模拟有源滤波器的电路设计

摘要： 提出了一种基于全模拟器件的有源电力滤波器的电路设计方法。该有源电力滤波器借用成熟的模拟电子技术构成， 能达到实时的谐波抑制效果。文中给出了各部分电路设计及其说明， 并对采用并联和串联型接入电网方式进行了研究和对比。

0 引言

有源电力滤波器(APF) 是一种用于动态谐波抑制和功率补偿的新型电力电子装置。它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。与无源滤波器相比， 有源电力滤波器具有更高的可控性和快速响应性， 本文提出了一种基于全模拟器件的有源滤波器的设计思路。其各个主要部件的输入量及输出量都是连续变化的电压、电流等物理量。该方案由若干种作用及数量不同的加法器、乘法器、函数产生器以及各种分离元件等组成。另外， 使用模拟器件来实现可以很容易地集成为芯片。有源电力滤波器谐波检测及控制等电路集成为芯片后， 使用起来就更加方便、灵活、结构简单。这样就能达到更好地推广有源电力滤波器的目的。

1 模拟有源滤波器的结构原理

本有源电力滤波器系统由指令电流运算电路、控制电路和补偿电流发生电路三大部分组成。其中指令电流运算电路的功能是从负载电流il中分离出谐波电流分量及基波无功电流分量ic的原则， 来计算主电路各开关器件的触发脉冲。此脉冲经驱动电路后将作用于主电路， 并产生补偿电流ic。图1所示是并联型有源电力滤波器的原理框图。

基于全模拟器件的有源电力滤波器同样也是由图1所示的这几个部分组成， 只是其各个部分都是由模拟器件构成。现分别对电路各个部分进行介绍。

图1 并联型有源滤波器原理框图

2 谐波信号检测电路

采用ip、iq谐波检测法， 谐波信号检测电路可由乘法、加减法以及低通有源滤波电路组成。通过模拟器件获取单相谐波参考电流的ip、iq法所实现的单相谐波检测的原理框图如图2所示。

由于本滤波器是基于全模拟器件的， 其电路全部由常规电路元件构成。故此滤波器的性能也受到元件的温度漂移、长期稳定性、相移等因素的影响。因此， 元件的选型对于本有源电力滤波器尤为关键。

图2 单相谐波检测原理框图

乘法器型号有多种， 本文不作罗列。相对于现代模拟电子器件的宽频带而言， 有源电力滤波器对带宽要求不高。如要求能滤除50次谐波则其带宽要求为50×50 Hz=2.5 kHz。AD632、AD633、AD534等加法器的带宽、输入及满功率输出范围相当。本文在乘法器电路中选用AD633乘法器。

AD633乘法器的误差包括输入输出偏移、放大倍数误差和乘法核的非线形误差。输入偏移随温度变化曲线显示， -40℃~+40℃的偏置电流范围为420 nA~580 nA。放大倍数误差在满额时的典型值为0.25%。AD633资料给出的总的误差典型值为1%， 最大值为2%。

系统中的运算放大器选用高精度低漂移低噪声集成放大器OP07。该放大器的输入偏移电流为1 nA、偏移电压为30 μV、-3 dB带宽为600 kHz、静态耗散电流为4 mA、电压温度漂移为0.2 μV/℃。

获得很高的带宽， 也意味着会带来高的功耗。而且， 在单相全模拟有源电力滤波器使用高带宽的运算放大器也同时会引入高频噪声。单相全模拟有源电力滤波器的信号频率不超过3 kHz。

型号为OP07的运算放大器的截止频率为600 kHz，故能很好地满足有源电力滤波器的要求。

运算放大器的误差主要由输入失调电压、输入失调电流以及等效输入噪声等引起。当前运算放大器的性能已经得到很大的改进， 其各项性能指标十分优异。以高精度低漂移低噪声集成放大器OP07为例， 其输入偏移电压为μV级， 输入漂移电流和输入偏置电流为nA级， 因此， 对于±10V电路工作电压， 完全可以忽略。

运算放大器电路的最终精度和稳定性与其电路中的无源元件的精度和稳定性具有对应的关系。本硬件选择好的电容和电阻关系到该电路的整体性能表现。

电容的类别也是多种多样。该滤波器电路中使用的电容主要是要求其频率特性较好， 温度系数小， 长期稳定性好。聚苯乙烯电容的损耗较低、体积小， 容量相对时间、温度、电压都很稳定。

电阻有绕线电阻、金属箔电阻、金属膜电阻、金属氧化膜电阻、碳膜电阻、碳实芯电阻、厚膜电阻、薄膜电阻、金属釉质电阻等。常用的是碳膜、金属膜以及碳质线绕电阻。本电路选用金属膜电阻， 该电阻是在真空中加热合金， 并使合金蒸发， 从而使瓷棒表面形成一层导电金属膜。

刻槽和改变金属膜厚度可以控制电阻值。该电阻体积小、噪声低、稳定性好， 当然成本也较高。

3 PWM控制电路

由于现在没有专门为有源电力滤波器而设计的脉冲发生集成电路， 所以， 现在的研究与设计主要是利用一些现有的脉冲发生模块来产生脉冲波， 从而实现有源电力滤波器的控制。

