DQZHAN技術(shù)訊：濾波器電路設(shè)計(jì)與方案詳解
一、無差拍SVPWM的有源濾波器設(shè)計(jì)
有源電力濾波器(ActivePowerFilter，APF)作為一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波的電力電子裝置，其能夠同時(shí)補(bǔ)償多次諧波電流，能實(shí)時(shí)控制、自動(dòng)跟蹤非線性電流并加以控制，有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，且具有改善三相不平衡度的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于有源濾波器諧波電流檢測與補(bǔ)償電流的發(fā)生是其極為關(guān)鍵的技術(shù)。
有源電力濾波器的電流控制一般采用PWM(PulseWidthModulation)模式，目前常用的PWM控制方式有滯環(huán)電流控制(CurrentFollowPulseWidthModulation，CFPWM)、三角波電流控制(ΔPulseWidthModulation，ΔPWM)和電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SpaceVectorPulseWidthModulation，SVPWM)三種技術(shù)。對(duì)于SVPWM其控制方法的優(yōu)點(diǎn)主要在于：提高逆變器直流側(cè)電壓的利用率，減小開關(guān)器件的開關(guān)頻率以及減少諧波成分，而且此方法更易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。因此，逆變電路控制常采用此種方法。在APF的應(yīng)用中，SVPWM常與滯環(huán)比較，PI調(diào)節(jié)器以及無差拍等結(jié)合應(yīng)用。本文采用無差拍SVP-WM控制策略，對(duì)APF的電流進(jìn)行補(bǔ)償控制，以獲得較好的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果。
1電力有源濾波器諧波檢測方法
有源濾波器的諧波電流檢測方法由時(shí)域和頻域檢測法構(gòu)成。時(shí)域檢測法主要分為：有功電流分離法和基于瞬時(shí)無功功率原理的p-q法，ip-iq法以及d-q法等。頻域檢測法主要有FFT法和諧波濾波器法等。
對(duì)于本文研究主要是采用ip-iq法來對(duì)電力有源濾波器進(jìn)行分析研究，由圖1可看出其原理。圖中虛線框內(nèi)為直流側(cè)電壓反饋控制部分，正余弦信號(hào)sinωt和-cosωt由鎖相環(huán)PLL發(fā)生電路產(chǎn)生。其中sinωt與a相輸入電壓ua同相;逆變電路直流側(cè)電壓的給定值為Ucr，Ucf是反饋值，將這兩路信號(hào)之差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，所得到的Δip疊加到瞬時(shí)有功電流的直流分量中，經(jīng)過運(yùn)算得出指令電流ih中所含基波有功電流，從而令A(yù)PF直流側(cè)與交流側(cè)進(jìn)行能量互換，從而將Uc調(diào)整到給定值。對(duì)于電力有源濾波器而言，濾波器逆變器直流側(cè)信號(hào)與交流側(cè)信號(hào)的能量交換是本文研究的關(guān)鍵。
2無差拍控制簡介
SVPWM控制是用指令電流ic*(k)代替補(bǔ)償電流ic*(k+1)使k時(shí)刻的補(bǔ)償電流在k+1時(shí)刻完全跟蹤上指令電流，但這樣會(huì)存在一拍的滯后。而基于SVPWM的無差拍控制則在k時(shí)刻預(yù)測出k+1時(shí)刻的指令電流值，并以此代替補(bǔ)償電流，*后通過SVPWM控制算法產(chǎn)生PWM脈沖信號(hào)以控制變流器開關(guān)器件的通斷，從而使每一時(shí)刻輸出的補(bǔ)償電流等于其指令電流，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制。無差拍SVPWM的控制原理如圖2所示。
二、LTCC低通濾波器的設(shè)計(jì)
LTCC濾波器的設(shè)計(jì)通常是基于經(jīng)典濾波器設(shè)計(jì)理論，從結(jié)構(gòu)上講，主要有兩種結(jié)構(gòu)，一種是采用傳統(tǒng)的LC諧振單元結(jié)構(gòu)，諧振單元由集總參數(shù)的電容電感組成，另一種是采用多層耦合帶狀線結(jié)構(gòu)。本文所設(shè)計(jì)的低通濾波器采用**種集總參數(shù)形式，理想化低通濾波器電路原理圖如圖3所示。
本文設(shè)計(jì)的LTCC濾波器中的集總參數(shù)的電容和電感通過LTCC多層陶瓷集成在陶瓷基板內(nèi)部。LTCC內(nèi)埋植電容的設(shè)計(jì)一般采用兩種方式：垂直交指型(VIC)電容和金屬-介質(zhì)-金屬(MIM)電容。本文設(shè)計(jì)的濾波器的內(nèi)埋置電容元件采用垂直交指型(VIC)電容，在相同電容量的情況下，VIC結(jié)構(gòu)電容相比MIM結(jié)構(gòu)電容能夠大大減小端電極面積，從而有效減小濾波器尺寸。
LTCC內(nèi)埋電感有平面螺旋電感、堆棧螺旋電感、多層螺旋電感等方式，如圖3所示，本文設(shè)計(jì)的低通濾波器內(nèi)埋植電感元件采用多層螺旋結(jié)構(gòu)的電感，在相同的有效電感值下此結(jié)構(gòu)比平面螺旋式、堆棧螺旋式等結(jié)構(gòu)具有更高的自諧振頻率和品質(zhì)因子。
編輯點(diǎn)評(píng)：本文設(shè)計(jì)了一種小型化的LTCC低通濾波器和無差拍SVPWM作為濾波器的控制策略進(jìn)行研究，通過仿真與實(shí)驗(yàn)該方法的可行性。仿真與實(shí)驗(yàn)表明此方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)補(bǔ)償電流的跟蹤控制，而且還具有良好的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償性能。
