一種有源濾波器中電流傳感器噪聲抑制電路設(shè)計(jì)

概述：有源電力濾波器實(shí)際運(yùn)行過程中存在大量實(shí)際的噪音干擾，這些干擾嚴(yán)重影響濾波器的工作效果。給出對于有源電力濾波器電流采樣回路的分析，分析在高頻干擾下可能出現(xiàn)的干擾現(xiàn)象；分析源電力濾波器對于普通并網(wǎng)逆變器的不同點(diǎn)，提出采樣回路中低通濾波器設(shè)計(jì)的重要性和特殊性。并針對這些分析提供了一套切實(shí)可行的降低電流采樣回路干擾的解決方案，在實(shí)際應(yīng)用中取得了明顯的效果改善。

??? 隨著用電設(shè)備類型的日益增多，出現(xiàn)了很多非線性負(fù)載，此類負(fù)載在運(yùn)行過程中，產(chǎn)生大量的高次諧波，這些諧波對于電網(wǎng)中的電力設(shè)備有著很強(qiáng)的危害，因此供電部門對于諧波的注入量有著嚴(yán)格的限制。有源濾波器的設(shè)計(jì)思路是向電路注入除基波電流以外的電流，從而抵消系統(tǒng)中原有的諧波電流，使得系統(tǒng)電流中只有需要的基波電流。不同于并網(wǎng)逆變器，有源電力濾波器本身發(fā)出的電流為非正弦波形。這就意味著應(yīng)用傳統(tǒng)的數(shù)字信號處理算法消除噪音的方法在這里不完全適用，而實(shí)際應(yīng)用中來自外部的干擾極大地影響了系統(tǒng)的運(yùn)行。在此重點(diǎn)討論電流傳感器的選擇和采樣調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，從而使得．由于這兩者的非理想性對系統(tǒng)的影響最小。

1 有源電力工作原理簡介
??? 有源濾波電路如圖1所示。其中兩組電流傳感器分別用來檢測負(fù)載電流Iload。以及濾波器的實(shí)發(fā)補(bǔ)償電流Icom。信號變壓器傳遞三相系統(tǒng)交流電壓Usys，而直流電壓傳感器負(fù)責(zé)傳遞直流端電容電壓Udc。
??? 負(fù)載電流被DSP讀入之后，經(jīng)過運(yùn)算，可以獲得三相負(fù)載電流當(dāng)中的正序有功電流，而補(bǔ)償?shù)哪康氖鞘沟孟到y(tǒng)端電流只含有正序有功電流。獲得了負(fù)載電流的正序有功基波電流之后，將負(fù)載電流與基波有功正序電流之差看作是有源濾波器輸出的指令，使得有源濾波器輸出該電流，系統(tǒng)端電流即為正序有功電流。

??? 如何發(fā)出指令所需的電流是補(bǔ)償效果的關(guān)鍵?？梢詫⒂性礊V波器視為一個(gè)逆變電流源，調(diào)制電壓經(jīng)過連接電抗在電路中形成相應(yīng)的電流，遵循公式如下：

式中：Uout為逆變器發(fā)出的電壓；Usys為三相系統(tǒng)的電壓；R為系統(tǒng)等效電阻，初次調(diào)試可視為零；L為連接電抗電感值；Icom為有源電力濾波器實(shí)際發(fā)出的三相電流；在離散系統(tǒng)下dIcom／ dt可視為△I／△T，△I可以為期望的指令電流Iinst(指令電流為經(jīng)過計(jì)算的需要補(bǔ)償?shù)碾娏?和實(shí)際補(bǔ)償電流Icom的差值，及△I=Iinst-Icom，△T是離散系統(tǒng)的采樣周期，式(1)可寫為：

??? 當(dāng)忽略系統(tǒng)內(nèi)阻時(shí)(2)式可寫為：

??? 從式(3)可看出，為了讓有源電力濾波器發(fā)出與Iinst指令電流相同的實(shí)際電流，只需控制IGBT發(fā)出Uout電壓，即可獲得期望電流．而為了獲得Uout指令，必須知道式(3)中其余參數(shù)。其中L，△T，Usys均為已知量，因此只需知道Iinst和Icom即可求得Uout，從而在連接電感中獲得所需電流。因此精確地補(bǔ)償電流和精確的指令電流是補(bǔ)償精度的關(guān)鍵，而指令電流又是由負(fù)載電流經(jīng)過運(yùn)算獲得的，因此準(zhǔn)確地獲得負(fù)載和補(bǔ)償電流是關(guān)鍵所在。

