【導讀】通過分析諧波的相關概念和諧波的產生原因，舉例分析。明了抑制諧波的重要性。再通過闡述抑制諧波的各種措施，得出安裝濾波。器是減小諧波的有效措施。接下來就是本文的重點內容，即濾波器的工作。而不同類型的濾波器有不同的原理，結構也不一。壓的的控制以及區(qū)別于其他類型濾波器的優(yōu)缺點。電網諧波的實驗，并對其進行波形進行了FFT處理和分析。研究,結果證實了設計方案的正確性和可行性。20世紀年代無源濾波器日趨成熟。近年來，隨著電力電子技術的廣泛應用，電能得到了更加充分的利用。據某日報報道，我國僅由電能質量問題造成的年電能損失就高。而有源電力濾波器由于具有高度可控性和。視，稱為目前國內外供電系統(tǒng)諧波抑制研究的熱點。經過半個世紀的發(fā)展，我國濾波器在研制，生產和應用等方。70年代初期，有源電力濾波器發(fā)展引人注目，1978年單片RC有源電。力濾波器的問世，問濾波器集成邁進了可喜的一步。由于運放的增益和向

　　

【正文】 2c o sc o s2s i ns i ns i nc o sc o s)(s i nCCCnctnntnttncttgttfFFnnn???????????????? ??????????????????????? 點積 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 有源電力濾波器的設計 45 ? ? ? ?? ?39。2239。21121121s i ns i n2s i nc o ss i ns i ns i ns i nCCCctntntntccttgttfFFnnnn???????????????? ??????????????????????? 從上面的兩個式子中可以看出，兩個向量的點積中含有直流分量和諧波分量。如果用低通濾波器將 2 次以上的諧波濾掉，僅存 1C 和 2C ,則 ??tf 中的基波分量為： ? ?? ????????????????????122221111a r c t a ns i ns i nCCtCCtctf??? 由式 3. 7 和式３ .８可以看出，圖 .９兩種諧波快速檢測方法所得到的基波分量是相同的。所以，兩種諧波快速檢測方法得到的諧波表達式是相同的： ? ?? ? ? ?? ? ????????????????????1222211a r c t a ns i n CCtCCtftftftf n? 兩種方法的共同缺點是存在一定的延時，延遲時間大約在幾毫秒，對于50HZ 的電網頻率來說，幾毫秒的延時還是允許的。其實 有一種叫基于瞬時功率的檢測方法是可以解決的，但由于本文中沒有采用這種方法，所以不予介紹。雖然傅里葉變換的檢測方法需要對誤差信號進行重構，運算較為復雜，存在一定延時，但其方法思路比較簡明，原理和工作過程十分清晰，對所補償的諧波可以進行有目的地選擇，使用與各種情況，這也是本文的濾波器設計采用這種方法的原因，在后面第五章仿真分析時，我們就上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 有源電力濾波器的設計 46 可以看到這種檢測方法的優(yōu)勢。 PWM 控制器 前面介紹的控制算法處理器產生的諧波信號與有源電力濾波器產生的諧波相比較，所得到的差值信號通過相應的控制技術，產生 PWM 控制 信號，再驅動電路輸出觸發(fā)脈沖，觸發(fā)主電路（逆變器）相應的功率開關管，逆變器產生的諧波電流（電壓）應與所要補償的諧波電流（電壓）大小相等，極性相反，從而得到諧波補償的效果 [17]。 有源電力濾波器的 PWM 控制器所涉及的主要是主電路的 PWM 控制技術，前面已介紹過，主電路實際上是逆變電路。所以下面介紹的 PWM 控制技術實際上是逆變器的控制技術，對逆變電源也是使用的。按反饋環(huán)路的類型，逆變器的控制技術可分為電壓型和電流型兩大類，按實現控制的電路的類型，逆變器的控制技術又可分為模擬電路控制和數字電路控制兩大類。 以電壓 型控制技術為例。電壓型單閉環(huán)控制的方框圖如圖 所示。圖中的 Ur為基準正弦波電壓信號， Uof為輸出電壓 U0的反饋信號， Ur和 Uof經調節(jié)器得到誤差信號 Ue， Ue與三角波載波信號 Uc在 PWM 中進行 SPWM 控制，得到 PWM 的輸出 D,D 為脈沖占空比， Vcc為逆變器的輸入直流電源電壓， UAB為逆變器的橋路輸出電壓，經逆變變壓器和 LC 低通濾波器后，得到正弦波輸出電壓 Uo與圖 。有圖 可以得出該逆變控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數 )()( SHSG 為 : ofkLCs sGNkSHSG ??? 