混合型有源电力滤波器设计及其工程应用

摘要：此处以工程应用为背景，研究了一种适用于低压大电流整流系统的混合型有源电力滤波器(HAPF)给出了该结构的主电路及原理说明，介绍了从驱动功率、死区时间和箝位保护3个方向选择大功率模块，从电平转换到光纤传输实现触发，采用热管技术以及基于DSP控制系统等关键技术的设计，包括DSP TMS320F2812控制板和接口电路板的设计。最后，针对某铜加工厂的谐波及无功实际情况，给出该滤波器的具体实现方案。现场运行数据表明，设计方案和实验装置有效、可靠。
关键词：有源电力滤波器；谐波；数字信号处理器

1 引言
    近年来，随着电力电子设备的发展。谐波污染日趋严重，而用户对电能质量的要求却越来越高。HAPF作为治理谐波的主要技术之一，因其性价比高且工程实现容易，正日益成为工业系统有效滤除谐波和无功补偿的首选方案。此处介绍了HAPF的主电路系统结构和设计及其数字控制系统的构成和DSP实现。最后，针对某企业谐波和无功情况，给出了HAPF的具体实现方法。现场运行数据表明，提出的设计思路和方案可行。

2 HAPF的主电路结构及原理
    图1示出HAPF系统拓扑，因结构简单，安装容易，占地面积小，适用于低压系统兼顾大容量无功补偿和动态谐波治理场合，在工业上应用广泛。

    单纯的无源滤波器(PF)存在滤波特性受电网阻抗影响和容易与电网阻抗产生串并联谐振的缺陷，有源滤波器(APF)受开关器件容量限制，补偿无功能力有限，这里结合现场的无功和谐波情况，给出了PF加并联APF的HAPF实现方案。因现场工况为6脉波的高频开关整流负载，功率因数偏低，5次谐波电流偏大，5次单调谐无源支路降低了系统的PF对低频信号的放大；11次单调谐无源支路不仅能够补偿一定量的无功，对高频谐波如13，17等次谐波也有滤波效果，所以PF设计为5，11次单调谐，而APF通过对PWM逆变器的控制，使得逆变器输出相应的电压或电流跟踪期望的参考电压或电流，实现谐波治理。

3 关键技术
3．1 大功率逆变器的选取
    功率模块承担着电网的有功功率转移和谐波治理。综合了电力晶体管(GTR)耐高压、大电流和MOSFET开关频率高的优点，选择全控型器件绝缘栅双极晶体管(IGBT)。实验采用FF450R17ME3型IGBT，它采用了改进的沟槽栅和场终止技术，耐流值为450 A，耐压值为1．7 kV。IGBT模块的导通和关断受栅极驱动信号的控制，IGBT正常工作需满足以下要求：①驱动功率满足要求；②PWM驱动信号需预留一定死区时间；③栅极、有源箝位功能。根据上述要求，此处预选2SP0115T作为FF450R17ME3这个半桥IGBT模块的驱动器。
3．1．1 驱动功率
    此处选择设计的载波频率为10 kHz，驱动器每通道的输出功率为：
    P=fsQg△U      (1)
    式中：fs为IGBT开关频率；Qg为IGBT门极电荷；△U为门极驱动电压摆幅，等于驱动正压+U与-U之间差值。
    根据式(1)和系统参数，驱动板选取两单元2SP0115T，每个IGBT的驱动功率为1 W，保证了应用要求。
3．1．2 死区时间
    设置死区时间需注意：①死区时间必须大于IGBT器件关断延迟时间；②对控制效果的影响尽量小。死区时间过小不利于IGBT的安全，死区时间过大则容易给控制效果和精度带来影响，尤其在驱动信号开关频率很高时影响特别明显。FF450R17ME3关断延迟最大为0．62μs，开通延迟为0．22μs，2SP0115T2A驱动板的死区时间本身设置为3μs，可满足安全要求，此处采用的开关频率为10 kHz，开关周期T=0．1 ms，故一个死区时间在一个PWM开关周期内所占比例为3％，因此对控制的精度影响不大。 [p]
3．1．3 箝位保护
    在IGBT的门极和射极间寄生着米勒电容，当电容两端电压变化率过大时将在门极产生较大偏移电流，影响IGBT正常关断，为防止这种关断拖尾现象，在门极进行有源米勒箝位，如图2所示。