美国通用公司的SG3525 PWM脉冲控制电路目前已经在很多领域得到了很好的应用。本文将它试用在有源电力滤波器中， 并将其作为模拟集成电路中比较有代表性的一种。SG3525是美国通用公司的产品， 是专为开关电源设计的脉冲发生电路， 它的输入电压范围是1～3.5 V， 而本文中的输入信号是交流信号， 故须经过变换。可先经过精确绝对值电路将输入信号变成正信号， 再通过电平移动电路使输入信号在1～3.5 V之间。图3所示是采用SG3525实现的PWM电路框图。其中绝对值电路所采用的精密全波整流电路如图4所示。

图4中， R取20 kΩ， 为1％精密电阻； 二极管选用超快速恢复二极管， 其反向恢复时间为50 ns。图5所示是本滤波器的逻辑控制电路实现框图。

图3 PWM信号的实现电路框图。

图4 精密全波整流电路图。

图5 逻辑控制电路实现框图。

4 模拟有源电力滤波器的噪声和干扰抑制

模拟电子电路有其自身的特点， 由于本有源电力滤波器使用的是全模拟电路， 故在模拟信号的放大、运算以及传输过程中不可避免地会引入外界和内部的一些无规则信号及干扰。如果无规则信号及外部干扰很强， 若其大小可与正常工作信号相比较， 那么势必给模拟有源电力滤波器的谐波抑制性能造成破坏。所以， 在模拟电路的设计阶段就应进行抗干扰和滤除噪声的设计。

噪声及干扰的消除和抑制一般有屏蔽、接地和滤波等几种措施。但也应该根据其产生的性质分别加以处理。

对于元器件本身所产生的噪声， 只能在器件选型中加以注意。应尽量选用低噪声、高精度的集成芯片。现代的模拟电子已经发展的很成熟，各种模拟元件都能达到令人满意的性能。对于电阻的热噪声， 设计中应尽量做到不将噪声在最后结果中放大， 故应在放大电路中选用较小阻值的电阻。热噪声会随带宽的增加而增加， 并由于有源电力滤波器所针对的电力系统本身的电压、电流频率不高， 因此， 模拟电路可采用较低频率带宽的运算放大器来降低热噪声的影响。

对于接地噪声， 可减小公共地线部分的阻抗， 这样， 公共地线上的电压也会随之减小， 从而控制公共阻抗耦合。具体做法是地线联结采用较粗的导线并尽量减短。减小地线阻抗的核心问题是减小地线的电感。可在电路中采用多条相距较远的并联导体作为接地线。

对于辐射噪声， 则应该采用屏蔽方式予以抑制和消除。屏蔽的方式有静电屏蔽、磁性屏蔽及电磁屏蔽等方式。屏蔽的结构可以将干扰源或受干扰元件用屏蔽罩屏蔽起来。具体采用何种方式， 取决于屏蔽的噪声对象。

本设计采用并联电容对电路的直流电源进行稳压和滤波， 电容的特性是对直流开路， 对高频呈现低阻抗特性。所以， 采用加设旁路电容可对高频噪声旁路。本电路中采用电解电容和瓷石两种电容并联方式进行联接。这是因为电解电容的电容值可以做得比较大， 采用电解电容主要还可起到稳压作用。但是， 电解电容的高频特性差强人意， 所以要对高频噪声旁路， 故应再并联一个瓷片电容。

通过以上措施， 模拟电路的噪声抑制情况会有较好的改善， 其可检测到的噪声信号在mV级。

5 模拟有源滤波器的主电路及接入方式

目前应用的有源滤波器多种多样， 但总的来说， 其主电路都是基于脉冲调制(PWM) 变流器的， 由于变流器有电压型变流器(VSC) 和电流型变流器(CSR) 两种。两种变流器都可以应用于各种有源电力滤波器中。电压型PWM整流器最显着的拓扑特征就是直流侧采用电容进行直流储能， 从而使VSR直流侧呈低阻抗的电压源特征；电流型PWM整流器的拓扑结构的最显着特征就是直流侧采用电感进行直流储能， 从而使CSR直流侧呈高阻抗的电流源特性。

电流源型结构更容易跟踪补偿负荷的谐波电流。但电流源型式的主电路损耗较大， 在交流侧需要加装更大的滤波电容来滤除不需要的谐波电流， 且电流源型结构不利于多重化。因而限制了有源电力滤波器的容量。而电压源型有源电力滤波器具有结构简单、质量轻、损耗小、价格便宜， 可降低开关器件的开关频率等优点， 因而一直在有源电力滤波器中得到广泛应用。基于此，本文采用电压型变流器作为基于全模拟器件的有源滤波器的逆变器。

构成变流器的核心是开关器件有MOSFET管、绝缘门极双极型晶体管(IGBT)、门极可关断晶闸管(GTO)、集成门极晶闸管IGCT等几种可供选择。选择器件的首要条件是根据有源电力滤波器所需滤除谐波频率来确定器件的开关频率， 然后根据有源电力滤波器的容量与电压、电流等级来选择合适的器件。对于高频小容量的有源电力滤波器， 一般可选用MOSFET器件， 因其开关频率很高， 因而适用于滤除高频率的谐波。而对于大容量低频率的场合， 则应选择GTO/IGCT器件。