1)()()( 2 11???????????????????? （ ） 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 有源電力濾波器的設計 47 圖 電壓型單閉環(huán)控制的方框圖 圖 電壓型單閉環(huán)控制的傳遞函數結構圖 該逆變控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數為 : 1)( )()()(1 )()( )( 211 10 ????? LCsSGkNk sGNksHsG sGsU sU ofr???????????? （ ） 由式 和式 可以看出，若誤差放大器是一個比例環(huán)節(jié)，那么，上面兩式都 是二階的即該系統(tǒng)為有條件穩(wěn)定的二階系統(tǒng)。由于輸出濾波器是低通濾波器， L 和 C 都比較大，其諧振頻率都很低。該系統(tǒng)的幅頻特性中頻以 40db/dec 的斜率穿過橫坐標，不符合穩(wěn)定性的要求，如圖 （ a）所示，既使采用 PI 調節(jié)器也解決不了穩(wěn)定性的問題。若在中頻端加上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 有源電力濾波器的設計 48 入一個串聯超前校正環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)進行校正，可以使系統(tǒng)的開環(huán)幅頻特性在低，中，高頻端都能滿足要求，如圖 （ b）所示 : 截止頻率 c? 應滿足下式： sc f?? 2)5/14/1( ??? ?????????????????????? （ ） 式 中， sf 為逆變開關頻率。若 c? 太小，系統(tǒng)的穩(wěn)定性差。 圖 電壓型單閉環(huán)控制系統(tǒng)的幅頻特性曲線 驅動電路 在有源電力力濾波器的主電路中，功率開關管多采用大功率晶體管（ GTR） ,功率場效應晶體管 （ VMOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（ IGBT） ,驅動電路是電力電子變換器的關鍵技術之一 [19]。它的輸出脈沖的幅值和波形與功率開關管的開關特性有很大的關系，進而會影響到整個逆變系統(tǒng)的效率和調節(jié)特性。本文除按功率開關器件的種類介紹相應的基本驅動電路外，還將有選擇地介紹幾種集成驅動電路。 GTR 的驅動電路 GTR 的驅動電路按驅動方式可分為兩大類：直接式和隔離式。直接式是指驅動電路與 GTR 的基極非隔離性相連接。隔離式是指驅動電路與 GTR上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 有源電力濾波器的設計 49 的基極通過隔離元件或隔離電路相連接。 直接式基極驅動電路如圖 所示。圖中 V 是主開關管， 1V 是輔助開關管。當控制電壓 gU 為負值時， 1V 導通， V 導通。當 gU 為正時， 1V 關斷，CV? 直接加到 V 的基極上，使 V 快速關斷。 1R 和 2R 的作用是當 V 導通時，提供適當的基極電流。 圖 直接式基極驅動電路 IGBT 的驅動電路 因為 IGBT 是 MOSFET 和 GTR 的復合器件，其輸入特性與 MOSFET 相似，前面講過的 MOSFET 柵極驅動電路基本上適用于驅動 IGBT。由于目前 IGBT的驅動電路多采用集成控制器，所以，在介紹 IGBT 柵 極驅動應注意的問題后，將重點介紹 IGBT 柵極驅動器集成電路。 首先 IGBT 的柵極驅動電壓不允許超過，特性參數中給定的限制值，該限制值一般為 20 伏。在實際應用中柵極正向偏壓為 %)101(15 ? 伏。這個數值可保證 IGBT 飽和導通，并且導通功耗減至最小。為了保證 IGBT 可靠關斷，并降低關斷時間，提高耐壓和承受 tu dd/ 的能力，提高干擾的能力，上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 有源電力濾波器的設計 50 一般在柵極 發(fā)射極之間設置 5? 到 15 伏之間的反向偏壓。其次， IGBT 的導通和關斷是通過柵極電容的充放電容的充放電過程來完成的。柵極電阻GR 對 IGBT 的動態(tài)特性有很大的影響，選擇適宜的柵極電阻 GR 的數值對IGBT 的驅動相當重要。圖 為 IGBT 柵極電阻 GR 與開關時間的關系曲線。圖 是 IGBT 柵極電阻 GR 與開關管功耗的關系曲線。 圖 IGBT 基極電阻 GR 與開關時間的關系曲線 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 有源電力濾波器的設計 51 圖 IGBT 柵極電阻 GR 與開關管功能的關系曲線 為了提高ＩＧＢＴ柵極的 抗干擾能力，可在柵極－發(fā)射極之間并聯阻值為１０－２０歐的電阻器，或者并聯雙向鉗位穩(wěn)壓二極管，或者兩者都并聯在柵極－發(fā)射極之間。