大容量有源电力滤波器的研究与设计

孙曙光， 王秋萌， 杜太行， 金少华

(1.河北工业大学控制科学与工程学院，天津300130；2.河北工业大学理学院，天津300130)

大容量有源电力滤波器的研究与设计

孙曙光1， 王秋萌1， 杜太行1， 金少华2

(1.河北工业大学控制科学与工程学院，天津300130；2.河北工业大学理学院，天津300130)

针对大容量有源电力滤波器(APF)的研究与设计，首先基于自适应原理的谐波检测方法，提出采取一种新的变步长LMS谐波检测算法，仿真结果证明该检测方法不仅具有很快的动态响应速度，还具有很好的精度；在此基础上继而对APF的关键硬件设计进行分析，并阐述了大容量APF主电路功率器件的选择以及主电路的布局设计；最后根据实际需要基于LabVIEW设计了APF的远程控制软件，实现了APF整机的研究与设计。实际补偿效果测试也证明了有源电力滤波器软件算法与关键硬件部分设计的合理性。

有源电力滤波器；变步长；主电路；LabVIEW

有源电力滤波器(APF)作为抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置，有效改善了电网的电能质量，是一种比较理想的滤波装置，目前已经进入工业应用阶段[1-3]。

对于有源电力滤波器来说谐波电流检测和电流跟踪控制一直是影响其性能的两个关键环节，本文即基于自适应检测方法[4]，力求找到一种算法既有较高的检测精度，又具有很快的动态响应速度。

有源电力滤波器主控制器外围信号处理电路、同步电路、驱动电路等对其运行以及补偿效果是很关键的，尤其是针对大功率有源电力滤波器其主电路功率器件的选择以及主电路的布局也是非常关键的，所以本文结合上述内容对100 kVA有源电力滤波器进行研究与设计，并根据实际需要开发了远程监控系统。

图1 APF系统结构图

1 有源电力滤波器构成方案

所研制的并联型三相三线制有源电力滤波器组成如图1所示，实验系统的主控芯片为TMS320F2812DSP芯片，完成检测与补偿控制功能。外围电路实现信号调理、同步触发、光纤隔离与IGBT驱动、故障保护等功能，电力参数仪配合实现补偿前后系统参数监测，触摸屏实现现场数据显示与参数设置，远程监控主机采取RS485通信方式，实现与电力参数检测仪以及DSP数据传输，完成远程监控功能。

2 有源电力滤波器检测方法研究

基于自适应干扰对消原理[5]，三相有源电力滤波器谐波检测原理如图2所示。为简单起见，以A相为例，其余两相原理相同，在图2中，sin(2 π)与cos(2 π)是与A相电源电压同相和正交的单位正余弦信号，根据正弦函数的正交特性，二者分别与()中的有功与无功电流相关，而与()不相关，通过如式(2)的LMS自适应算法，可以提取负载电流的有功分量和无功分量，把这两个分量从负载电流中减去，得到谐波分量。

图2 谐波检测原理图

实际检测中为提高检测性能与效果，采取变步长因子，表1中分别总结了目前的一些常用的变步长算法[6-8]。本文所提出的变步长算法，如方法4所示。

表1 变步长算法

研究发现方法1易受噪声的干扰，对于谐波检测干扰噪声所占的比例大，故应用此方法效果不是很好。对于方法2，在负载电流发生变化时，跟踪效果较差[7]。

为此本文主要对方法3、方法4在有源电力滤波器谐波检测中的效果进行了对比分析。在Matlab/Simulink环境下建立仿真模型，仿真中采样速率为10 kHz，min取0.005，max取0.2，α取0.9，β取0.99，γ取1×10-10，步长初值为min，权值初值为0。电压和电流的波形如图3所示。

图3 电压电流波形

图4与图6中虚线为基波电流及权值的理论计算值，可以看出方法4的步长在较大范围内跟随负载电流的变化，并且权值收敛速度快，到达稳态后波动也很小，所以该算法检测速度比方法3快，在半个周波内使检测值跟踪上理论值。该算法编程简单，有利于DSP编程实现。

