基于IPM的有源电力滤波器设计

第４５卷第１１期　２０１１年１１月　电力电子技术　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４５，Ｎｏ．１１　Ｎｏｖｅｍｂｅｒ　２０１　１　基于ＩＰＭ的有源电力滤波器设计　王德涛　，王小岭　（１．山东山大华天科技股份有限公司，山东济南２５００６１；２．三菱电机机电（上海）有限公司，上海２００３３６）　摘要：描述了基于第５代Ｌ１系列智能功率模块（ＩＰＭ）的开关交错有源滤波器（ＡＰＦ）设计。整机采用２片ＩＰＭ　通过开关交错，提高了整机功率，降低了开关损耗及输出开关纹波，提高了直流母线的利用率。给出了整机拓　扑结构、控制算法及系统仿真。最后给出了试验数据和实验结果。　关键词：智能功率模块：有源滤波器；谐波补偿　中图分类号：ＴＮ７１３￣．８　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００－１００Ｘ（２０１１）１１－００９４—０２　Ａｃｔｉｖｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｆｉｌｔｅｒ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｂａｓｅｄ　ＯｉｌⅡ’Ｍ　ＷＡＮＧ　Ｄｅ—ｔａｏ　．ＷＡＮＧ　Ｘｉａｏ—ｌｉｎｇ￣　（１．Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｈｏｔｅａｍ，Ｊｉｎａｎ　２５００６１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａｌｌ　ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ　ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｉｆｌｔｅｒ（ＡＰＦ）ｂａｓｅｄ　ｏｎ　５ｔｈ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　Ｌ１　ｓｅｒｉｅｓ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｐｏｗｅｒ　ｍｏｄｕｌｅ（ＩＰＭ）．Ｂｙ　ａｄｏｐｔｉｎｇ　ｔｗｏ　ｐｉｅｃｅｓ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ＩＰＭｓ，ｔｈｅ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ＡＰＦ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｈｉｇｈ　ｒａｔｅｄ　ｐｏｗｅｒ，ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ　ｌｏｓｓ，ｈｉｇｈ　ｂｕｓ—ｂａｒ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ　ｒａｔｅ．ＩＰＭ　ｆｅａｔｕｒｅｓ，ｃｉｒｃｕｉｔ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ＡＰＦ，ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ａｎｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｌａｓｔｌｙ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｄａｔａ，ｔｅｓｔｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔ，ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ＡＰＦ　ｏｕｔｌｉｎｅ　ａｌｅ　ｇｉｖｅｎ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｐｏｗｅｒ　ｍｏｄｕｌｅ；ａｃｔｉｖｅ　ｐｏｗｅｒ　ｆｉｌｔｅｒ；ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　１　引　言　：　随着变频器、不间断电源、电焊机等各种电力　电子设备的广泛应用，这些设备会向电网注入谐　波电流，形成谐波污染，导致供电、用电设施运行　状况恶化，功率因数降低．