探究有源電力濾波器的控制電源設(shè)計

劉 勇

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,215104）

0 引言

控制器用電源和功率器件驅(qū)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(nèi)的人機(jī)界面供電；功率用器件驅(qū)動電源顧名思義用于功率器的驅(qū)動供電。傳統(tǒng)的有源電力濾波器以對負(fù)載電流和電源電壓進(jìn)行采樣檢測補(bǔ)償?shù)闹C波分量，并獲取電流基準(zhǔn)為其主要的控制策略。但實際工作環(huán)境中有源電力濾波器系統(tǒng)對于供電的穩(wěn)定性和可靠性要求非?？量蹋渲蠥PF掛網(wǎng)運行必須滿足電力系統(tǒng)，如控制電路和驅(qū)動電路要先上電等，的要求。而傳統(tǒng)的控制策略因其計算量大、控制器復(fù)雜以及實時性差等原因已經(jīng)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(tǒng)故障出現(xiàn)時，電源系統(tǒng)能夠有效的將APF從電力系統(tǒng)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(shè)計必須做到科學(xué)性和有效性。

1 電源設(shè)計

整個有源電力濾波器的電源方案包括驅(qū)動電源、控制電源以及驅(qū)動和控制電源的一次供電電路三部分。其中驅(qū)動板是驅(qū)動電源和驅(qū)動電路設(shè)計在一起的結(jié)合物，也是整個電源系統(tǒng)組成中的重要部分之一。控制電源有普通的開關(guān)電源組成，用于對控制器、傳感器和包括觸摸屏在內(nèi)的人機(jī)界面供電控制和服務(wù)。一般而言，交流電網(wǎng)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(guān)調(diào)制頻率疋遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率和負(fù)載電流頻率.因此可以假設(shè)在一個開關(guān)周期內(nèi)負(fù)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(cè)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(wěn)定性的要求。

1.1 驅(qū)動電源設(shè)計

在驅(qū)動電源整體組成中，M57962L是功率器件IGBT驅(qū)動電路的重要核心芯片。為滿足供電特點的需求以及IGBT驅(qū)動電路的特殊性，驅(qū)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(tǒng)運行過程中，穩(wěn)壓管分壓起到在各路電源產(chǎn)生IGBT開通和關(guān)斷需要的正、負(fù)電壓，以確保驅(qū)動電源的有效運行。

驅(qū)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(wěn)壓管的分壓，并相應(yīng)產(chǎn)生正、負(fù)電壓。個別電路輸出用于穩(wěn)壓控制作用。為有效實現(xiàn)對輸出電壓以及初級電流的控制，一般采用脈寬調(diào)職芯片UC3844用于控制系統(tǒng)的芯片。輸出電壓通過電路反饋脈寬調(diào)制芯片的誤差放大器以此實現(xiàn)穩(wěn)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(diào)制芯片UC3844的相應(yīng)位置，實現(xiàn)電路峰值電流控制。此外，在驅(qū)動電源設(shè)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(xiàn)當(dāng)開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的尖峰電壓進(jìn)行筘位和吸收。

1.2 控制電源設(shè)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(guān)參數(shù)的設(shè)置和對開關(guān)器件的封鎖，以滿足有源電力濾波器對在電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時及時從電力系統(tǒng)中切除隔開，以及在排除電力故障后能夠自動啟動復(fù)用的要求。開關(guān)電源產(chǎn)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(guān)電源分流，由此在采用普通開關(guān)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(tǒng)穩(wěn)定性的苛刻要求，同時節(jié)約了成本。

普通電源開關(guān)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(dāng)僅采用電網(wǎng)作為初級供電時，在遇到電網(wǎng)掉電或者電網(wǎng)電壓瞬時值過低的情況西安，電路還需進(jìn)一步改進(jìn)，以滿足特殊問題出現(xiàn)時的應(yīng)急措施需求。

1.3 基于雙電源的初級供電設(shè)計

上文提到當(dāng)僅有電網(wǎng)供電時，出現(xiàn)電網(wǎng)掉電或者電網(wǎng)電壓瞬時值過低的情況時，電路可能出現(xiàn)突發(fā)的問題。當(dāng)電網(wǎng)突然掉電時，開關(guān)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(xù)對驅(qū)動電路進(jìn)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(tài)，上下橋壁會在驅(qū)動信號干擾功率器件后而出現(xiàn)同時導(dǎo)通，由此造成功率器的損壞。

