摘  要：采用电力有源滤波器是目前公认的改善供电质量的有效方法，考虑生产成本及运行成本，采用无源加有源综合补偿的方式是最为合理的方法。在此方案中使用电力电子器件的有源滤波器部分功率不必很大，可使用小功率器件设计电路。因此在大功率电力电路中如何保护电子器件显得尤其重要。本文介绍了一种使用IGBT(Insolate Gate controlling Bipolar Transistor) 的电力有源滤波电路，并从保护电力电子器件的角度对电路进行了仿真研究，得到一些有益的结论。

关键词：电力有源滤波器  电力电子器件  仿真

The Simulation of  Power Active Filter Circuit

Li Xinguang,  Cai Xingyong

(Dept. of Physics  and Electronics, Guihuagang Campus, Guangzhou University, Guangzhou 510405,China;)

Abstract: To be accepted by people, using APF(Power Active Filter) to improving power quantity is availability method . But the APF cost price and running price is high. Using active-passive-mixed plan is a good choice. In this method, the power of the device in the circuit is not need very large and the protection of the device is important. One circuit of APF using   IGBT(Insolate Gate controlling Bipolar Transistor) is introduced in this paper, the Simulation approach about the protection of IGBT is present. Some good results are given. 

Key words: Power Active Filter Circuit  Power Electronics device  Simulation

1  引  言

由于各种用电设备的使用，使得供电网出现了功率因数低、电压不稳、三相不平衡和谐波等问题。这些问题的总体表现是电网波形的畸变。理论上，采用有源滤波器可以补偿电网中的任何畸变，但采用电力电子器件构成的电力有源滤波器存在生产成本及运行成本高的问题。因此在我们开发设计的补偿系统中采用了无源加有源的混合方式。在这种方式中无源部份采用电力电容作为执行器件，对电网中的大部份无功进行补偿。有源部份则用于需要快速补偿的部份无功及谐波等。这样我们可用功率较小的电力电子器件构成有源滤波器加上无源补偿部份对电网畸变进行较为理想的补偿。

 在我们的设计中，主电力电子器件采用了IGBT，在混合补偿方案中，由于IGBT的高价格及高运行成本故不希望采用大功率的IGBT，因此在混合补偿方案中，将小功率器件IGBT运用于大功率电源系统中如何保护器件显得尤其重要。本文介绍了一种电力有源滤波器电路，重点对流过IGBT的电流进行了仿真研究。

2  电力有源滤波器电路

2.1  电  路

图1为电力有源滤波器仿真电路。

图2为PWM信号形成及控制电路。

图1  电力有源滤波器仿真电路

fig1 The simulation circuit of APF

2.2  电路说明

在图1中， S1～S6为压控开关其与D1～D6构成6单元的IGBT模块，La,Lb,Lc为输出电感，C3～C5为滤波电容，RLa,RLb,RLc为三相负载，R1～R3用于检测流过IGBT的电流。HB1～HB3为子电路用于产生对称PWM控制信号去控制对应的IGBT上下桥臂。

    图2为三个子电路之一。V2，V3用于模拟控制信号，V1产生三角波,TABLE相当于一个电压比较器。E1与E2相当于运放，E1为同相放大，E2为反相放大，E1，E2放大倍数均为1。

图2  PWM信号形成及控制电路

Fig2 PWM signal forming and controlling circuit

3  电路仿真

3.1  子电路工作仿真

见图2 子电路电路参数分别为：V2幅度0.9V,频率50赫芝,相位180度，即 ；V1正负幅度为1V,频率10KHZ。图3给出了其工作波形。说明该电路能实现脉宽调制。

3.2  IGBT工作波形

图4 为控制电路输入电源分别为： 、 、 时，即希望输出三相电时的波形。此时输出电感取值2.4mH。

图3  子电路工作波形。

Fig3 The working wave of sub-circuit

图4 IGBT输出的三相电波形

Fig4 The output three phase electricity wave of IGBT

当 时， ， 不变，得如图5所示畸变波形。

图5  由IGBT输出的畸变波形

Fig5 The distortion wave output of  IGBT

3.3  IGBT工作电流

采用无源加有源工作方式构成综合矫正系统时，有源滤波器中的IGBT不可能选择很大功率的器件，因此在IGBT接入前应有充分的研究分析。例如在我们设计的系统中选用的IGBT能通过的最大电流为50A，因此我们的分析工作应放在如何使工作电流不超过50A。

图6、图7分别为IGBT输出三相电时的续流二极管与IGBT电流情况。

图6 输出三相电时二极管中的电流

Fig6 The current of diode

图7  输出三相电时IGBT中的电流

Fig7 The current of IGBT

图8为负载电阻由10欧减小为2欧，其它条件不变时IGBT中的电流。

图8  负载电阻对IGBT工作电流的影响

Fig8 The current of IGBT when load varying

图9为负载电阻仍为10欧，直流电源电压增加360V时，其它条件不变时IGBT中的电流。从图中知IGBT工作电流明显增加。

图9  直流电源电压对IGBT电流的影响

Fig9 The current of IGBT when DC source varying

    图10为负载电阻仍为10欧，直流电源电压仍为120V，控制信号的幅值为0.3V，其它条件不变时IGBT中的电流。

图10  控制信号对IGBT工作电流的影响

Fig10 The current of IGBT when controlling signal varying

　　进一步仿真证实，（1）直流工作电压影响IGBT的工作电流，当采用三相整流供电，直流电压高达890V，若每相负载电阻取2欧，此时IGBT中最大电流已达48A，说明50A的IGBT不宜直接接入低压电网中。（2）电网负载电阻影响IGBT工作电流，当直流电压为890V，每相负载电阻取为1欧，这符合400A负载电流时的工作情况。仿真表明IGBT中最大电流已达70A。（3）输出电感影响输出波形效果及IGBT中工作电流，当输出电感取0.24mH, 每相负载电阻取2欧,直流电压为890V时，输出波形变差，且IGBT中最大电流已达60A。上述结果表明最大电流50A的IGBT不宜直接用于负载电流达200A以上的低压电网。

4  结  论

采用无源加有源的方式开发新一代的电网供电补偿器，有源补偿部分也可给传统的无源补偿器加上有源补偿部分对电网进行改造。因此研究无源加有源补偿电路形式具有实际意义。本文采用仿真的方式对流过电力电子器件的电流进行研究，并得出一些有意义的结论。这将对无源加有源混合补偿器的开发中器件的选择及保护具有指导意义。

参考文献：

[1] 张占松，孙时生，伍言真. 电路和系统的仿真实践. 北京:科学出版社电路.2000年1月

[2] Akagi H. Kanazawa Y ,Nabe A. Instantaneous reactive power compensators comprising switching devices without energy storage components. IEEE Trans. Ind. Applicat.,1984,20(3).625-630

[3] Peng F Z, Akagi H,A H;Nabae A. A novel harmonic power filter. PESC Record,1988,1151-1159

[4] 朱东起,姜新建,马大铭. 无源和有源滤波器构成的并联型综合电力滤波系统.北京:清华大学学报(自然科学版),1999,39(3):49-52