损耗增加。采用ＡＰＦ进　ｖ　旃ｖ　ｌ　Ｉ　ｌ　行谐波治理，可达到良好的治理效果。考虑到整个　配电网的稳定运行，在低压侧的谐波治理及无功　补偿中，通常采用并联接入方式，系统基本性能指　标如下：输入电压为（３８０＋１５％）Ｖ，额定补偿电流　为１００　Ａ。接线方式为三相三线或者三相四线，电　源输入频率为（５０＋５％）Ｈｚ／（６０￣５％）Ｈｚ，滤波次　数为２～５Ｏ次，总谐波补偿率不低于９０％，滤波效　果：ＴＨＤｉ≤３％，损耗不超过４％，动态响应时间不　高于３０　ｍｓ　图１逆变器拓扑结构图　该设计有效解决了ＡＰＦ对逆变器要求的多个　互相矛盾的问题。使逆变器在响应速度、损耗、输　出纹波等方面达到统一。同时由于输出电抗器容量　减小，直流母线电压降低，降低了整个系统的成本。　２．２　ＰＷＭ交错调制方法　ＰＷＭ调制方法的关键是实现开关交错，降低　开关输出纹波．图２为ＰＷＭ交错调制原理图及　其波形对照图，图中不含死区调整。　２逆变器设计　２．１逆变器的拓扑结构选择　逆变器是ＡＰＦ的核心功率部件。ＡＰＦ用并网　逆变器主要有：三相三线（四线）全桥、三相四线四　桥臂、多电平、逆变器级联等结构。该设计采用二　重化交错技术，如图１所示。　定稿日期：２０１ｌ一０９一Ｏ９　图２　ＰＷＭ交错调制原理及其波形对照图　作者简介：王德涛（１９７０一），男，山东潍坊人，工程师，研究　方向为电能质量。　９４　ｉ　是ａ相脉宽指令信号，　为三角波，　与　反相。产生的Ｐ　Ｍ１，ＰＷＭ２，朋　１　，ＰＷＭ２　分别驱　动ａ相开关管ＶＴＪ，ＶＴ２，ＶＴ　，ＶＴ２　。　基于ＩＰＭ的有源电力滤波器设计　图３为ＰＷＭ交错调制的仿真结果。可见，通　过２套逆变器的交错开关纹波对消，输出纹波电　流大幅降低。从调制方式可见，在要求较低的电流　上升率时，由于２套逆变器开关交错。大大降低了　纹波电流：在要求较高的电流上升率时，２套逆变　器可同时爬升．极端情况是２套逆变器均全部开　通，大大提高了直流母线的利用率。　萼　墨　ｔ／（２．５　ｍｓ／格）　图３　ＰＷＭ交错调制的仿真结果　２．３直流母线工作电压确定　作为并网逆变器。直流母线的工作电压越高，　逆变器的响应速度越快、跟踪能力越强，但ＩＧＢＴ　的额定电压越高．逆变器的损耗也越高。为达到补　偿效果．同时考虑成本和ＩＧＢＴ及电解电容的耐压　要求。直流母线工作电压定为８００　Ｖ。　２．４功率器件的选择　由ＰＭ１５０ＣＬ１Ａ１２０ＩＰＭ模块的极限工作电压　可知，耐压为１．２　ｋＶ的ＩＰＭ，其端子Ｐ．Ｎ间的电　压（包含浪涌电压）最大为１　ｋＶ。开关引起的浪涌　电压通常小于１００　Ｖ．因此直流母线的极限电压　为９００　Ｖ．即直流母线电压达到９００　Ｖ必须进行过　压保护．否则不能保证ＩＰＭ安全工作。通过对式　样书分析，该设计最后选择ＰＭ１５０ＣＬ１Ａ１２０ＩＰＭ为　功率器件，直流母线工作电压为８００　Ｖ，逆变器选　用２片ＰＭ１５０ＣＬ１Ａｌ２０ＩＰＭ并联使用。该器件采用　全栅型ＣＳＴＢｒＩ￣硅片实现低损耗，与上一代Ｌ系　列产品相比．在１０　ｋＨｚ开关频率下．通常可降低　１５％左右的损耗：ＩＧＢＴ硅片正中央处集成温度传　感器，过温保护更精确；新的接线技术使功率循环　能力更高。　通过仿真软件Ｍｅｌｃｏｓｉｍ＿ｖｅｒ＿０９～１０９１仿真的　发热情况如表１所示，其中开关频率为１０　ｋＨｚ，输　出电流为５０　Ａ。由表可见，Ｌｌ系列ＰＭ１５０ＣＬ１Ａ１２０　模块损耗较低．仅占逆变器总容量的２．１５％。　表１　ＩＰＭ损耗分析表　ＩＧＢＴ　１０７Ｗ　ＰＭ１５０ＣＬＡ１２０　８４４　Ｗ　３３　０００　２．５６％　Ｄｉｏｄｅ　３４Ｗ　３　控制算法　３．１　ＡＰＦ的基本原理　图４为ＡＰＦ基本原理。ＡＰＦ检测负载电流ｉ　并对其中的谐波进行实时分离，产生指令电流信　号ｉ。。调节器通过对ｉ。与反馈信号ｉ。作相应调节，　产生脉宽调制器所需的给定信号ｉ　脉宽调制器　根据ｉ　产生逆变器需要的ＰＷＭ驱动信号，驱动　逆变器产生所需的补偿电流ｉ　。如图所示，电网电　流　＝　ＩＪ＋　，因此只要ＡＰＦ的　。等于ｉ　所含谐波电　流且方向相反，ｉ　中即不再含有谐波电流。　电网　负载　一　¨　ｔ’　丫一　…一２－－－ｔ……一看菰　菠　……匕…一：　一　一　图４　ＡＰＦ基本原理图　３．２谐波分离技术　成熟的谐波分离算法有瞬时无功理论和快速　傅里叶分析。多数应用需将各次谐波分离开来，在　该设计中选用快速傅里叶分析进行谐波分离。　３．