图4 检测结果

图5 方法4步长

图6 方法4权值变化

3 有源电力滤波器硬件电路设计

3.1 关键外围硬件电路设计

(1)电流调理电路设计

电流调理电路设计如图7所示。电流传感器选用LT-308型霍尔电流传感器。

图7 电流调理电路原理图

本调理电路分滤波、电压偏置、跟随器三部分。抗混叠滤波功能是滤除输入信号可能携带的高频干扰信号，本文中滤波器采用二阶Butterworth低通滤波器，截止频率约为7 kHz。

(2)同步触发电路设计

有源电力滤波器正常工作，需要对电网信号进行同步采样，并获取补偿时基。该电路由电压过零检测电路和锁相环电路等组成，电压过零检测电路如图8所示，输出接CD4046。

图8 电压过零检测电路

本文采用软件锁相倍频的方法，通过软件检测工频信号的频率，根据采样点数，在DSP内采用软件定时中断的形式启动AD转换。可将CD4046的3脚和4脚直接相连，不接CD4040计数器。如图9所示，信号由锁相环电路输出后，送给DSP的CAP口，在CAP中断中可实现计算电源电压的周期。CD4046使用鉴相器Ⅰ，相比于鉴相器Ⅱ，它更易于稳定，可是常常会在输入输出之间产生一固定相位差，这个问题可以通过调节低通滤波器减小，也可以在软件中进行修正。

图9 锁相环电路

(3)驱动接口设计与驱动模块选取

由于TMS320F2812的PWM模块发出的信号为幅值0～3 V的PWM波，而主电路功率开关器件IGBT的驱动信号为幅值0～15 V的PWM波，且前者是弱电信号，后者连接强电电路，光纤电路必不可少，可实现强弱电之间的隔离，保护控制电路，抑制高压电路对控制电路的干扰。选用安捷仑(Agilent)公司的塑料光纤HFBR-1521光发送器与HFBR-2521光接收器，光纤连接如图10所示，包含光发送器HFBR-1521、传输光纤、光接收器HFBR-2521三部分。

图10 光纤连接图

CD4093输出接瑞士CT-Concept技术有限公司生产的高压IGBT的专用集成驱动器2SD315A驱动电路。SCALE驱动器2SD315A是一个用于功率MOSFET和IGBT的双通道驱动。2SD315A结合紧凑的机械尺寸和简洁的电气界面，具有非常高的输出电流、高的驱动功率和高绝缘能力。

3.2 主电路选型与布局设计

(1)直流侧电容值的选取

本文选择EPCOS公司的电解电容，型号为B43310-A5688-M，容值6 800 μF，耐压值450 V。为满足补偿容量和耐压等级，选择了6个电容，三个串联再并联后组成电容器组(4 500 μF/1 350 V)。

此外由于多个电容串联，要进行电容器均压设计，加入均压电阻，本文在电容器组里对每个电容都加均压电阻，这样虽然增加了成本，却提高了系统可靠性和安全性。通过对均压电阻的计算和市场上电阻的型号，选用8 kΩ的电阻，均压电阻取得太大，起不到均压作用，均压电阻取得太小，电阻的功耗太大，所以要适当选取。

(2)交流侧电感设计

交流侧电感参数一般由经验公式计算：

(3)主电路的布局设计

由于主电路寄生电感越大、IGBT过电压越大。因此大功率电路要求母线电感、缓冲电路及其元件内的杂散电感越小越好。经过实验，主电路叠层母排采用工字型。母排结构外形美观，器件布局紧凑，安装空间减小；功率回路寄生的杂散电感也小，即保证了器件安全。

4 远程监控系统设计

远程监控系统主要是通过工控机与APF控制器DSP以及电力参数监测仪通信来实现。在工控机上采用现在非常流行的LabVIEW软件来进行设计[10]。它们之间是通过485总线进行连接的。工控机通过串口分别向电力参数监测仪和DSP发送指令，从而实现数据的读取和对DSP中参数的设置，如图11中所示。

