引言

有源電力濾波器(APF) 是一種用于動態諧波抑制和功率補償的新型電力電子裝置。它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償。與無源濾波器相比， 有源電力濾波器具有更高的可控性和快速響應性， 本文提出了一種基于全模擬器件的有源濾波器的設計思路。其各個主要部件的輸入量及輸出量都是連續變化的電壓、電流等物理量。該方案由若干種作用及數量不同的加法器、乘法器、函數產生器以及各種分離元件等組成。另外， 使用模擬器件來實現可以很容易地集成為芯片。有源電力濾波器諧波檢測及控制等電路集成為芯片后， 使用起來就更加方便、靈活、結構簡單。這樣就能達到更好地推廣有源電力濾波器的目的。

1 模擬有源濾波器的結構原理

本有源電力濾波器系統由指令電流運算電路、控制電路和補償電流發生電路三大部分組成。其中指令電流運算電路的功能是從負載電流il中分離出諧波電流分量及基波無功電流分量i*c，然后將其反極性作用后產生補償電流的指令信號。電流跟蹤控制電路的功能是根據主電流產生的補償ic應跟蹤i*c的原則， 來計算主電路各開關器件的觸發脈沖。此脈沖經驅動電路后將作用于主電路， 并產生補償電流ic。圖1所示是并聯型有源電力濾波器的原理框圖。

基于全模擬器件的有源電力濾波器同樣也是由圖1所示的這幾個部分組成， 只是其各個部分都是由模擬器件構成。現分別對電路各個部分進行介紹。

2 諧波信號檢測電路

采用ip、iq諧波檢測法， 諧波信號檢測電路可由乘法、加減法以及低通有源濾波電路組成。通過模擬器件獲取單相諧波參考電流的ip、iq法所實現的單相諧波檢測的原理框圖如圖2所示。

由于本濾波器是基于全模擬器件的， 其電路全部由常規電路元件構成。故此濾波器的性能也受到元件的溫度漂移、長期穩定性、相移等因素的影響。因此， 元件的選型對于本有源電力濾波器尤為關鍵。

乘法器型號有多種， 本文不作羅列。相對于現代模擬電子器件的寬頻帶而言， 有源電力濾波器對帶寬要求不高。如要求能濾除50次諧波則其帶寬要求為50×50 Hz=2.5 kHz。AD632、AD633、AD534等加法器的帶寬、輸入及滿功率輸出范圍相當。本文在乘法器電路中選用AD633乘法器。

AD633乘法器的誤差包括輸入輸出偏移、放大倍數誤差和乘法核的非線形誤差。輸入偏移隨溫度變化曲線顯示， -40℃~+40℃的偏置電流范圍為420 nA~580 nA。放大倍數誤差在滿額時的典型值為0.25%。AD633資料給出的總的誤差典型值為1%， 最大值為2%。

系統中的運算放大器選用高精度低漂移低噪聲集成放大器OP07。該放大器的輸入偏移電流為1 nA、偏移電壓為30 μV、-3 dB帶寬為600 kHz、靜態耗散電流為4 mA、電壓溫度漂移為0.2 μV/℃。

獲得很高的帶寬， 也意味著會帶來高的功耗。而且， 在單相全模擬有源電力濾波器使用高帶寬的運算放大器也同時會引入高頻噪聲。單相全模擬有源電力濾波器的信號頻率不超過3 kHz。

型號為OP07的運算放大器的截止頻率為600 kHz，故能很好地滿足有源電力濾波器的要求。

運算放大器的誤差主要由輸入失調電壓、輸入失調電流以及等效輸入噪聲等引起。當前運算放大器的性能已經得到很大的改進， 其各項性能指標十分優異。以高精度低漂移低噪聲集成放大器OP07為例， 其輸入偏移電壓為μV級， 輸入漂移電流和輸入偏置電流為nA級， 因此， 對于±10V電路工作電壓， 完全可以忽略。