在采用光耦合離驅動信號時，其原邊，副邊和各元件之間的連線應盡可能短，從上面的介紹可知，對柵極驅動電路的布線要求非常嚴格，為了減小電路的體積，降低噪聲，改善驅動電路的性能，目前成功了多種ＩＧＢＴ驅動器集成電路。因為驅動ＰＣＢ不能直接連接到ＩＧＢＴ的控制端子上時，應采用盡可能短的雙絞線或帶狀連接。 從圖 和圖 可以看出隨著 GR 的增大， IGBT 的開關時間和開關管功耗也增加。但 GR 又不能太小否則柵極電壓容易產生振蕩，同時 IGBT對 tu dd/ 的承受力也下降。選擇 GR 時，應參考 IGBT 器件使用說明書。若使用說明書中沒有給出 GR 的數值可采用表 給出的推薦來選取，在根據驅動電路的市價狀態(tài)做適當調整。該表也適用于 MOSFET。 上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 有源電力濾波器的設計 52 表３ .２ GR 的推薦值 額定電流 額定電壓 柵極串聯電阻 ６００ ３００ ５１ ５０ ２５ ２５ １００ ５０ １５ １５０ ７５ １２ ２００ １００ ８．２ ３００ １５０ ５．１ ４００ ２００ ３．３ ６００ ３００ ２．２ 從上面的介紹可知，對柵極驅動電路布線要求非常嚴 格，為了減小體積，降低噪音，改善驅動電路的性能，目前研制成功了多種 IGBT 驅動器集成電路。 耦合變壓器 由前面的分析我們可以看到，有源電力濾波器在某些情況下可以通過電抗器或電容器直接接入到電力系統(tǒng)中。但是對于 10kv 及以上的系統(tǒng)，由于目前開關器件電壓與電流容量的限制，逆變器的電壓和電流還不能滿足直接直接接入電力系統(tǒng)的要求 [24]。因此通常情況下有源電力濾波器都要通過耦合變壓器接入到電力系統(tǒng)中，圖 為通過耦合變壓器并聯接入電力系統(tǒng)的示意圖。采用耦合變壓器接入電力系統(tǒng)的好處如下：第一是可以靈活地改 變逆變器的輸出電壓和電流，從而充分的利用了開關器件的電壓與電流的容量。第二是可以提供絕緣隔離。變壓器的電氣與原副邊得絕上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 有源電力濾波器的設計 53 緣隔離可以防止出現 不必要的電氣連接，可以提高有源電力濾波器的可靠性，還可以防止電力系統(tǒng)的各種干擾直接進入到有源電力濾波器中。特別是在串并聯諧波綜合補償器中，通常都要采用耦合變壓器隔離。 雖然變壓器帶來了很大的好處，但是在有源電力濾波器中采用耦合變壓器本身也存在一些缺點。這主要是因為有源電力濾波器對耦合變壓器存在較高的要求，現在介紹如下： 首先，耦合變壓器必須有源較寬的工作頻帶。由于 有源電力濾波器主要用于濾波，而電力系統(tǒng)中諧波的頻率范圍較寬，如從次諧波到 50 次諧波，即頻率從幾赫茲到 2500 赫茲。所以要求耦合變壓器的通頻帶從幾赫茲到 2500 赫茲。這與通常的工頻變壓器，中頻變壓器與高頻變壓器不同。因為工頻變壓器只要求工作頻率在 50 赫茲附近，而中頻變壓器要求的工作頻率為 400 赫茲左右，工作頻帶都較窄，而高頻變壓器要求的工作頻率在幾十千赫茲以上。 [5] 其次，耦合變壓器漏抗有較高的要求。對于串聯變壓器要求基波的漏抗很小，才能保證串聯變壓器后負荷側的短路容量不會顯著變小。而對于并聯變壓器要求有較 寬的漏抗范圍，可以根據有源電力濾波器的需要選擇合適的漏抗參數。 第三耦合變壓器繞組接法靈活。由于有源電力濾波器的逆變器結構較多，因此通常對耦合變壓器繞組接法有特別的要求。常常要求耦合變壓器繞組首尾接頭全波引出，而不是接成固定的 Y 接法或三角形接法。 第四耦合變壓器的鐵芯結構特殊。由于有源電力濾波器輸出的電流或電壓通常是三相獨立控制的，因此三相中電流或電壓是獨立的，不存在通上海工程技術大學畢業(yè)設計（論文） 有源電力濾波器的設計 54 常工頻變壓器中三相電流或者電壓之和為零的約束。這就要求耦合變壓器的三相鐵芯與磁路是獨立的相互影響越小越好。所以用于有源電力濾波器的耦合變壓器 通常采用單相變壓器或者三相五鐵芯結構，防止變壓器三相磁路互相影響。 正是由于有源電力濾波器的耦合變壓器有上述的特殊要求，因此設計選擇耦合變壓器時要注意如下問題。 鐵芯材料的選擇 一般的工頻變壓器選用常用的硅鋼片鐵芯即可以滿足特殊要求，因為工作在 50 赫茲時變壓器的鐵損與銅損都較小 [5]。而對于高頻變壓器，工作頻率在幾十千赫茲以上，所以通常選擇軟磁鐵氧體材料作為鐵芯。但軟磁鐵氧體工作磁通密度低，磁導率不高，磁滯伸縮性大而且對溫度變化很敏感，因此用于幾十千赫茲工作頻率一下的大功率場合是不適用的 。鑒于有源電力濾波器工作時的頻率范圍，耦合變壓器的鐵芯材料 一般選擇薄硅鋼片或非晶體合金磁性材