2 分 析
??? 逆變器電路在工作時(shí)會產(chǎn)生許多高頻電流諧波，這些高頻諧波會產(chǎn)生高頻電磁場，這些空間分布的高頻電磁場會在采樣電路中產(chǎn)生很多干擾，會在信號傳輸線路當(dāng)中產(chǎn)生很多電壓干擾信號。由于導(dǎo)線分布參數(shù)的復(fù)雜和非線性特征。這些干擾的電壓信號往往體現(xiàn)為噪音信號，噪聲是不能夠被信號濾波器完整濾除的，通過低通濾波之后，其截止頻率以下的噪音信號任然保留，而這些噪音信號將參與整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算，最終影響發(fā)出，使得有源電力濾波器的實(shí)際的效果大打折扣。電流采樣回路框圖如圖2所示。

??? 各部作用如下：
??? (1)傳感器。采集電力設(shè)備中的各個(gè)信號，使之轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所能識別的信號。傳感器一般要求精度較高，線性度較好，溫漂盡可能小。對于電力系統(tǒng)中的傳感器通常對于不同被測目標(biāo)做如下選型：通常使用變壓器(PT)做交流電壓信號輸入；使用電流互感器或者霍爾傳感器做電流輸入。
??? (2)傳輸線路。將傳感器(互感器)輸出的電信號傳遞給低通濾波電路．一般為導(dǎo)線即可。
??? (3)低通濾波器。電力系統(tǒng)中的電壓電流信號一般不能直接送到A／D轉(zhuǎn)換器的輸入端，同時(shí)PWM調(diào)制使得逆變器輸出中存在調(diào)制頻率附近的電流信號。這些信號也會被傳感器(互感器)送回采樣調(diào)理回路，而這些高頻諧波是應(yīng)該盡量避免的，因此調(diào)理回路當(dāng)中加入低通濾波器將這些高次諧波濾除并對信號做適當(dāng)縮放。

3 設(shè) 計(jì)
??? 為了使信號能夠盡可能地少受到噪音的干擾．需要對以上分析的三個(gè)環(huán)節(jié)做充分的設(shè)計(jì)。電流互感器和霍爾型電流傳感器的選擇，電流互感器遵循電磁感應(yīng)定律只能傳遞交變信號。而霍爾傳感器利用霍爾效應(yīng)可以傳遞各類電流信號，由于有源電力濾波器有濾除電流不平衡度的需求，因此需要采集直流分量信號，所以選擇霍爾傳感器。霍爾傳感器按輸出方式分為電壓和電流型。電壓型輸出有利于后級運(yùn)放電路處理，但由于前文所述的噪聲信號在導(dǎo)線中體現(xiàn)為電壓噪聲信號，因此，電壓輸出型傳感器的抗干擾能力很弱。經(jīng)過試驗(yàn)比較，選擇了電流輸出型的閉環(huán)電流傳感器。
??? 傳輸線路使用屏蔽線或者雙絞線，盡可能使干擾減小．如果使用屏蔽線，屏蔽層要接地(或設(shè)備箱體)；如果是雙絞線纏繞要均勻，多股線先雙絞在相互纏繞，盡可能在結(jié)構(gòu)上使得感應(yīng)電動勢相互抵消。另外，走線盡可能的短，盡量遠(yuǎn)離電感，走線短是為了減少導(dǎo)線分布電感．遠(yuǎn)離電感是因?yàn)殡姼惺请姶艌霭l(fā)生的主要來源，遠(yuǎn)離電感使得電磁場盡可能小，從而使得在傳輸線路當(dāng)中的噪聲電動勢減小。
??? 采樣調(diào)理回路的選擇是另一個(gè)重點(diǎn)。電流信號中存在著大量PWM調(diào)制產(chǎn)生的高次諧波，這些諧波會影響運(yùn)算，因此這些波形需要被濾除。通用的方法是添加低通濾波器去除諧波?？梢赃x擇相應(yīng)的濾波器的結(jié)構(gòu)，使得幅頻特性符合濾波需求。但是對于有源電力濾波器，需要生成的電流不是單一次數(shù)的諧波，而是含有不同次數(shù)諧波的復(fù)合波形。為了真實(shí)地復(fù)現(xiàn)所需要的波形，必須真實(shí)的獲得采樣信號，但是由于低通濾波器的存在，信號的群延時(shí)往往不同，這就使得信號在通過低通濾波器前后不同頻率的諧波的延時(shí)不同．信號發(fā)生了畸變．最終的輸出必然會有誤差，這個(gè)延時(shí)可由相頻特性反映。但是對于通常的低通濾波電路，考慮的都是濾波器的相頻特性，很少提及幅頻特性，更不用說群延時(shí)。但是在實(shí)際的有源電力濾波器中，相頻特性同樣很重要。相頻特性反映到時(shí)域中直接體現(xiàn)出濾波器對不同頻率信號的延時(shí)影響；另外從群延時(shí)角度分析相頻特性，還需要延時(shí)盡可能的低。但是對于低通濾波器而言，幅頻特性好意味著截止頻率低或者濾波階數(shù)高，但同時(shí)延時(shí)必然會加大，因此，如何權(quán)衡這二者關(guān)系是設(shè)計(jì)的一個(gè)問題。延時(shí)不單是由電容的增加產(chǎn)生的，還與電路中的分布電容有關(guān)。濾波電容的固定之后，需要進(jìn)一步減小或消除分布電容對電路的影響；分布電容是由元器件的排列引起的。因此合理排列元器件可以盡可能消除分布電容，但是，這是件很難做到的事，故選擇一個(gè)集成的濾波器對此是最好的選擇。本樣機(jī)選擇MAXIM公司集成濾波器MAX275構(gòu)造濾波電路。
??? MAX275是美國MAXIM公司生產(chǎn)的通用型有源濾波器。它內(nèi)含兩個(gè)獨(dú)立的二階有源濾波電路，可分別同時(shí)進(jìn)行低通和帶通濾波，也可通過級聯(lián)實(shí)現(xiàn)四階有源濾波，中心頻率／截止頻率可達(dá)300 kHz。MAX275無需時(shí)鐘電路，因此與開關(guān)電容濾波器相比，其噪聲更低，動態(tài)特性更好，能廣泛應(yīng)用于各種精密測試設(shè)備、通信設(shè)備、醫(yī)療儀器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
??? 該集成濾波器內(nèi)部含有電容和電阻，中心頻率、品質(zhì)因素和放大倍數(shù)的改變只需改變外圍的R1～R4四個(gè)電阻就能完成，并且有著很好的相頻特性。MAX275集成濾波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外部連接如圖3所示，其中虛線框內(nèi)為MAX內(nèi)部部件，外部為需選擇部件。同時(shí)MAXIM公司針對MAX275提供了專用設(shè)計(jì)軟件。用戶只需輸入要求，即可獲得相應(yīng)的電阻阻值選擇。

