等效电压；C为直流母线电容。

根据基尔霍夫电路定律可得，APF在abc三相静止坐标下的方程为［5］：Ldiafdt+ea－Lndinfdt=ua－un=uan

Ldibfdt+eb－Lndinfdt=ub－un=ubn

Ldicfdt+ec－Lndinfdt=uc－un=ucn

（1） 方程左右同时乘以矩阵：Cabc_αβ0=231－12－12

032－32

121212

（2） 可得APF在αβ0坐标系下的方程为：Ldiαfdt

diβfdt

di0fdt+eα

eβ

e0+Ln0

3di0fdt=uαn

uβn

u0n

（3） 把方程离散化（采样周期为T），通过计算得到APF的控制器为：uαn(k+1)=LT［i*αf(k)－iαf(k)］－uαn(k)+2eα(k)

uβn(k+1)=LT［i*βf(k)－iβf(k)］－uβn(k)+2eβ(k)

u0n(k+1)=L+3LnT［i*0f(k)－i0f(k)］－

u0n(k)+2e0(k)

（4）式中i*αf，i*βf，i*0f是参考电流。

2 三维空间矢量调制

与SPWM调制相比，空间矢量调制有直流电压利用率高，便于数字化实现等优点［6］，所以本文采用空间矢量调制生成触发脉冲。

在四桥臂变换器中，共有16种开关组合，把abc坐标下的端点电压变换到αβ0坐标下，得到三维空间矢量示意图。如图2（a）所示，图中：xxxx表示开关组合，从左到右依次表示a，b，c及中相桥臂的开关状态，p表示上桥臂导通、下桥臂关断；n表示上桥臂关断、下桥臂导通。根据u0n的不同取值，16个开关向量分为7层。

对于三维空间矢量调制，开关向量的选择可以通过以下2个步骤实现：

（1） 六边形棱柱可以分成6个三角形棱柱，它们的编号如图2（c）所示。根据参考向量在αβ平面上的投影，确定选择哪一个三角形棱柱；

（2） 根据三角形棱柱中的开关向量（6个非零开关向量和2个零开关向量），可把每个三角形棱柱分为4个四面体，每个四面体中有3个非零开关向量和2个零开关向量。图3所示为其中一个三角形棱柱中的4个四面体。

图3 其中一个三角形棱柱中的四面体从图中可以看出，每一个四面体中，uan，ubn，ucn的符号只有一个台阶的变化（即只从0变为－，或者从0变为＋），因此当用同一个四面体中的非零开关向量来综合得到参考向量时，变换器的环流能量最小。只要确定参考向量属于哪一个四面体就可确定选用哪几个开关向量来综合得到参考向量。

三维空间矢量调制通过把参考向量投影到对应的开关向量上，以计算每个开关向量的作用时间。如：当参考向量处于其中一个三角形棱柱中的四面体1时，如图3（a）所示，可以采用的5个开关向量分别是V1 = ［pnnn］，V2 = ［pnnp］，V3=［ppnp］和V0=［pppp,nnnn］。设参考向量的坐标为:Vref=［Vα_ref Vβ_ref V0_ref］

（5） 由于:Vref=d1V1+d2V2+d3V3

（6）式中d1，d2，d3分别表示在开关周期内各非零开关向量所对应的作用时间。

于是可以解得:d1

d2

d3=1Vg63033

66－22－33

020Vα_ref

Vβ_ref

V0_ref

（7）式中Vg是直流母线电压。

零开关向量的作用时间为:d0=1－d1－d2－d3

（8） 当参考向量处于其他四面体中时，可以采用相同的方法计算开关向量的作用时间。

当计算出四面体中非零开关向量的作用时间计算以后，紧接着就是选定开关向量的作用顺序。开关向量的作用顺序分为2类，第1类用两个零开关向量；第2类只用一个零开关向量。每一类又可以分为4种方法：a，上升沿对齐；b，下降沿对齐；c，左右对称；d，交错顺序。第一类c方法具有谐波含量最小的优点，因此本文采用第一类c方法。

综上所述，三维空间矢量调制的流程框图如图4所示。

3 直流母线电压控制

在APF正常运行的时候，必须对直流母线电压进行控制，使得电压恒定于设定值。由于APF工作的时候总是存在开关损耗、电感发热损耗等，因此要维持直流电压恒定，必须持续地给直流电容供给能量，该能量应与APF正常工作的损耗相等。这可以通过从电网吸取基波正序有功电流来实现［7］，APF直流电压的控制框图如图5所示。

首先采用ip-iq法求出电网电压的基波正序分量，然后与PI控制器的输出相乘，得到应该从电网吸收的基波正序有功电流，此电流的大小由PI控制器自动调节。

4 实验验证

为了验证控制策略和调制方法的正确性和有效性，搭建了一台实验样机，样机的三相电感和中线电感分别为4.3 mH和1.8 mH，采样频率为10 kHz，开关频率为5 kHz。

投入APF之前的电源电流波形如图6所示。图中，ISa，ISb，ISc，ISn分别是a相、b相、c相、中线n的电流。从图可以看出，n的最大值接近5 A；a相、b相、c相电流的THD分别是16.06%，12.54%，15.17%。投入APF之后电源电流波形如图7所示。

