電力電子濾波器的硬件設(shè)計(jì)與控制方法研究

付君

摘? 要：進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展呈現(xiàn)出爆炸式增長態(tài)勢(shì)，與之相對(duì)性的是各項(xiàng)資源能源的需求呈幾何倍數(shù)增加，這些都對(duì)現(xiàn)如今的經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成一定的影響，成為一項(xiàng)亟待解決的問題。在電力能源的供應(yīng)方面，電力行業(yè)不斷推陳出新，開拓創(chuàng)新，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)和技術(shù)提升，希望能夠?qū)﹄娋W(wǎng)和用電設(shè)備減輕工作壓力、減少安全隱患。本文基于電力電子濾波器的視角，對(duì)電力電子濾波器的硬件設(shè)計(jì)與控制方法進(jìn)行了深入的探究，旨在有效減少諧波對(duì)電網(wǎng)和電力設(shè)備的損害，為電網(wǎng)和電路的日常工作減輕壓力，切實(shí)解決更多的安全隱患，為電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供保障。

關(guān)鍵詞：電力電子濾波器;硬件設(shè)計(jì);電路設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN713? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 電力電子濾波器概況

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，用電設(shè)備的不斷增多，電力系統(tǒng)的壓力不斷增大，諧波污染現(xiàn)象不斷嚴(yán)重?；谶@種電力系統(tǒng)污染現(xiàn)狀，我國經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)可以通過對(duì)諧波進(jìn)行補(bǔ)償解決諧波污染問題，這就引出了今天本文主要探討的電力電子濾波器。電力電子濾波器早在20世紀(jì)的國外就已經(jīng)得到研究，之后隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電力電子濾波器也不斷地進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，現(xiàn)如今許多發(fā)達(dá)國家都廣泛應(yīng)用電力電子濾波器解決實(shí)際問題。對(duì)我國來說，電力電子濾波器起步較晚，發(fā)展較慢，但是隨著我國電力系統(tǒng)污染問題的加重，相關(guān)部門對(duì)這一電子裝置愈發(fā)重視，這也意味著電力電子濾波器在我國的發(fā)展空間大，擁有充足的資源和政策支持，發(fā)展前景廣闊。電力電子濾波器根據(jù)不同的角度可以劃分為不同的類型，接下來我們就重點(diǎn)對(duì)并聯(lián)電壓型電力電子濾波器的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

2 電力電子濾波器關(guān)鍵技術(shù)和方案比較

2.1 電力電子濾波器關(guān)鍵技術(shù)

電力電子濾波器關(guān)鍵技術(shù)主要分為3點(diǎn)，包括諧波電流檢測(cè)方法、變流器控制技術(shù)和主電路直流電容電壓控制等。其中諧波電流檢測(cè)方法可以直接影響電力電子濾波器的跟蹤、補(bǔ)償特性與應(yīng)用范圍，因此需要在進(jìn)行諧波檢測(cè)時(shí)做到檢測(cè)結(jié)果科學(xué)、計(jì)算方法簡便、檢測(cè)時(shí)效性強(qiáng)等要求，保證電力電子濾波器的應(yīng)用效果。變流器控制技術(shù)是應(yīng)用電力電子濾波器的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，可以保障電力電子濾波器的諧波補(bǔ)償，主要有周期采樣控制、三角載波控制和空間矢量脈寬控制等3種主流控制方法，3種控制方法各有利弊，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。主電路直流電容電壓控制是電力電子濾波器應(yīng)用的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，實(shí)際進(jìn)行這一控制技術(shù)時(shí)，通常采用比例積分調(diào)節(jié)器對(duì)主電路內(nèi)部的直流電壓進(jìn)行控制，穩(wěn)定直流測(cè)電容的電壓。

2.2 電力電子濾波器的方案比較

本文主要對(duì)帶諧波電流和不帶諧波電流的兩種并聯(lián)電壓型電力電子濾波器進(jìn)行檢測(cè)方案設(shè)計(jì)和比較。通過對(duì)帶諧波電流并聯(lián)電壓型電力電子濾波器的原理進(jìn)行分析和計(jì)算，我們可以得出帶諧波電流檢測(cè)的并聯(lián)電力電子濾波器能夠有效抑制諧波分量，并對(duì)無功電流電量進(jìn)行補(bǔ)償。通過對(duì)無諧波電流并聯(lián)電壓型電力電子濾波器的原理進(jìn)行分析和計(jì)算，我們可以得出無諧波電流檢測(cè)的并聯(lián)電力電子濾波器同樣能夠有效抑制諧波分量，并對(duì)無功電流電量進(jìn)行補(bǔ)償。粗看起來好像并沒有明顯差別，所以我們接著對(duì)兩種檢測(cè)方案的控制方法進(jìn)行探究，帶諧波電流檢測(cè)方案的控制方法在基波有功檢測(cè)為理想單元時(shí)可以很好地達(dá)到抑制諧波及補(bǔ)償無功電流電量的效果，但是在檢測(cè)信號(hào)不理想時(shí)會(huì)使對(duì)無功電流電量的補(bǔ)償效果大打折扣。至于無諧波電流檢測(cè)方案的控制方法，可以充分避免帶諧波電流檢測(cè)方案中的弊端，并達(dá)到一樣的控制效果。所以，以上就是對(duì)帶諧波電流和不帶諧波電流的兩種電子諧波器進(jìn)行的監(jiān)測(cè)方案比較，通過多種元件、系統(tǒng)、器型上的運(yùn)作優(yōu)勢(shì)比較，可以得到的結(jié)論是無諧波電流檢測(cè)的并聯(lián)電壓型濾波器更為適合，實(shí)用。