    在IGBT的门极与射极间附加一个晶体管VT和一个稳压管VD，当门极电流较大时，VT导通，吸收部分栅极电流，加速IGBT的关断，从而改善其关断特性。
3．2 触发系统的实现
3．2．1 电平转换
    OC门电路如图3所示，实现了电平转换，通过改变电源Ec值，即可改变输出逻辑高电平的值，实现TTL电平到其他类型电路电平转换，而此处是将TTL电平转换为高阈值的TTL电平。

    由于设计中DSP发出的PWM信号为0～3 V脉冲信号，而7407外接+Vcc和上拉电阻将电平转换至高阈值电平。
3．2．2 光纤触发
    光电转换器和电光转换器采用ST接头，符合IEEE 802．3 Ethemet 802．5 Token Ring标准，数据率最高可达175 MBd，最长传输距离达4 km，工作温度范围宽-40～+85℃。原理如图4所示，电流IF的大小决定传输距离，计算公式为：
    IF=(Vcc-UF)／R1      (2) [p]
    式中：UF为电光转换器2412的导通压降，一般为1．5V。

    图5示出光纤传输距离与IF大小的关系。只要选取合适的R1就能使光信号传输到目的位置，并且不失真。

3．3 散热系统的的设计
    系统稳定安全运行时，若散热措施不够好，IGBT开关管损耗导致模块升温，给系统带来不利影响。热管属于一种传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，通过在全封闭真空管内的液体蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等优点，其导热能力远超过任何已知金属的导热能力。热管技术的原理就是利用工作流体的蒸发与冷凝来传递热量。将铝管内部抽真空后充入工作流体，流体以蒸发-冷凝的相变过程在内部反复循环，不断将热端的热量传至冷却端，从而形成将热量从管子的一端传至另一端的传热过程。
3．4 基于DSP的控制电路的设计
    采用TMS320F2812型DSP作为控制器核心单元，此处设计开发了TMS320F2812嵌入式DSP控制板，DSP整体接口控制框图如图6所示。

    所用DSP控制板是专为电力监控而设计的、采用基于32位定点DSP的高性能、低成本DSP控制板，在保证各种应用的适应性基础上，还兼具良好的扩展性。在该控制板中集成了DSP，SRAM，片外D／A，片外A／D，UART，串行EEPROM，RTC实时时钟，工业以太网等外设。 [p]
    该控制板除具有TMS320F2812特性外，扩展了很多功能，外扩有512K*16 bit高速SRAM存储器。①参数存储：带56字节NvRAM实时时钟、SPI接口EEPROM(最大128K*8 bit)；②输入／输出：12路±10 V模拟输入、4路±10 V模拟输出、48路I／O及功能扩展口线、128*64LCD接口、4*4键盘、8位数据及3位地址总线扩展：③接口通信接口：10M以太网接口、保留的I／O口线可方便实现RS485／RS232／CAN／SPI等形式的通讯：④采用的DSP控制板结构紧凑，布局合理，外部接口信号根据信号特点合理划分，提高了模板稳定性及抗干扰能力。

4 实验结果
    某冶炼厂0．4 kV HAPF系统如图7所示，由5，11次无源滤波支路和有源部分组成。系统参数L5=0．262 mH，C5=1 592．36 μF，L11= 0．108 mH，C11=796．18μF，L0=0．3mH，C=10mF。

    表1示出该厂投入补偿装置前后平均功率因数和第5，7，11次特征谐波电流幅值对比。

    图8示出实验波形，由表1及图8可见，投入补偿装置后，平均功率因数由原来的0．82提高到0．97，第5，7，11次特征谐波也得到了很好的抑制，达到了国标要求。

5 结论
    提出了一种适用于低压整流系统的并联混合型有源电力滤波电路，并给出了滤波器主电路系统设计的关键技术和控制器的DSP实现方案。最后针对某企业的工程实际情况，给出了混合型有源电力滤波的的具体实现方案和参数。现场运行数据表明，提出的设计思路和方案是可行的。