探究有源電力濾波器的控制電源設計

劉 勇

（蘇州工業職業技術學院,215104）

0 引言

控制器用電源和功率器件驅動電源是有源電力濾波器的主要部分，其中控制器用電源主要用于控制器、傳感器和包括觸摸屏在內的人機界面供電；功率用器件驅動電源顧名思義用于功率器的驅動供電。傳統的有源電力濾波器以對負載電流和電源電壓進行采樣檢測補償的諧波分量，并獲取電流基準為其主要的控制策略。但實際工作環境中有源電力濾波器系統對于供電的穩定性和可靠性要求非常苛刻，其中APF掛網運行必須滿足電力系統，如控制電路和驅動電路要先上電等，的要求。而傳統的控制策略因其計算量大、控制器復雜以及實時性差等原因已經不能滿足有源電力濾波器的實際工作需求。如何有效的保障在電力系統故障出現時，電源系統能夠有效的將APF從電力系統故障中切除，并具有自動啟動有源電力濾波器的功能，成為本文探討的一種重要方向。因此，有源電力濾波器的控制電源設計必須做到科學性和有效性。

1 電源設計

整個有源電力濾波器的電源方案包括驅動電源、控制電源以及驅動和控制電源的一次供電電路三部分。其中驅動板是驅動電源和驅動電路設計在一起的結合物，也是整個電源系統組成中的重要部分之一。控制電源有普通的開關電源組成，用于對控制器、傳感器和包括觸摸屏在內的人機界面供電控制和服務。一般而言，交流電網和有源電力濾波器功率直流母線雙電源供電方式是初級電源所采取的方案。由于開關調制頻率疋遠大于電網頻率和負載電流頻率.因此可以假設在一個開關周期內負載電流不變，所以電源電流上升和下降的斜率近似等于APF交流側電感電流的上升與下降斜率，顧此方案能夠滿足有源電力濾波器對控制電源穩定性的要求。

1.1 驅動電源設計

在驅動電源整體組成中，M57962L是功率器件IGBT驅動電路的重要核心芯片。為滿足供電特點的需求以及IGBT驅動電路的特殊性，驅動電源需要為3橋臂的IGBT提供6路獨立的26—30 V直流電。在系統運行過程中，穩壓管分壓起到在各路電源產生IGBT開通和關斷需要的正、負電壓，以確保驅動電源的有效運行。

驅動電源采用單端反激式DC∕DC變換電路。在整個電路中，電壓輸入和電壓輸出在電路、功能等方面相互切合，形成互相配合的整體。部分電壓輸出線路用于穩壓管的分壓，并相應產生正、負電壓。個別電路輸出用于穩壓控制作用。為有效實現對輸出電壓以及初級電流的控制，一般采用脈寬調職芯片UC3844用于控制系統的芯片。輸出電壓通過電路反饋脈寬調制芯片的誤差放大器以此實現穩壓控制的目的。初級電流通過電阻采樣，采樣值輸入到脈寬調制芯片UC3844的相應位置，實現電路峰值電流控制。此外，在驅動電源設計過程中，還采用由電阻、電容和三極管組成緩沖電路，能夠有效的實現當開關狀態轉換過程中產生的尖峰電壓進行筘位和吸收。

1.2 控制電源設計

在有源電力濾波器工作過程中，控制器需要的±15 V，±5 V電源、傳感器需要的±15 V電源及觸摸屏和接觸器需要的24V電源全部是由控制電源提供。在控制電源使用過程中，必須保障控制電路先上電，以此完成對相關參數的設置和對開關器件的封鎖，以滿足有源電力濾波器對在電力系統出現故障時及時從電力系統中切除隔開，以及在排除電力故障后能夠自動啟動復用的要求。開關電源產生控制器和觸摸屏等各個部件所需要的各種電源都能夠從220V的交流電通過普通開關電源分流，由此在采用普通開關電源給控制電路供電時能夠滿足有源電力濾波器對電力系統穩定性的苛刻要求，同時節約了成本。

普通電源開關具有操作簡便、制作和使用成本低，安全性和可靠性高等特點，而被用于控制電路供電，但當僅采用電網作為初級供電時，在遇到電網掉電或者電網電壓瞬時值過低的情況西安，電路還需進一步改進，以滿足特殊問題出現時的應急措施需求。

1.3 基于雙電源的初級供電設計

上文提到當僅有電網供電時，出現電網掉電或者電網電壓瞬時值過低的情況時，電路可能出現突發的問題。當電網突然掉電時，開關電源失去對電能的有效控制盒輸入，輸出電壓瞬間降為零，最直接的后果是控制器因斷電而無法繼續對驅動電路進行控制。更糟糕的事情是此時的APF直流母線電壓仍舊處于高壓狀態，上下橋壁會在驅動信號干擾功率器件后而出現同時導通，由此造成功率器的損壞。

而基于雙電源的初級供電設計是指基于交流電網和APF功率直流母線雙電源供電方案的一種方法，實踐證明該雙電源設計方法能夠有效的克服上述突發情況。其基本的設計思路為交流電網和APF功率直流母線分工合作負責不同情況下的電路供電，電網主要負責在APF正常工作時控制電路供電，而出現供電異常后。截止功率器件的驅動信號。并將APF直流母線的電能通過DC∕DC電路回饋給控制電路和驅動電路。需要注意的是DC∕DC轉換電路因其輸出為直流電而不能與220V交流電直接并聯，為此，通過設計二極管進行220V交流電整流，然后與DC∕DC轉換電路因其輸出為直流并聯。

