电力电子滤波器的硬件设计与控制方法研究

付君

摘  要：进入21世纪以来，我国的经济发展呈现出爆炸式增长态势，与之相对性的是各项资源能源的需求呈几何倍数增加，这些都对现如今的经济发展造成一定的影响，成为一项亟待解决的问题。在电力能源的供应方面，电力行业不断推陈出新，开拓创新，进行产业升级和技术提升，希望能够对电网和用电设备减轻工作压力、减少安全隐患。本文基于电力电子滤波器的视角，对电力电子滤波器的硬件设计与控制方法进行了深入的探究，旨在有效减少谐波对电网和电力设备的损害，为电网和电路的日常工作减轻压力，切实解决更多的安全隐患，为电力系统的安全运行提供保障。

关键词：电力电子滤波器;硬件设计;电路设计

中图分类号：TN713                文献标志码：A

1 电力电子滤波器概况

随着我国经济的不断发展，用电设备的不断增多，电力系统的压力不断增大，谐波污染现象不断严重。基于这种电力系统污染现状，我国经过研究发现可以通过对諧波进行补偿解决谐波污染问题，这就引出了今天本文主要探讨的电力电子滤波器。电力电子滤波器早在20世纪的国外就已经得到研究，之后随着科学技术的不断发展，电力电子滤波器也不断地进行技术创新，现如今许多发达国家都广泛应用电力电子滤波器解决实际问题。对我国来说，电力电子滤波器起步较晚，发展较慢，但是随着我国电力系统污染问题的加重，相关部门对这一电子装置愈发重视，这也意味着电力电子滤波器在我国的发展空间大，拥有充足的资源和政策支持，发展前景广阔。电力电子滤波器根据不同的角度可以划分为不同的类型，接下来我们就重点对并联电压型电力电子滤波器的硬件设计进行研究。

2 电力电子滤波器关键技术和方案比较

2.1 电力电子滤波器关键技术

电力电子滤波器关键技术主要分为3点，包括谐波电流检测方法、变流器控制技术和主电路直流电容电压控制等。其中谐波电流检测方法可以直接影响电力电子滤波器的跟踪、补偿特性与应用范围，因此需要在进行谐波检测时做到检测结果科学、计算方法简便、检测时效性强等要求，保证电力电子滤波器的应用效果。变流器控制技术是应用电力电子滤波器的关键环节之一，可以保障电力电子滤波器的谐波补偿，主要有周期采样控制、三角载波控制和空间矢量脉宽控制等3种主流控制方法，3种控制方法各有利弊，可以根据实际情况进行选择。主电路直流电容电压控制是电力电子滤波器应用的重点和难点之一，实际进行这一控制技术时，通常采用比例积分调节器对主电路内部的直流电压进行控制，稳定直流测电容的电压。

2.2 电力电子滤波器的方案比较

本文主要对带谐波电流和不带谐波电流的两种并联电压型电力电子滤波器进行检测方案设计和比较。通过对带谐波电流并联电压型电力电子滤波器的原理进行分析和计算，我们可以得出带谐波电流检测的并联电力电子滤波器能够有效抑制谐波分量，并对无功电流电量进行补偿。通过对无谐波电流并联电压型电力电子滤波器的原理进行分析和计算，我们可以得出无谐波电流检测的并联电力电子滤波器同样能够有效抑制谐波分量，并对无功电流电量进行补偿。粗看起来好像并没有明显差别，所以我们接着对两种检测方案的控制方法进行探究，带谐波电流检测方案的控制方法在基波有功检测为理想单元时可以很好地达到抑制谐波及补偿无功电流电量的效果，但是在检测信号不理想时会使对无功电流电量的补偿效果大打折扣。至于无谐波电流检测方案的控制方法，可以充分避免带谐波电流检测方案中的弊端，并达到一样的控制效果。所以，以上就是对带谐波电流和不带谐波电流的两种电子谐波器进行的监测方案比较，通过多种元件、系统、器型上的运作优势比较，可以得到的结论是无谐波电流检测的并联电压型滤波器更为适合，实用。