4 樣機(jī)運(yùn)行結(jié)果及分析
??? 實(shí)驗(yàn)分別對開環(huán)電壓輸出型霍爾電流型傳感器和閉環(huán)電流輸出型霍爾電流傳感器做比較分析，運(yùn)行樣機(jī)，得出以下不同的補(bǔ)償效果。圖4為可控硅整流柜開啟時(shí)的負(fù)載電流Iload。，其中橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為秒，縱坐標(biāo)為電流，單位為安培，可以看出該電流含有大量非基波成分，經(jīng)過專業(yè)儀器分析，該電流含有大量的5次和7次諧波，這也印證了可控硅電路的諧波含有特點(diǎn)。為樣機(jī)安裝電壓輸出型霍爾電流傳感器，測量Isys對可控硅整流柜的補(bǔ)償效果如圖5所示，可見結(jié)果中電流趨于正弦，但仍含有很多毛刺，經(jīng)過專業(yè)工具分析，發(fā)現(xiàn)電路中雖然5次和7次諧波明顯降低，但是出現(xiàn)了部分偶次諧波，而這些待補(bǔ)償電流中原來沒有，說明這些電流是由有源濾波器發(fā)出的，而發(fā)出這些電流的原因歸咎于信號傳遞過程中的干擾，這些噪聲信號通過低通濾波器后仍然留有部分頻率較低信號，參與運(yùn)算后得到了這樣的結(jié)果。

??? 在此盡力排好信號線，做好屏蔽，縮短信號線，信號線緊密纏繞，并且換了電流輸出型霍爾傳感器，更改了調(diào)理回路，運(yùn)行有源電力濾波器，補(bǔ)償效果如圖6所示。圖6中可明顯看到電流波形變的光滑，對稱性提高很多，使用儀器分析，發(fā)現(xiàn)5次和7次諧波明顯下降，同時(shí)沒有出現(xiàn)其他次數(shù)的諧波。因此證明所做改動成功。為使用閉環(huán)電流輸出型霍爾電流傳感器補(bǔ)償效果。

??? 表1為兩種補(bǔ)償效果做的對比結(jié)果。

??? 說明：以上實(shí)驗(yàn)樣機(jī)額定電流為相電流200 A補(bǔ)償能力，諧波挑選了大于1 A的電流列表，當(dāng)樣機(jī)補(bǔ)償對象基波為150 A電流時(shí)，總畸變率可降低至5％以下。

5 結(jié) 語
??? 這里通過對有源濾波器工作原理的分析，找出可能影響濾波器工作效果的因素，信號傳遞的失真是影響效果的最主要因素，而對于傳感器，傳遞線路，低通濾波器的合理選擇和處理可以最大程度的減小信號的失真度，從而使得有源濾波器工作效果得到明顯的改善，使得樣機(jī)具有工程實(shí)際應(yīng)用意義。