图6 投入APF之前的电源电流波形此时，n接近0A；a相、b相、c相电流的THD分别是5.75%，4.11%，3.97%。可见，投入APF之后，取得了很好的谐波补偿效果，且基本上纠正了系统的不平衡。

5 结 语

介绍了四桥臂结构的APF，通过对四桥臂电压型变换器进行建模分析得到了APF的控制策略。详细分析了APF的三维空间矢量脉宽调制法；最后进行了实验研究。其结果，验证了控制策略和调制方法的有效性和正确性，实验系统具有优越的谐波抑制和不平衡补偿性能。

参 考 文 献

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电源滤波器篇10

【关键词】无源滤波器；谐波；设计；优化

1.引言

非线性负载的大量使用给电网带来了严重的谐波污染，进而严重影响了电能质量，随着人们对电网的质量要求越来越高的情况下，无源滤波器以其结构简单，成本低、运行可靠性高等优点在抑制谐波中发挥着重要的作用[1-5]。文章从谐波抑制方面进行了研究，阐述了谐波源对滤波器和系统的影响、无源滤波器的设计步骤及参数的确定，最后通过MATLAB软件实现滤波器的参数优化，通过校验说明设计的可行性。

2.谐波源对滤波器和系统的影响

滤波器投入电网时，往往与滤波源并联滤除特定次谐波电流，每一个滤波器通常在一个谐波频率附近呈现低阻特性，从而起到降低谐波电流的目的，下面分析一下谐波源对滤波器和系统的影响[3]。图1是滤波器与系统的等值电路。

其中，n为谐波次数，In为谐波源产生的n次谐波，C1、L1、R1分别为单调谐滤波器1的电容，电感和电阻；C2、L2、R2分别单调谐为滤波器2的电容，电感和电阻；C3、L3、R3分别为高通滤波器3的电容，电感和电阻；In1、In2、In3分别为流入滤波器1，滤波器2，滤波器3的电流，C4是无功补偿电容器的电容量，In4是通过它的电流，Rx为系统等效阻抗，Inx为流入系统的n次谐波电流.

滤波器1的阻抗为：

通过上式可以看出，进入系统的谐波电流由减小到，谐波电减小为从而可以说明滤波器对减小谐波起到了一定作用，同样还可以得到，消除谐波的效果与各个滤波器的阻抗决定，所以各个谐波器的参数的选择对滤波有非常重要的作用。

3.无源滤波器的设计步骤

1）对数据进行分析，得到各次的谐波参数（谐波电压，谐波电流，电压畸变率、电流畸变率等）。

2）根据系统的需求，确定无功补偿的容量：

根据系统的要求，得到滤波器基波无功补偿容量：

为总的基波补偿容量，为单调谐滤波器的基波补偿容量，N系统中单调谐滤波器的个数。

3）对系统参数进行分析，确定滤波装置。

无源滤波装置的组成主要是指单调谐滤波器的的次数和组数，以及是否要装设高通滤波器，如何选取其截止频率。单调谐滤波器主要滤除系统中的主要特征谐波，例如六相整流负荷可以设5次、7次、11次等单调谐滤波器。如要滤除更高次的谐波，可以设一组高通滤波器（如果主要目的是吸收13次谐波，则截止频率可以选为12*50HZ）。

4）滤波器参数的确定。

单调谐滤波器：

有最小安装容量法得：

5）根据所选参数代入系统进行校验，检验得到的各项指标是否符合要求。

4.算例设计

由于PPF接入电网中，谐振点两侧的阻抗变化率相差很大，针对这一情况，为了使PPF在电网本身或本身参数有一定制造误差时，滤波效果不受影响，应将谐振频率设置的比谐波源频率低，根据工程经验约低3%-5%以计算机的谐波治理与无功补偿为例，根据某设备工作时的谐波进行测量，得到其主要含有3、5、7、9次谐波，其他谐波含有较少，其中3次谐波含有量都达到了90%，5次谐波含有量超过70%，其他谐波含有率相对较少，功率因数，有功功率，谐波电压、谐波电流和谐波含有率的的波形图如图2-4。

通过分析，滤波器的装置方案可以为三组单调谐滤波器和一组高通滤波器，三组单调谐滤波器分别调谐3、5、7次谐波频率，截止频率分别为145.5、237.5、332.5，高通滤波器的截止频率为427.5HZ，为了滤波9次及以上的谐波。通过Matlab编程得到滤波器的参数如表1。

由图5、6的图形，可以看出，无源滤波器的设计起到了很好的效果，3、3、7、9次谐波含有率明显降低，功率因数由原来的0.5853提高到了0.92，通过检验，谐波含有率：3次谐波由91.88%降到了2.3%，5次谐波由72.44%降到了1%同样7、9次谐波含有率也明显减低。总的谐波电流畸变率由128%降到了3%，各次谐波畸变率和总的谐波畸变率均满足要求。

5.结论

本文从谐波抑制方面进行了无源滤波器的优化设计，结果证明加入滤波器后减小了谐波源对系统的影响，另外还介绍了无源滤波器设计的步骤，并且通过算例说明了滤波器的设计可行性，但是这只是从滤波器自身的一个参数出发，并没有考虑到滤波器的成本、无功补偿以及外界参数对其性能的影响，所以滤波器的研究任务还很艰巨，需要我们共同的努力。

参考文献

[1]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，2002.

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[6]电能质量公用电网谐波GB/T 14549 93.