3 并联电压型电力电子滤波器参数设计

（1）开关器件选择驱动功率小、开关频率高且导通压降低的IGBT电力电子开关管。

（2）电力电子滤波器的容量通过负载电流中的谐波分量值进行计算。

（3）变流器直流侧电容可选择低耐压的电容串联成大于1250μF的电容;电压以选择600V规格为宜。

（4）交流侧电感与滤波器的输出电流关系密切。

4 电力电子滤波器的硬件电路设计

线性负载上选用的器型是整流电路，这其中整流电路的实际优势是可以将整流桥后面的大功率调节变阻器进行阻容负载，用于模拟阻感负载或阻容负载形成的谐波源;主电路中的功率器件采用IGBT;在每个模块中都有相应的保护电路，来保护敏感和重要的原器件不因过压、过流等冲击而损坏。

4.1 信号检测模块电压控制

并联电压型的电力电子滤波器控制电路子在信号上的需要主要包括三相电网网侧电流、三相电网网侧电压与直流侧电容两端电压。当主电路的变流器逆变输出补偿电流时，变流器的直流两侧的电压主要由直流电容进行供应。此时想要直流侧电容的电压可以以一个较为稳定的数值进行运作，就需要对直流侧电容两端的电压进行测量，因为想要直流电压得到闭环性控制，就得对电压的数值进行掌握。

4.2 控制模块中的芯片选择

控制模块在整个电力电子滤波器中属于较为重要的核心器件，尤其是芯片，在整个系统中的属于影响力较强的一个组成部分。控制模块的职责是对A/D采样、锁相等控制部分进行信号上的发出，让信号的发射与接收可以得到良好的动作控制。本次系统选用的是TMS320F2812芯片，这个控制芯片的优势主要体现在控制与信号处理方面的强大控制性上，因为这个芯片在定位运算上的规格是32位定点，可以对控制算法上复杂系统进行处理。这种DSP芯片在先进的外设上具备统一集成管理的功能，实际运行的速度也较高，可以对大量的数据进行统处理，给接口的模块化设计提供了良好的实现条件，所以比较适合在数字电机控制系统上进行应用，工业控制系统、电力系统、通信设备等都可以借助这种芯片的强大数据处理能力增强设备的实用性。

4.3 主电路与驱动模块上的型号选择

电路采用的是IGBT驱动电路，这种电路在DSP控制电路以及变流器中的主要功能是可充当二者之间的连接接口，是电力电子滤波器中较为重要的组成部分，所以驱动器一旦出现什么问题就会给整个装置的性能发挥带来较强的影响。为了让电力电子的驱动元件可以维持正常的工作状态，驱动电路上的放大控制系统会对输出的PWM控制信号进行精确性的指令控制，防止电气系统运作中因为没有得到良好的隔离，进而发生问题。控制系统上的PWM控制信号可以将问题信号反馈给DSP控制电路，指挥电路做出相应的驱动改变。本设计在实验中选择的是2.0A集成检测与故障反馈芯片。在应用优势上的表现是可驱动150A，1200V 的IGBT 管;可光耦隔离、故障状态反馈输出等。

结语

综上所述，本文主要对电力电子滤波器的硬件设计进行了分析和探究，指出对当前谐波对电网环境的污染与破坏，我们需要充分利用好电力电子滤波器进行净化和消除，以提高电力系统的安全与高效运行。总体而言，本文对电力电子滤波器的硬件设计和应用控制持肯定和乐观的态度，尽管在实际应用中还需要进行具体分析和细节把控，但是发展前景仍是光明的。

参考文献

[1]罗琼.谐波对建筑电气设计的影响及对策分析[J].低碳世界，2017（34）：189-190.

[2]魏学良，蔡欣，姜珊.并联型有源电力滤波器电源电流控制方法研究[J/OL].电机与控制学报，2017（12）：85-92，99.