一种高频自冷的全数字控制有源电力滤波器

孙运杰 ，傅鸿雅 ，王 森 ，石 涛

（1.西安爱科赛博电气股份有限公司，西安 710010；2.西安微电子技术研究所，西安 710010）

引言

在现代化电网中，用户非线性负载给电网造成的无功、谐波、电压波动等问题得到广泛关注。由于具有良好的补偿性能及灵活的补偿方式，有源电力滤波器APF（active power filter）得到越来越多的发展［1-3］。在某些特殊应用场合，APF产品对于功率密度和散热方式有严格要求，希望滤波器功率密度高，并且采用自冷的方式。

提高系统开关频率是提升APF产品功率密度的方式之一。提高开关频率可以大幅降低磁性元件体积，从而提高功率密度。但传统IGBT由于二极管存在较大的反向恢复电流和开通、关断延时，造成开关损耗很大，限制了开关频率的提高。针对二极管反向恢复的问题，不少企业推出了碳化硅二极管，但未解决IGBT开关损耗的问题。目前，碳化硅功率器件由于几乎无反向恢复电流和很小的开通关断延时，开关损耗降低，在一定程度上使开关频率的提高成为一种可能［4-6］。

另一方面，数字化控制技术在APF产品中应用广泛。目前，诸多APF产品以TI公司的TMS320 LF28xx 系列 DSP（digital signal processing）为控制核心，集中完成数据采样、通讯显示、控制输出等多个环节，往往处理这些环节需要在一个开关周期内完成［7］，否则容易造成控制混乱，这在一定程度上影响着APF产品开关频率的提高。对于APF控制系统来说，控制延时的存在严重制约着控制增益的提高，影响谐波补偿效果。市场上部分产品的常用做法是采用模拟电流环的方式来解决此问题，但是带来了模拟电路实现方面的诸多缺点。

针对以上问题，本文提出一种高频自冷的有源电力滤波器产品。该产品采用传统两电平拓扑结构，功率器件选择三相全桥碳化硅模块；控制系统创新性地采用FPGA实现电流环控制及PWM波的调制，通过高速的采样、计算达到控制延时最小化的目的，使产品获得较好的响应速度和补偿性能。最终将产品应用于20 A的三相四线制APF样机中。

1 主电路拓扑及功率器件选择

本文提出的有源电力滤波器产品采用的主电路拓扑结构如图1所示。其采用并网式APF，可以随时并入公共电网PCC，维护比较方便，尤其适用于低压配电网。

图1 三相四线制模块化APF主电路拓扑结构Fig.1 Topology structure of APF main circuit for three-phase four-wire system

APF以PWM电压型变流器作为其有源部分，变流器输出采用LCL型滤波器对其开关频率以上的噪声进行滤波，关于LCL滤波器参数设计已在相关文献进行详细说明，此处不再赘述［8-9］。

在某些特殊应用场合，APF产品对于功率密度和散热方式有严格要求：希望滤波器体积小，并且采用自冷的方式。提高开关频率可以大幅降低磁性元件体积，从而提高功率密度。但现行的APF产品受制于IGBT体二极管存在较大的反向恢复电流和开关损耗，限制了开关频率的提高（开关频率一般不大于20 kHz），无法减小磁性元件体积和开关损耗，所以APF产品的磁性元件和散热装置所占体积巨大。

与传统硅器件相比，碳化硅器件具有明显的优势［10］，具体对比情况如表1所示。SiC器件的出现，由于其几乎无反向恢复电流、相对较小的开关损耗和死区时间，在一定程度上使开关频率的提高成为一种可能。

表1 硅器件和碳化硅器件参数对比Tab.1 Comparison of parameters between silicon and SiC device

目前SiC生产企业宣称所生产的碳化硅模块应用频率可以达到100 kHz甚至更高。由于碳化硅的应用技术还不够完善，产品可靠性存在一定的风险，所以目前在APF产品的具体应用还比较少；但碳化硅器件的广泛应用必将是电力电子行业的一个发展方向。本样机使用碳化硅模块作为主功率器件，是SiC器件在APF产品具体应用的一种尝试。

2 DSP和FPGA的综合控制策略

数字控制技术以其高度集成化的控制电路和工作性能，成为电力电子行业的一个发展方向。以TI公司生产的DSP系列产品TMS320LF28xx在电力电子产品中得到广泛应用。DSP控制器需要集中完成数据采样、显示、控制输出等多个环节，往往处理这些环节需要在一个开关周期内完成［7］，否则容易造成控制混乱。这在一定程度上影响着APF产品开关频率的提高。

同时，基于DSP的APF输出电流控制方式的缺点是存在固有一拍延迟。虽然国内外研究了减小延时的方法，但固有延时仍然存在。相关文献分析了这种延时对于APF补偿效果的影响［11］，得出“控制延时越小，补偿效果越好“的结论。

为了减小控制延时，APF输出电流环可以用模拟电路来完成，但模拟电路存在一致性差、受环境条件影响大、控制不够灵活等缺点。采用FPGA同样可以实现输出电流环的模拟控制，同时FPGA可以重复编程，在线调试和运行，配合DSP实现APF产品的综合控制。本文提出的综合控制方式框图如图2所示，FPGA实现逻辑保护处理及输出电流控制，用DSP实现复杂的数据运算（负载电流FFT分析，软锁相等）、电压环控制及通讯显示等功能。