但在有源滤波器中应用最广泛的还是IGBT， 这是因为IGBT驱动简单， 其开关频率和容量适中。

5.1 并联型有源电力滤波器

电力系统的谐波有两类， 即电流源型谐波源与电压源型谐波源。因为理想电流源的内阻是无穷大， 因此， 采用串联补偿的方式不能滤除谐波。而对于电流源型谐波源， 只能采用并联滤波进行分流才能对注入到电力系统中的谐波进行抑制。滤波效果与成本会因为谐波源的性质是偏于电流源还是偏于电压源而有所不同。如果谐波是由用户自己产生， 则基本属于电流源型， 故应采取并联滤波。

为消除各节点电压的谐波， 应该采用就近并联谐波补偿等措施， 补偿谐波电流与非线性负荷注入谐波电流大小相等， 方向相反， 从而使各个节点注入的谐波电流为零， 以最终消除各个节点电压的谐波。并联型有源电力滤波器的等效电路如图6所示。

图6 有源电力滤波器等效电路。

并联型有源滤波器的主要功能是使补偿电流ic (t) 能快速跟踪负荷电流中的谐波电流， 从而使流入配电系统的谐波电流很小， 避免对系统的污染。为了提高跟踪能力， 同时提高dic (t) /dt，一般要么减小有源滤波器的等效电感L， 要么提高逆变器的输出电压uc (t)。但应注意， 有源电力滤波器的等效电感不能无限制地减小。当L过小时， 有源电力滤波器输出电流中基于开关频率的特征谐波就会很大。所以， 提高逆变器输出电压uc (t) 就成为提高有源电力滤波器的有效手段。

5.2 串联型有源电力滤波器

虽然并联就地补偿可以完全消除非线形负荷造成的谐波问题， 但许多情况下， 由于电力系统负荷组成很复杂， 难以准确地找到非线性负荷所在的位置， 或者更有非线性负荷分布在许多节点上， 因此很难利用就地并联补偿来彻底补偿电压的谐波。为了更有效地消除谐波电压的影响， 为用户提供无污染的电压， 串联型有源滤波器正在逐步受到电力用户的欢迎。

图7所示是其串联型电路的工作原理图。由图中可以看到， 如果在负荷邻近节点处， 除受谐波电压源影响， 还要受到谐波电流源的影响， 则会使该节点处电压带有谐波分量ui， 而接入串联型有源滤波器， 则该装置刚好产生的电压为-ui。

这样， 负荷节点处的电压为ul=u+ui-ui=u， 可见会得到未含谐波分量的基波电压u。因此， 串联型有源滤波器可以快速补偿系统节点上电压的异常， 而且其容量可以由用户根据自身容量来灵活确定， 因而比较适合对电能质量要求较高的用户使用。

图7 串联型电路工作原理图。

串联型有源滤波器可以快速补偿系统节点上电压的异常， 其容量可以由用户根据自身容量灵活决定， 比较适合对电能质量要求较高的用户使用。采用检测负载谐波电压控制方式， 串联型有源电力滤波器投入工作时， 首先应检测负载谐波电压， 然后产生一个与负载谐波电压大小相等，方向相反的谐波电压进行补偿。补偿后， 电源电流会发生变化， 从而使得整流桥桥臂的导通角增加， 进而使其交流侧电压波形也随之发生变化，最终导致负载谐波电压增加。同时， 有源电力滤波器所产生的补偿电压所跟踪的负载谐波电压的变化也随之增大。这种状态将一直持续到最后负载谐波电压保持不变， 有源电力滤波器进入补偿的稳定状态。只要串联型有源电力滤波器能实时产生与负载谐波电压大小相等、方向相反的补偿电压， 就能取得理想的补偿效果， 从而使电源电流接近正弦波。

6 结束语

使用全模拟器件来实现有源电力滤波器， 可提高有源电力滤波器的动态响应速度。而使用发展成熟、价格低廉的模拟器件则可降低有源电力滤波器的成本， 从而促进有源电力滤波器的广泛应用。另外， 使用模拟器件也可以更容易的集成为芯片， 使用起来更加方便、灵活， 同时也对电磁环境的抗干扰性更强。有源电力滤波器在电力系统谐波治理中发挥着重要作用， 未来也有着广阔的发展空间。由此可见， 基于全模拟器件的有源滤波器借助发展成熟、价格低廉的模拟电子技术， 其工业应用前景十分广阔。

事实上， 模拟电子有着自身的特点， 模拟器件通常会受漂移、长期稳定性及热效应等因素影响。要使基于全模拟器件的有源电力滤波器得到更广泛的应用， 必然要在设计中考虑这些因素并最大限度地消除这些因素的影响， 并选用应用性能更为优良， 更抗噪声的低漂移高精度模拟电子元器件， 只有这样， 基于全模拟器件的有源电力滤波器就一定能不断发展完善， 最终达到工业应用的标准。