電力電子濾波器的硬件設(shè)計與控制方法研究

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，與之相對性的是各項資源能源的需求呈幾何倍數(shù)增加，這些都對現(xiàn)如今的經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成一定的影響，成為一項亟待解決的問題。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，對電力電子濾波器的硬件設(shè)計與控制方法進(jìn)行了深入的探究，旨在有效減少諧波對電網(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，切實解決更多的安全隱患，為電力系統(tǒng)的安全運行提供保障。

關(guān)鍵詞：電力電子濾波器;硬件設(shè)計;電路設(shè)計

中圖分類號：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。基于這種電力系統(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際問題。對我國來說，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，接下來我們就重點對并聯(lián)電壓型電力電子濾波器的硬件設(shè)計進(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，包括諧波電流檢測方法、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)行諧波檢測時做到檢測結(jié)果科學(xué)、計算方法簡便、檢測時效性強(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)用的重點和難點之一，實際進(jìn)行這一控制技術(shù)時，通常采用比例積分調(diào)節(jié)器對主電路內(nèi)部的直流電壓進(jìn)行控制，穩(wěn)定直流測電容的電壓。

2.2 電力電子濾波器的方案比較

本文主要對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)行檢測方案設(shè)計和比較。通過對帶諧波電流并聯(lián)電壓型電力電子濾波器的原理進(jìn)行分析和計算，我們可以得出帶諧波電流檢測的并聯(lián)電力電子濾波器能夠有效抑制諧波分量，并對無功電流電量進(jìn)行補(bǔ)償。通過對無諧波電流并聯(lián)電壓型電力電子濾波器的原理進(jìn)行分析和計算，我們可以得出無諧波電流檢測的并聯(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，所以我們接著對兩種檢測方案的控制方法進(jìn)行探究，帶諧波電流檢測方案的控制方法在基波有功檢測為理想單元時可以很好地達(dá)到抑制諧波及補(bǔ)償無功電流電量的效果，但是在檢測信號不理想時會使對無功電流電量的補(bǔ)償效果大打折扣。至于無諧波電流檢測方案的控制方法，可以充分避免帶諧波電流檢測方案中的弊端，并達(dá)到一樣的控制效果。所以，以上就是對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)測方案比較，通過多種元件、系統(tǒng)、器型上的運作優(yōu)勢比較，可以得到的結(jié)論是無諧波電流檢測的并聯(lián)電壓型濾波器更為適合，實用。

3 并聯(lián)電壓型電力電子濾波器參數(shù)設(shè)計

（1）開關(guān)器件選擇驅(qū)動功率小、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

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際優(yōu)勢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 信號檢測模塊電壓控制

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，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)。此時想要直流側(cè)電容的電壓可以以一個較為穩(wěn)定的數(shù)值進(jìn)行運作，就需要對直流側(cè)電容兩端的電壓進(jìn)行測量，因為想要直流電壓得到閉環(huán)性控制，就得對電壓的數(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，在整個系統(tǒng)中的屬于影響力較強(qiáng)的一個組成部分。控制模塊的職責(zé)是對A/D采樣、鎖相等控制部分進(jìn)行信號上的發(fā)出，讓信號的發(fā)射與接收可以得到良好的動作控制。本次系統(tǒng)選用的是TMS320F2812芯片，這個控制芯片的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在控制與信號處理方面的強(qiáng)大控制性上，因為這個芯片在定位運算上的規(guī)格是32位定點，可以對控制算法上復(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，實際運行的速度也較高，可以對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)處理，給接口的模塊化設(shè)計提供了良好的實現(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)備的實用性。

4.3 主電路與驅(qū)動模塊上的型號選擇

電路采用的是IGBT驅(qū)動電路，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)動器一旦出現(xiàn)什么問題就會給整個裝置的性能發(fā)揮帶來較強(qiáng)的影響。為了讓電力電子的驅(qū)動元件可以維持正常的工作狀態(tài)，驅(qū)動電路上的放大控制系統(tǒng)會對輸出的PWM控制信號進(jìn)行精確性的指令控制，防止電氣系統(tǒng)運作中因為沒有得到良好的隔離，進(jìn)而發(fā)生問題。控制系統(tǒng)上的PWM控制信號可以將問題信號反饋給DSP控制電路，指揮電路做出相應(yīng)的驅(qū)動改變。本設(shè)計在實驗中選擇的是2.0A集成檢測與故障反饋芯片。在應(yīng)用優(yōu)勢上的表現(xiàn)是可驅(qū)動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，本文主要對電力電子濾波器的硬件設(shè)計進(jìn)行了分析和探究，指出對當(dāng)前諧波對電網(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)的安全與高效運行。總體而言，本文對電力電子濾波器的硬件設(shè)計和應(yīng)用控制持肯定和樂觀的態(tài)度，盡管在實際應(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。

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