而基于雙電源的初級供電設(shè)計是指基于交流電網(wǎng)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(shè)計方法能夠有效的克服上述突發(fā)情況。其基本的設(shè)計思路為交流電網(wǎng)和APF功率直流母線分工合作負(fù)責(zé)不同情況下的電路供電，電網(wǎng)主要負(fù)責(zé)在APF正常工作時控制電路供電，而出現(xiàn)供電異常后。截止功率器件的驅(qū)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(qū)動電路。需要注意的是DC∕DC轉(zhuǎn)換電路因其輸出為直流電而不能與220V交流電直接并聯(lián)，為此，通過設(shè)計二極管進(jìn)行220V交流電整流，然后與DC∕DC轉(zhuǎn)換電路因其輸出為直流并聯(lián)。

通常情況下，經(jīng)過二極管整流并聯(lián)后的輸出電流在電容器上能夠得到310V的直流電。在電路設(shè)計過程中，只要保障DC∕DC轉(zhuǎn)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(yīng)，二者的負(fù)極直接相連，在DC∕DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路而停止工作。此外，由于電容器的存在，保證了在電網(wǎng)出現(xiàn)突然供電異常時，開關(guān)電源和驅(qū)動電源輸入電壓不會馬上低于DC∕DC轉(zhuǎn)換電路輸出電壓而造成，DC∕DC轉(zhuǎn)換電路無法正常的發(fā)揮功能。在DC∕DC轉(zhuǎn)換電路會在電容電壓低于DC∕DC轉(zhuǎn)換電路輸出電壓的情況下開始工作，控制電路和驅(qū)動電路會接受來自直流母線的電能，當(dāng)電壓恢復(fù)至安全值后，DC∕DC轉(zhuǎn)換電路停止工作。

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

對于工業(yè)電壓等級的APF而言，對于DC／DC轉(zhuǎn)換電路的開關(guān)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(shè)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(diào)制芯片的控制芯片實現(xiàn)對穩(wěn)壓控制和峰值電流控制的穩(wěn)定輸出。在設(shè)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(qū)動信號不確定或者缺失時而不至于損壞開關(guān)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(shè)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(wǎng)電壓突然跌至為0，其中DC∕DC轉(zhuǎn)換電路的輸出設(shè)定值為180V，DC∕DC轉(zhuǎn)換電壓在電網(wǎng)突然停電的情況下，開始工作，直流側(cè)電能回饋到控制電路和驅(qū)動電路，經(jīng)過一段時間后，直流側(cè)電壓降至安全值，DC∕DC轉(zhuǎn)換電路停止工作。經(jīng)現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)試驗證，采用交流電網(wǎng)和APF功率直流母線雙電源供電方式，未出現(xiàn)因電網(wǎng)電壓故障而導(dǎo)致器件損壞情況的發(fā)生，此外在電網(wǎng)故障排除以后，有源電力濾波器(APF)能夠有效的運行。實驗結(jié)果表明：該電源方案，即該電源初級輸入采用交流電網(wǎng)和APF功率直流母線雙電源供電方式，其中驅(qū)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(xiàn)簡單、工作可靠、成本低的特點。

4 結(jié)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(qū)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(wěn)定安全的電壓以供系統(tǒng)正常的運行，此外對于零器件的選擇和使用上也要求求經(jīng)濟(jì)性和安全性，依據(jù)APF供電電源的要求，為IGBT驅(qū)動電源設(shè)計了一種基于單端反激拓?fù)涞亩嗦份敵鯠C∕DC電源，為控制器選用了通用開關(guān)電源。該系統(tǒng)電源初級輸入采用交流電網(wǎng)和APF功率直流母線雙電源供電方式，其中驅(qū)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(jié)論我們不難發(fā)現(xiàn)，采用用交流電網(wǎng)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(qū)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(yōu)勢，適合在電網(wǎng)，尤其是工業(yè)用電網(wǎng)中的推廣應(yīng)用，具有非常巨大的推廣意義。

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