图2 有源电力滤波器控制框图Fig.2 Control block diagram of APF

FPGA实现输出电流控制框图如图3所示。其中电流环控制部分采用单比例Kp调节器进行调节，调节器输出信号通过SPWM调制方式进行调制生成PWM驱动波形。

图3 FPGA实现输出电流控制框图Fig.3 Block diagram of output current controlling with FPGA

FPGA中具体的电流环及调制方式的实现框图如图4所示。图中，时钟模块分频、倍频用于各个子模块的时钟输入；ADC采样模块以很快的速率进行各种电参量的采样，全部电参量通过数据总线传输给DSP，DSP将控制指令回传给FPGA模块。三角波发生器以时基计数器为时钟，形成三角波；调节器以采样频率计数器的输出为触发信号，间隔性地进行电流环参数的计算输出；PWM比较器与死区模块产生具有一定死区的同一桥臂上下管PWM驱动脉冲。调节器模块可以方便地进行复杂的PR算法、重复算法的实现。

图4 FPGA中具体的电流环及调制方式实现框图Fig.4 Block diagram of current loops and modulation mode in FPGA

通过FPGA中的高速采样、计算的实现方式，控制延时被压缩到一个合理的程度。因为系统的控制延时已经非常小，系统控制增益较高，单比例调节器即可让系统具有非常好的动态响应及跟踪效果。

3 实验结果

在上述主电路拓扑及控制策略基础上，研制了1台20 A的三相四线制APF样机。其中，功率器件选用Cree的三相全桥碳化硅模块CCS050M12CM2，采用的有源电力滤波器参数如表2所述。

表2 模块化APF参数Tab.2 Parameters of modular APF

在75%额定容量情况时，产品响应速度、系统补偿率和损耗效率的相关测试结果如图5～图6所示。

图5 突加（卸）负载时APF响应过程Fig.5 APF response process of adding（unloading） load

图5 为谐波源和补偿器输出电流波形。由图可以看到，补偿器可以快速响应负载电流突加（卸）过程，响应时间小于一个工频周期。

实际补偿效果数据如表3所示。由表可以得到，特征次（2～25 次）电流补偿率均在 96.5%以上，总补偿率高达98%。

表3 补偿率计算结果Tab.3 Calculation results of compensation rate

整机损耗和效率数据如表4所示。由表可以得到，在额定条件（400 V/50 Hz）下，效率达到97%以上。整机效率与开关频率的关系如图6所示。由图可见通过优化开关频率，整机效率基本可以达到98%。产品损耗降低、效率提高，更有利于散热系统的设计。

表4 损耗及效率参数Tab.4 Loss and efficiency parameters

图6 整机损耗（效率）与开关频率关系Fig.6 Relationship between machine loss（efficiency） and switching frequency

4 结语

本文研制了1台20 A高频自冷有源电力滤波器样机，其中功率器件选用三相全桥碳化硅模块，降低了产品损耗，提高了功率密度；控制系统创新性地采用DSP+FPGA综合控制的方式，提高了电流控制环增益，提升了APF动态响应和补偿性能。实验结果表明：研制的APF样机谐波电流补偿率可以达到98%，工作效率达到97%以上。

［1］陈国柱，吕征宇，钱照明.有源电力滤波器的一般原理及应用［J］.中国电机工程学报,2000,（09）：18-22.

［2］王盼，刘飞，孙建军，等.并联型有源滤波器的重复学习控制策略参数分析与设计［J］.电源学报,2011,9（2）：18-23.Wang Pan,Liu Fei,Sun Jianjun,et al.Parameters analysis and design of repetitive learning control strategy for shunt active filter［J］.Journal of Power Supply,2011,9（2）：18-23.

［3］Akagi H.Active harmonic filters ［J］.Proceedings of the IEEE,2005,93（12）：2128-2141.

［4］Wondrak W,Held R,Niemann E,et al.SiC devices for advanced power and high-temperature applications［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2001,48：307-308.

［5］Cooper J A Jr,Melloch M R,Ranbir S,et al.Status and prospects for SiC power MOSFETs［J］.IEEE Transactions on Electron Devices,2002,49：658-664.

［6］Denis P.Process and Characterisation Techniques on 4HSilicon Carbide［D］.Torino,Politecnico di Torino,2007：12-16.

［7］仇志凌.基于LCL滤波器的三相三线并网变流器若干关键技术研究［D］.杭州：浙江大学，2010.

［8］Liserre M,Blaabjerg F,Hansen S.Design and control of an LCL-filter-based three-phase active rectifier［J］.IEEE Transactions on Industry Applications,2005,41（5）：1281-1291.

［9］Wu W,He Y,Blaabjerg F.An LLCL-Power filter for single-phase grid-tied inverter［J］.IEEE Trans on Power Electron.,2012,27（2）：782-789.

［10］张玉明，张义门.碳化硅功率器件［J］.电源学报，2003,1（1）：257-261.Zhang Yuming,Zhang Yimen.Silicon carbide power devices［J］.Journal of Power Supply,2003,1（1）：257-261（in Chinese）.

［11］赵国鹏，刘进军.并联型电能质量控制器开关频率对谐波补偿特性的影响研究［C］.//第五届电能质量研讨会.西安，中国，2010.