图11 远程监控界面

远程控制系统可以显示电压、电流、频率、功率、功率因数、谐波电流含有率、电流电压畸变率和谐波电流含有率的柱状图，图11给出了部分功能。

5 实际补偿测试效果分析

为进一步对整机性能进行测试，通过PROVA6800谐波分析仪对补偿效果进行测试。如图12所示，(a)为负载电流波形，由频谱分析看出，基波电流为46 A，主要含有5、7、11次谐波，TDH=25.9%，由(b)可以看到经过APF补偿后，电网电流基本上为标准的正弦波，畸变率达到5%，符合国家标准要求，基波电流为42 A，5次以上谐波基波消失。

图12 补偿效果分析

6 结论

仿真结果的波形数据证明所提出的变步长LMS谐波检测算法具有很快的动态响应速度，还具有很好的精度；同时谐波分析仪的测试数据也证明了所设计的有源电力滤波器对谐波补偿的有效性，表明了软件算法与关键硬件部分设计的合理性。在此基础上，工业现场的满负荷运行性能测试、有源电力滤波器工作效率分析、在已经具备过压、过流、过热保护的基础上针对现场运行的实际需要设计更加完善合理的故障保护措施是需要努力的方向。

[1]刘继全，张茂松.基于瞬时无功功率理论的新型谐波检测法[J].电测与仪表，2012,49(10):29-31.

[2]卓放，杨君，胡军飞，等.三相四线制有源电力滤波器主电路的结构形式与控制[J].电工电能新技术，2000(2):1-6.

[3]王兆安，杨君，刘进军．无功抑制及谐波补偿[M].北京：机械工业出版社，2006.

[4]高大威，孙孝瑞．基于自适应线性神经元网络的三相畸变电流检测方法及实现[J].中国电机工程学报，2001,21(3):50-53.

[5]何振亚．自适应信号处理[M].北京：科学出版社，2002.

[6]李辉，李亦斌，邹云屏．一种新的变步长自适应谐波检测算法[J].电力系统自动化，2005,29(2):69-73.

[7]王晓刚，谢运祥．用于APF的改进型神经网络自适应谐波电流检测方法[J].电气应用，2008,27(10):14-17.

[8]何英杰，邹云屏，李辉，等．用于有源滤波器的一种新型谐波检测算法[J].电力电子技术，2008,40(2):56-59.

[9]郭自勇.有源电力滤波器检测与控制技术的研究及应用[D].长沙：湖南大学，2007.

[10]陈锡辉，张银鸿．LabVIEW 8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2007.

《太阳能利用原理·技术·工程》

本书全面介绍了太阳能利用技术，分为原理篇、技术篇、工程篇三部分，共15章。原理篇介绍太阳能利用的基础知识，以及太阳能工程的光学设计原理和传热分析原理，这是一切太阳能利用技术所共同需要的基础；技术篇讲述光热转换技术、光伏转换技术、光化学制氢转换技术、太阳能表面技术、太阳能材料、太阳能储存等，涵盖了太阳能利用的光热、光伏和光化学制氢三大主题，目的是构建太阳能利用的工程技术基础；工程篇讲述太阳能热利用工程、温室工程、热动力发电工程、光伏发电工程、生态工程等，详细介绍各种太阳能利用专项工程的设计与分析，最后收尾到工程经济分析。

Research and design of active power filter with large power

Aiming at the research and design of large power active power filter(APF),first of all,basing on the adaptive harmonic detection method,a new variable step size LMS harmonic detection algorithm was put forward. Simulation result shows that the method not only has fast dynamic response speed,but also has good precision.On the basis,the key hardware design of APF was analyzed,and the devices selection and layout design of main circuit were elaborated.According to the actual need,the remote control software basing on LabVIEW was designed. Finally the research and design of APF were completed. Actual compensation effect test also proves that the software algorithm and key part design of hardware are rational.

active power filter;variable step size;main circuit;LabVIEW

TM 464

A

1002-087 X(2015)10-2284-04

2015-03-27

河北省教育厅科学研究计划项目(Z2008308)；河北工业大学博士科研启动费资助项目

孙曙光(1979—)，男，河北省人，博士，副教授，主要研究方向为谐波检测与补偿技术。

孙曙光