3 并聯(lián)電壓型電力電子濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）開關(guān)器件選擇驅(qū)動(dòng)功率小、開關(guān)頻率高且導(dǎo)通壓降低的IGBT電力電子開關(guān)管。

（2）電力電子濾波器的容量通過負(fù)載電流中的諧波分量值進(jìn)行計(jì)算。

（3）變流器直流側(cè)電容可選擇低耐壓的電容串聯(lián)成大于1250μF的電容;電壓以選擇600V規(guī)格為宜。

（4）交流側(cè)電感與濾波器的輸出電流關(guān)系密切。

4 電力電子濾波器的硬件電路設(shè)計(jì)

線性負(fù)載上選用的器型是整流電路，這其中整流電路的實(shí)際優(yōu)勢(shì)是可以將整流橋后面的大功率調(diào)節(jié)變阻器進(jìn)行阻容負(fù)載，用于模擬阻感負(fù)載或阻容負(fù)載形成的諧波源;主電路中的功率器件采用IGBT;在每個(gè)模塊中都有相應(yīng)的保護(hù)電路，來保護(hù)敏感和重要的原器件不因過壓、過流等沖擊而損壞。

4.1 信號(hào)檢測(cè)模塊電壓控制

并聯(lián)電壓型的電力電子濾波器控制電路子在信號(hào)上的需要主要包括三相電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)電流、三相電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)電壓與直流側(cè)電容兩端電壓。當(dāng)主電路的變流器逆變輸出補(bǔ)償電流時(shí)，變流器的直流兩側(cè)的電壓主要由直流電容進(jìn)行供應(yīng)。此時(shí)想要直流側(cè)電容的電壓可以以一個(gè)較為穩(wěn)定的數(shù)值進(jìn)行運(yùn)作，就需要對(duì)直流側(cè)電容兩端的電壓進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)橄胍绷麟妷旱玫介]環(huán)性控制，就得對(duì)電壓的數(shù)值進(jìn)行掌握。

4.2 控制模塊中的芯片選擇

控制模塊在整個(gè)電力電子濾波器中屬于較為重要的核心器件，尤其是芯片，在整個(gè)系統(tǒng)中的屬于影響力較強(qiáng)的一個(gè)組成部分?？刂颇K的職責(zé)是對(duì)A/D采樣、鎖相等控制部分進(jìn)行信號(hào)上的發(fā)出，讓信號(hào)的發(fā)射與接收可以得到良好的動(dòng)作控制。本次系統(tǒng)選用的是TMS320F2812芯片，這個(gè)控制芯片的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在控制與信號(hào)處理方面的強(qiáng)大控制性上，因?yàn)檫@個(gè)芯片在定位運(yùn)算上的規(guī)格是32位定點(diǎn)，可以對(duì)控制算法上復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行處理。這種DSP芯片在先進(jìn)的外設(shè)上具備統(tǒng)一集成管理的功能，實(shí)際運(yùn)行的速度也較高，可以對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)處理，給接口的模塊化設(shè)計(jì)提供了良好的實(shí)現(xiàn)條件，所以比較適合在數(shù)字電機(jī)控制系統(tǒng)上進(jìn)行應(yīng)用，工業(yè)控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、通信設(shè)備等都可以借助這種芯片的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力增強(qiáng)設(shè)備的實(shí)用性。

4.3 主電路與驅(qū)動(dòng)模塊上的型號(hào)選擇

電路采用的是IGBT驅(qū)動(dòng)電路，這種電路在DSP控制電路以及變流器中的主要功能是可充當(dāng)二者之間的連接接口，是電力電子濾波器中較為重要的組成部分，所以驅(qū)動(dòng)器一旦出現(xiàn)什么問題就會(huì)給整個(gè)裝置的性能發(fā)揮帶來較強(qiáng)的影響。為了讓電力電子的驅(qū)動(dòng)元件可以維持正常的工作狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)電路上的放大控制系統(tǒng)會(huì)對(duì)輸出的PWM控制信號(hào)進(jìn)行精確性的指令控制，防止電氣系統(tǒng)運(yùn)作中因?yàn)闆]有得到良好的隔離，進(jìn)而發(fā)生問題?？刂葡到y(tǒng)上的PWM控制信號(hào)可以將問題信號(hào)反饋給DSP控制電路，指揮電路做出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)改變。本設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)中選擇的是2.0A集成檢測(cè)與故障反饋芯片。在應(yīng)用優(yōu)勢(shì)上的表現(xiàn)是可驅(qū)動(dòng)150A，1200V 的IGBT 管;可光耦隔離、故障狀態(tài)反饋輸出等。

結(jié)語

綜上所述，本文主要對(duì)電力電子濾波器的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和探究，指出對(duì)當(dāng)前諧波對(duì)電網(wǎng)環(huán)境的污染與破壞，我們需要充分利用好電力電子濾波器進(jìn)行凈化和消除，以提高電力系統(tǒng)的安全與高效運(yùn)行。總體而言，本文對(duì)電力電子濾波器的硬件設(shè)計(jì)和應(yīng)用控制持肯定和樂觀的態(tài)度，盡管在實(shí)際應(yīng)用中還需要進(jìn)行具體分析和細(xì)節(jié)把控，但是發(fā)展前景仍是光明的。

參考文獻(xiàn)

[1]羅瓊.諧波對(duì)建筑電氣設(shè)計(jì)的影響及對(duì)策分析[J].低碳世界，2017（34）：189-190.

[2]魏學(xué)良，蔡欣，姜珊.并聯(lián)型有源電力濾波器電源電流控制方法研究[J/OL].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2017（12）：85-92，99.