３指令电流跟踪调节器　结合本设计的硬软件特点，提出了直接脉宽　控制算法，在实际应用中达到了良好的跟踪能力。　直接脉宽控制算法本质上是一种前馈＋反馈　的控制方法，由于当前输出电流ｉ。、指令电流（即　目标电流）ｉ。、直流母线电压　、输出电抗器值Ｚ。、　电网电压　的瞬时值均为已知参量或可测量，据　此可计算逆变器的脉冲宽度，属于前馈控制，具有　极高的系统稳定性。　４样机及测试结果　根据上述原理．设计了一台４００　Ｖ／１００　Ａ的样　机，实际容量为６９　ｋｖａｒ。　４．１开关交错结果　图５为输出电流波形图。由图可见，输出电流　的纹波有大幅降低。需要说明的是当电流的上升　率与下降率相同时。２个逆变器的纹波电流几乎　全部抵消。实际上，经常出现图５ｂ的情况，此时输　出电流的纹波比图５ａ大一些。　冀匝ｄ（２００　ｐｓ／格）雾　ｔ／（２０　ｕｓ／格）　（ａ）输出电流波形Ｉ　（ｂ）输出电流波形２　图５输出电流波形　（下转第１０７页）　９５　永磁同步电机矢量控制系统设计　采样，然后通过检测三相电流，经过Ｃｌａｒｋｅ，Ｐａｒｋ　变换得到　，ｉ。作为电流环的负反馈量。同时利用　光电编码器检测电机动子的位置和转速作为速度　环和位置环的负反馈，通过与参考速度ｎ耐比较　后，经过ＰＩ调节作为ｑ轴上转矩的电流控制参考　分量ｉ。　；再将转速反馈输入到函数发生器中，根据　速度．励磁曲线给出电压控制矢量Ｕ　，Ｕ。，通过　Ｐａｒｋ逆变换得到在Ｏｔ，　坐标系下的定子电压分　１　０００　＿ｃ　８００　’ｉ　６００　４００　２００　Ｏ　ｔ／ｓ　量。最后利用ＳＶＰＷＭ控制ＩＰＭ产生三相交流电，　实现矢量控制。　中断开始　ａ．ｂ相电流采样　ｔ／ｓ　（ｃ）稳定后转速　（ｄ）稳定后转速放夫曲线　图３实验波形　５　结　论　二二］［二　位置速度计算　＝二＝ｌ］［＝速度Ｐｌ调节ｌ　　匝巫囱葫　中断结束　　以目前最新型电机控制芯片ＴＭＳ３０２Ｆ２８３３５　为核心设计了针对永磁同步电机的控制系统．提　高了控制精度和系统稳定性。　位置和速度调节　（ａ）丰程序　（ｂ）中断程序　对永磁同步电机的伺服系统进行了全数字化　设计．应用了ＳＶＰＷＭ和闭环控制算法．实现方法　简单可行，具有一定的参考价值。　图２控制系统软件流程图　４实验结果　实验用ＰＭＳＭ参数：额定功率为５００　Ｗ，允许　供电范围为３８～３８０　Ｖ，ｒｉｐ＝２。允许转速范围为３００～　３　０００　ｒ・ｍｉｎ～。在设定参考速度为１　０００　ｒ・ｍｉｎ　的　情况下对控制系统进行实验，图３示出转速和相　电流的实验波形。由图３ａ，ｂ可见，电机转速上升　时间约为１００　ｍｓ，超调量小，稳定时间短，其相电　流稳定；由图３ｃ，ｄ可见，电机运行时，转速稳定，　参考文献　［１】陈伯时．电力拖动自动控制系统（第３版）［Ｍ］．北京：　机械工业出版社．２００５．　【２】韩安太，刘峙飞，黄海．ＤＳＰ控制器原理及其在运动　控制系统中的应用［Ｍ】．北京：清华大学出版社，２００３．　【３］　李华德．交流调速系统［Ｍ］．北京：电子工业出版社，　２ｏｏ３．　精度比较高。由此可见，基于ＴＭＳ３０２Ｆ２８３３５的控　制系统具有良好的稳定精度。　（上接第９５页）　【４］　唐任远．现代永磁电机理论与设计【Ｍ］．北京：机械工　业版社．１９９７．　果，滤波后电网电流的ＴＨＤ均低于２％。通过开关　交错技术可减小输出电抗器，提高ＡＰＦ的电流跟　踪能力：同时精确的谐波分离算法、优化的指令电　流跟踪控制器均有效地保证了最终的滤波效果。　４．２谐波补偿效果　为了试验滤波效果．分别采用三线制整流器　与四线制整流器对样机进行测试。　当滤波器为四线制连接．负载为三相四线整流　器时。滤波器补偿效果如图６ａ所示；当滤波器为　三线制连接．负载为三相三线整流器时，滤波效果　如图６ｂ所示。　『Ｉ　ＩｊＩ　｝ｓ　５　结　论　该ＡＰＦ通过采用２片ＩＰＭ构成开关交错输　出的逆变器，提高了整机的跟踪速度、大大降低了　输出纹波。该设计由于降低了电容器电压与电容　器的纹波电流，减小了输出电抗器的容量，降低了　开关损耗，因此与普通的ＡＰＦ相比，性价比更高。　Ｌ１系列ＩＰＭ器件的损耗低。集驱动与保护功　＾　ｌ…　，、歇　Ｖ。　。１　＾Ｋ　弱…　“　ｖ　ｔ／（２０　ｍｓ／格）（ａ）三相四线整流性负载　ｔ／（２０　ｍｓ／格）　（ｂ）三相三线整流性负载　能于一体。具有过流、短路、过热等完善的保护功　能。其内部精确的开关速度控制，短路软关断功　能。可保证其在较高直流母线下安全工作。因此，　图６三相四线整流性负载滤波效果对比图　从实际滤波效果看．两者均达到良好的滤波效　采用ＩＰＭ器件结构紧凑、可靠性高。　１０７