運算放大器電路的最終精度和穩定性與其電路中的無源元件的精度和穩定性具有對應的關系。本硬件選擇好的電容和電阻關系到該電路的整體性能表現。

電容的類別也是多種多樣。該濾波器電路中使用的電容主要是要求其頻率特性較好， 溫度系數小， 長期穩定性好。聚苯乙烯電容的損耗較低、體積小， 容量相對時間、溫度、電壓都很穩定。

電阻有繞線電阻、金屬箔電阻、金屬膜電阻、金屬氧化膜電阻、碳膜電阻、碳實芯電阻、厚膜電阻、薄膜電阻、金屬釉質電阻等。常用的是碳膜、金屬膜以及碳質線繞電阻。本電路選用金屬膜電阻， 該電阻是在真空中加熱合金， 并使合金蒸發， 從而使瓷棒表面形成一層導電金屬膜。

刻槽和改變金屬膜厚度可以控制電阻值。該電阻體積小、噪聲低、穩定性好， 當然成本也較高。

3 PWM控制電路

由于現在沒有專門為有源電力濾波器而設計的脈沖發生集成電路， 所以， 現在的研究與設計主要是利用一些現有的脈沖發生模塊來產生脈沖波， 從而實現有源電力濾波器的控制。

美國通用公司的SG3525 PWM脈沖控制電路目前已經在很多領域得到了很好的應用。本文將它試用在有源電力濾波器中， 并將其作為模擬集成電路中比較有代表性的一種。SG3525是美國通用公司的產品， 是專為開關電源設計的脈沖發生電路， 它的輸入電壓范圍是1～3.5 V， 而本文中的輸入信號是交流信號， 故須經過變換?？上冉涍^精確絕對值電路將輸入信號變成正信號， 再通過電平移動電路使輸入信號在1～3.5 V之間。圖3所示是采用SG3525實現的PWM電路框圖。其中絕對值電路所采用的精密全波整流電路如圖4所示。

圖4中， R取20 kΩ， 為1％精密電阻； 二極管選用超快速恢復二極管， 其反向恢復時間為50 ns。圖5所示是本濾波器的邏輯控制電路實現框圖。

4 模擬有源電力濾波器的噪聲和干擾抑制

模擬電子電路有其自身的特點， 由于本有源電力濾波器使用的是全模擬電路， 故在模擬信號的放大、運算以及傳輸過程中不可避免地會引入外界和內部的一些無規則信號及干擾。如果無規則信號及外部干擾很強， 若其大小可與正常工作信號相比較， 那么勢必給模擬有源電力濾波器的諧波抑制性能造成破壞。所以， 在模擬電路的設計階段就應進行抗干擾和濾除噪聲的設計。

噪聲及干擾的消除和抑制一般有屏蔽、接地和濾波等幾種措施。但也應該根據其產生的性質分別加以處理。

對于元器件本身所產生的噪聲， 只能在器件選型中加以注意。應盡量選用低噪聲、高精度的集成芯片。現代的模擬電子已經發展的很成熟，各種模擬元件都能達到令人滿意的性能。對于電阻的熱噪聲， 設計中應盡量做到不將噪聲在最后結果中放大， 故應在放大電路中選用較小阻值的電阻。熱噪聲會隨帶寬的增加而增加， 并由于有源電力濾波器所針對的電力系統本身的電壓、電流頻率不高， 因此， 模擬電路可采用較低頻率帶寬的運算放大器來降低熱噪聲的影響。

對于接地噪聲， 可減小公共地線部分的阻抗， 這樣， 公共地線上的電壓也會隨之減小， 從而控制公共阻抗耦合。具體做法是地線聯結采用較粗的導線并盡量減短。減小地線阻抗的核心問題是減小地線的電感?？稍陔娐分胁捎枚鄺l相距較遠的并聯導體作為接地線。