通常情況下，經過二極管整流并聯后的輸出電流在電容器上能夠得到310V的直流電。在電路設計過程中，只要保障DC∕DC轉換電路輸出電壓的正極能夠通過二極管與電容的正極相對應，二者的負極直接相連，在DC∕DC轉換電路輸出電壓小于電容的電壓時，就可保障APF正常工作時，DC∕DC轉換電路而停止工作。此外，由于電容器的存在，保證了在電網出現突然供電異常時，開關電源和驅動電源輸入電壓不會馬上低于DC∕DC轉換電路輸出電壓而造成，DC∕DC轉換電路無法正常的發揮功能。在DC∕DC轉換電路會在電容電壓低于DC∕DC轉換電路輸出電壓的情況下開始工作，控制電路和驅動電路會接受來自直流母線的電能，當電壓恢復至安全值后，DC∕DC轉換電路停止工作。

單端反激式變換電路是對DC∕DC轉換電路在有源電力濾波器工作時的一種補充。DC∕DC轉換電路的功能具有局限性，只能夠在電網出現供電異常的情況下，為控制電路和驅動電路供電供電，導致其在實際工作中輸出容量不足，效率低下的問題出現。與驅動電源相比，單端反激式變換電路的輸入電壓范圍更廣，對于工業電壓等級的APF，直流母線電壓在正常工作時約為750V。而電網斷電后，直流母線電能回饋到控制、驅動電路，電壓逐漸降至安全值，但DC∕DC轉換器是否能在此過程中輸出較穩定的約200 V直流電壓成為未知數。對此需保證DC／DC變換器在斷續電流模式(和連續電流模式(CCM)兩種模式下都能安全工作。

對于工業電壓等級的APF而言，對于DC／DC轉換電路的開關器件的選擇非常的苛刻，而在單端反激式電路中則能夠輕易滿足其要求。才外為滿足DCM和CCM兩種工作模式的需要，在單端反激式電路設計中變壓器采用EC3521型磁芯、變比120:55:4，在整體電路中，個別輸出電路用于電壓反饋控制，此外，利用UC3844脈寬調制芯片的控制芯片實現對穩壓控制和峰值電流控制的穩定輸出。在設計中保障直流母線電壓低于控制電壓（約為180V），以此保證在驅動信號不確定或者缺失時而不至于損壞開關器件。

2 實驗分析

選用磁芯EI33，頻率40kHz.變比97:12:12:12:12:12:12:7，初級電感量4.2mH∕1kHz；APF功率單元為750V，輸出電流60A的七路輸出的多路變壓器用于測試該設計的有效運行性能。實驗過程中，在正常工作中APF的功率單元為750V，在正常運行過程中將電網電壓突然跌至為0，其中DC∕DC轉換電路的輸出設定值為180V，DC∕DC轉換電壓在電網突然停電的情況下，開始工作，直流側電能回饋到控制電路和驅動電路，經過一段時間后，直流側電壓降至安全值，DC∕DC轉換電路停止工作。經現場進行調試驗證，采用交流電網和APF功率直流母線雙電源供電方式，未出現因電網電壓故障而導致器件損壞情況的發生，此外在電網故障排除以后，有源電力濾波器(APF)能夠有效的運行。實驗結果表明：該電源方案，即該電源初級輸入采用交流電網和APF功率直流母線雙電源供電方式，其中驅動電源和直流母線反饋電源均采用單端反激式DC／DC變換電路。具有實現簡單、工作可靠、成本低的特點。

4 結論

有源電力濾波器(Active Power Filter，簡稱APF)的控制電源包括控制器用電源和功率器件驅動電源兩部分，對控制電源的要求非常的高，不僅需要其能夠提供穩定安全的電壓以供系統正常的運行，此外對于零器件的選擇和使用上也要求求經濟性和安全性，依據APF供電電源的要求，為IGBT驅動電源設計了一種基于單端反激拓撲的多路輸出DC∕DC電源，為控制器選用了通用開關電源。該系統電源初級輸入采用交流電網和APF功率直流母線雙電源供電方式，其中驅動電源和直流母線反饋電源均采用單端反激式DC／DC變換電路。由本文的研究結論我們不難發現，采用用交流電網和APF功率直流母線雙電源供電方式的電源初級輸入，別且驅動電源和直流母線反饋電源均采用單端反激式DC／DC變換電路的有源電力濾波器對控制電源具有非常明顯的優勢，適合在電網，尤其是工業用電網中的推廣應用，具有非常巨大的推廣意義。

[1]劉進軍，劉波，王兆安.基于瞬時無功功率理論的串聯混合型單相電力有源濾 波器[J].中國電機工程學報1997（12）：37-41.

[2]呂利明，肖建平，鐘智勇，等.高頻開關電源單端反激變壓器的原理與設計方法叨.磁性材料及器件，2006，37：36-38.

[3]劉建寶，趙錄懷，鄒曉松.基于雙極型模式的新型定頻積分有源濾波器[J].電力電子技術，2004，38(2)：32—33.

[4]錢挺，呂征宇，胡進，等.基于單周控制的有源濾波器雙環控制策略[J].中國電機工程學報，2003，23(3)：34—37.

[5]錢挺。呂征字.新型有源濾波器的雙向互補控制方案[J].中國電機工程學報，2003，23(9)：44—47.