有源电力滤波器和低通滤波器的电路设计与应用分析

有源电力滤波器（AcTIve Power Filter，APF）作为一种用于动态抑制谐波的电力电子装置，其能够同时补偿多次谐波电流，能实时控制、自动跟踪非线性电流并加以控制，有较快的动态 响应速度，且具有改善三相不平衡度的优点。

一、无差拍 SVPWM 的有源滤波器设计

有源电力滤波器（AcTIve Power Filter，APF）作为一种用于动态抑制谐波的电力电子装置，其能够同时补偿多次谐波电流，能实时控制、自动跟踪非线性电流并加以控制，有较快的动态 响应速度，且具有改善三相不平衡度的优点。对于有源滤波器谐波电流检测与补偿电流的发生是其极为关键的技术。

有源电力滤波器的电流控制一般采用 PWM（PulseWidth ModulaTIon）模式，目前常用的 PWM控制方式有滞环电流控制（Current Follow Pulse Width ModulaTIon，CFPWM）、三角波电流控制（ΔPulse Width Modulation，ΔPWM） 和 电 压 空 间 矢 量 脉 宽 调 制 （Space Vector PulseWidthModulation，SVPWM）三种技术。对于 SVPWM 其控制方法的优点主要在于：提高逆变器直流侧电压的利用率，减小开关器件的开关频率以及减少谐波成分，而且此方法更易实现数字化。因此，逆变电路控制常采 用此种方法。在 APF 的应用中，SVPWM 常与滞环比较，PI调节器以及无差拍等结合应用。本文采用无差拍 SVP-WM 控制策略，对 APF 的电流进行补偿控制，以获得较好的动态补偿效果。

1 电力有源滤波器谐波检测方法

有源滤波器的谐波电流检测方法由时域和频域检测法构成。时域检测法主要分为：有功电流分离法和基于瞬时无功功率原理的 p-q 法，ip-iq 法以及 d-q 法等。频域检测法主要有 FFT法和谐波滤波器法等。

对于本文研究主要是采用 ip-iq 法来对电力有源滤波器进行分析研究，由图1可看出其原理。图中虚线框内为直流侧电压反馈控制部分，正余弦信号 sin ωt 和-cos ωt 由锁相环 PLL 发生电路产生。其中 sin ωt 与 a 相输入电压 ua 同相;逆变电路直流侧电压的给定值为 Ucr，Ucf 是反馈值，将这两路信号之差经过 PI 调节器进行调节，所得到的Δip 叠加到瞬时有功电流的直流分量中，经过运算得出指令电流 ih 中所含基波有功电流，从而令 APF 直流侧与交流侧进行能量互换，从而将 Uc 调整到给定值。对于电力有源滤波器而言，滤波器逆变器直流侧信号与交流侧信号的 能量交换是本文研究的关键。

2 无差拍控制简介

SVPWM 控制是用指令电流 ic*（k） 代替补偿电流 ic*（k+1）使 k 时刻的补偿电流在 k+1时刻完全跟踪上指令电流，但这样会存在一拍的滞后。而基于 SVPWM 的无差拍控制则在 k 时刻预测出 k+1时刻的指令电流值，并以此代替补偿电流，最后通过 SVPWM 控制算法产生PWM 脉冲信号以控制变流器开关器件的通断，从而使每一时刻输出的补偿电流等于其指令电流，实现了实时控制。无差拍 SVPWM 的控制原理如图2所示。

二、LTCC 低通滤波器的设计

LTCC 滤波器的设计通常是基于经典滤波器设计理论，从结构上讲，主要有两种结构，一种是采用传统的 LC 谐振单元结构，谐振单元由集总参数的电容电 感组成，另一种是采用多层耦合带状线结构。本文所设计的低通滤波器采用第一种集总参数形式，理想化低通滤波器电路原理图如图3所示。

本文设计的LTCC滤波器中的集总参数的电容和电感通过 LTCC多层陶瓷集成在陶瓷基板内部。LTCC 内埋植电容的设计一般采用两种方式：垂直交指 型（VIC）电容和金属-介质-金属（MIM）电容。本文设计的滤波器的内埋置电容元件采用垂直交指型（VIC）电容，在相同电容量的情况下，VIC 结构电容相比 MIM 结构电容能够大大减小端电极面积，从而有效减小滤波器尺寸。

LTCC 内埋电感有平面螺旋电感、堆栈螺旋电感、多层螺旋电感等方式，如图 3所示，本文设计的低通滤波器内埋植电感元件采用多层螺旋结构的电感，在相同的有效电感值下此结构比平面螺旋式、堆栈螺旋式等结构具有更高的自谐振频率和品质因子。

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