對于輻射噪聲， 則應該采用屏蔽方式予以抑制和消除。屏蔽的方式有靜電屏蔽、磁性屏蔽及電磁屏蔽等方式。屏蔽的結構可以將干擾源或受干擾元件用屏蔽罩屏蔽起來。具體采用何種方式， 取決于屏蔽的噪聲對象。

本設計采用并聯電容對電路的直流電源進行穩壓和濾波， 電容的特性是對直流開路， 對高頻呈現低阻抗特性。所以， 采用加設旁路電容可對高頻噪聲旁路。本電路中采用電解電容和瓷石兩種電容并聯方式進行聯接。這是因為電解電容的電容值可以做得比較大， 采用電解電容主要還可起到穩壓作用。但是， 電解電容的高頻特性差強人意， 所以要對高頻噪聲旁路， 故應再并聯一個瓷片電容。

通過以上措施， 模擬電路的噪聲抑制情況會有較好的改善， 其可檢測到的噪聲信號在mV級。

5 模擬有源濾波器的主電路及接入方式

目前應用的有源濾波器多種多樣， 但總的來說， 其主電路都是基于脈沖調制(PWM) 變流器的， 由于變流器有電壓型變流器(VSC) 和電流型變流器(CSR) 兩種。兩種變流器都可以應用于各種有源電力濾波器中。電壓型PWM整流器最顯著的拓撲特征就是直流側采用電容進行直流儲能， 從而使VSR直流側呈低阻抗的電壓源特征；電流型PWM整流器的拓撲結構的最顯著特征就是直流側采用電感進行直流儲能， 從而使CSR直流側呈高阻抗的電流源特性。

電流源型結構更容易跟蹤補償負荷的諧波電流。但電流源型式的主電路損耗較大， 在交流側需要加裝更大的濾波電容來濾除不需要的諧波電流， 且電流源型結構不利于多重化。因而限制了有源電力濾波器的容量。而電壓源型有源電力濾波器具有結構簡單、質量輕、損耗小、價格便宜， 可降低開關器件的開關頻率等優點， 因而一直在有源電力濾波器中得到廣泛應用?；诖耍疚牟捎秒妷盒妥兞髌髯鳛榛谌M器件的有源濾波器的逆變器。

構成變流器的核心是開關器件有MOSFET管、絕緣門極雙極型晶體管(IGBT)、門極可關斷晶閘管(GTO)、集成門極晶閘管IGCT等幾種可供選擇。選擇器件的首要條件是根據有源電力濾波器所需濾除諧波頻率來確定器件的開關頻率， 然后根據有源電力濾波器的容量與電壓、電流等級來選擇合適的器件。對于高頻小容量的有源電力濾波器， 一般可選用MOSFET器件， 因其開關頻率很高， 因而適用于濾除高頻率的諧波。而對于大容量低頻率的場合， 則應選擇GTO/IGCT器件。

但在有源濾波器中應用最廣泛的還是IGBT， 這是因為IGBT驅動簡單， 其開關頻率和容量適中。

5.1 并聯型有源電力濾波器

電力系統的諧波有兩類， 即電流源型諧波源與電壓源型諧波源。因為理想電流源的內阻是無窮大， 因此， 采用串聯補償的方式不能濾除諧波。而對于電流源型諧波源， 只能采用并聯濾波進行分流才能對注入到電力系統中的諧波進行抑制。濾波效果與成本會因為諧波源的性質是偏于電流源還是偏于電壓源而有所不同。如果諧波是由用戶自己產生， 則基本屬于電流源型， 故應采取并聯濾波。

為消除各節點電壓的諧波， 應該采用就近并聯諧波補償等措施， 補償諧波電流與非線性負荷注入諧波電流大小相等， 方向相反， 從而使各個節點注入的諧波電流為零， 以最終消除各個節點電壓的諧波。并聯型有源電力濾波器的等效電路如圖6所示。

并聯型有源濾波器的主要功能是使補償電流ic (t) 能快速跟蹤負荷電流中的諧波電流， 從而使流入配電系統的諧波電流很小， 避免對系統的污染。為了提高跟蹤能力， 同時提高dic (t) /dt，一般要么減小有源濾波器的等效電感L， 要么提高逆變器的輸出電壓uc (t)。但應注意， 有源電力濾波器的等效電感不能無限制地減小。當L過小時， 有源電力濾波器輸出電流中基于開關頻率的特征諧波就會很大。所以， 提高逆變器輸出電壓uc (t) 就成為提高有源電力濾波器的有效手段。

5.2 串聯型有源電力濾波器

雖然并聯就地補償可以完全消除非線形負荷造成的諧波問題， 但許多情況下， 由于電力系統負荷組成很復雜， 難以準確地找到非線性負荷所在的位置， 或者更有非線性負荷分布在許多節點上， 因此很難利用就地并聯補償來徹底補償電壓的諧波。為了更有效地消除諧波電壓的影響， 為用戶提供無污染的電壓， 串聯型有源濾波器正在逐步受到電力用戶的歡迎。

圖7所示是其串聯型電路的工作原理圖。由圖中可以看到， 如果在負荷鄰近節點處， 除受諧波電壓源影響， 還要受到諧波電流源的影響， 則會使該節點處電壓帶有諧波分量ui， 而接入串聯型有源濾波器， 則該裝置剛好產生的電壓為-ui。

這樣， 負荷節點處的電壓為ul=u+ui-ui=u， 可見會得到未含諧波分量的基波電壓u。因此， 串聯型有源濾波器可以快速補償系統節點上電壓的異常， 而且其容量可以由用戶根據自身容量來靈活確定， 因而比較適合對電能質量要求較高的用戶使用。

串聯型有源濾波器可以快速補償系統節點上電壓的異常， 其容量可以由用戶根據自身容量靈活決定， 比較適合對電能質量要求較高的用戶使用。采用檢測負載諧波電壓控制方式， 串聯型有源電力濾波器投入工作時， 首先應檢測負載諧波電壓， 然后產生一個與負載諧波電壓大小相等，方向相反的諧波電壓進行補償。補償后， 電源電流會發生變化， 從而使得整流橋橋臂的導通角增加， 進而使其交流側電壓波形也隨之發生變化，最終導致負載諧波電壓增加。同時， 有源電力濾波器所產生的補償電壓所跟蹤的負載諧波電壓的變化也隨之增大。這種狀態將一直持續到最后負載諧波電壓保持不變， 有源電力濾波器進入補償的穩定狀態。只要串聯型有源電力濾波器能實時產生與負載諧波電壓大小相等、方向相反的補償電壓， 就能取得理想的補償效果， 從而使電源電流接近正弦波。

6 結束語

使用全模擬器件來實現有源電力濾波器， 可提高有源電力濾波器的動態響應速度。而使用發展成熟、價格低廉的模擬器件則可降低有源電力濾波器的成本， 從而促進有源電力濾波器的廣泛應用。另外， 使用模擬器件也可以更容易的集成為芯片， 使用起來更加方便、靈活， 同時也對電磁環境的抗干擾性更強。有源電力濾波器在電力系統諧波治理中發揮著重要作用， 未來也有著廣闊的發展空間。由此可見， 基于全模擬器件的有源濾波器借助發展成熟、價格低廉的模擬電子技術， 其工業應用前景十分廣闊。

事實上， 模擬電子有著自身的特點， 模擬器件通常會受漂移、長期穩定性及熱效應等因素影響。要使基于全模擬器件的有源電力濾波器得到更廣泛的應用， 必然要在設計中考慮這些因素并最大限度地消除這些因素的影響， 并選用應用性能更為優良， 更抗噪聲的低漂移高精度模擬電子元器件， 只有這樣， 基于全模擬器件的有源電力濾波器就一定能不斷發展完善， 最終達到工業應用的標準。