有源滤波技术现状及其发展.doc

安康学院学年论文（设计） 有源滤波技术现状及其发展 【摘要】 集成电路发展至今，滤波器已经成为系统中不可或缺、很常用的一个单元。本文首先对滤波器作一简单概述。然后，着重对滤波器的一个分支模拟滤波器中的有源滤波器进行介绍。特别是对有源滤波技术现状及其发展重点介绍。 Active filtering technology and its development Abstract IC development so far, the filter has become an integral part of the system used a single unit. Firstly, for a brief overview of the filter. Then, on the active filter in the filter is a branch of the analog filters are introduced. In particular, the introduction of active filtering technology and its development priorities.一、概述1.1 滤波器的产生和发展 滤波器是一种专用的选频网络，由于真实的世界中有各种各样需要或者不需要的信息，所以它可以以某种规定的方式将输入信号根据需要变换成系统要求的输出信号，让某些频率成分的信号通过而使其它频率成分的信号受到阻塞或者衰减。它是一种应用非常广泛的信号处理系统，在通信、航天、自动控制、传感器等领域起着重要的作用。事实上，任何电子系统，从简单的放大器到复杂的数字信号处理(D树tal SignalProcessing)系统都需要滤波器。由于在实际生活中，所有的模拟系统，都不可避免的要与噪声与外界干扰打交道，这样，滤波器就常被用来消除不必要的噪声以及抑制外界对自身系统的干扰等。 从20世纪20年代到20世纪60年代，滤波器的设计主要是由无源器件，如电阻、电容和电感组成。而其中，又以无源LC梯形网络更为实用，这主要得益于它对元件的变化不太敏感。但长期以来，低品质的电感始终限制了无源滤波器的发展。20世纪50年代人们发现，用专门的有源电路来代替体积大且价格昂贵的电感则可以极大地减小电路的规模和成本。与此同时，伴随着进入20世纪60年代中期，分立元件中高性能有源器件如运算放大器开始出现，极大地发展了有源滤波器的设计。在进入20世纪70年代中期，分立的有源RC滤波器开始流行，同时，半导体技术又正在如火如荼的展开，因此人们这时又开始考虑需要将滤波器进行集成，以满足整个工业发展的需要。 随着航天航空、现代通信和控制技术的发展，系统对模块集成化的要求也越来越高。全集成滤波器是单片集成的，与由分立有源元件构成的滤波器相比，主要有以下优点： 1集成电路是专用的，设计中都是针对性考虑并设计，所以集成后的滤波器有着分立元件设计的滤波器无可比拟的面积和功耗优势。 2 工艺的特殊性，虽然很难做到器件的绝对值稳定，但是在芯片内，元件之间的匹配可以做得很好，这样也极大地改善滤波器的性能，尤其是线性度。 3 针对工艺的绝对值不稳的特点，自动调谐电路则能够很好地克服因工艺和温度变化所带来的误差。4与分立无源滤波器相比，集成滤波器大大地减少了寄生电容。这主要得益于芯片内部，各种尺寸间距的减小等。 1.2滤波器的概述 针对目前所常用的滤波器的设计方法，单片集成有源滤波器的分类如图11所示：图1 单片集成有源滤波器的分类二、有源滤波技术的历史发展和现状 七十年代初有源滤波器的基本原理和电路拓扑结构就已确定，但由于受到当时功率半导体器件水平以及控制策略的限制，有源电力滤波器的研制一直处于试验研究阶段直到进入八十年代以来，随着新型电力半导体器件的不断发展、脉宽调制技术的不断进步以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，使有源电力滤波器得到迅速完善和发展日。 自1982年世界第一台APF(800kVA)在日本研制成功而被正式投入使用以来m，经过20多年的研究和探索，APF技术得到了长足的发展，越来越多的APF投入了运行，不论从实现功能还是运行功率上都有明显改善。其中在日本，已投入使用的APF从50kVA到60MVA功率范围越来越宽，从谐波补偿到抑制闪变和电压调节应用功能越来越丰富目前，有源滤波器已用在提高电能质量，解决兰相电力系统中终端电压调节、电压波动抑制、电压平衡改善以及谐波消除和无功补偿等问题上。三、有源滤波器的分类目前投入使用的APF种类繁多，其分类方法也多种多样。图2从不同的角度对APF进行了分类。根据应用场合的不同，舡F可分为有源直流滤波器和有源交流滤波器两大类前者主要用来消除高压直流系统中换流器直流侧的电压；后者则应用于交流电力系统。图2 有源滤波器的分类 根据逆变电路的储能元件不同，有源滤波器分为电流型和电压型两种电压型滤波装置效率高、初期投资小，可任意并联扩容，易于单机小型化，经济，适用于电网级谐波补偿。目前实用装置90%以上为电压型，技术相对成熟。电流型滤波装置作为非正弦电流来源来满足非线性负载的谐波电流要求，其结构简单、性能可靠，但损耗较大，不适用于大容量系统。从与电网的连接方式看，有源滤波器可分为：并联和串联型 。图3（a）为并联型APF，他是最基本的方式。由于并联型APF并联接入电网，相当于一个受控电流源，可消除负载引起的谐波电流，也可补偿无功和平衡三相电流。其适用于感性电流源型负载的谐波无功补偿，优点是它只流过补偿电流和小部分基波有功电流，另外并联型APF可以并联使用以提供大的电流。但由于APF和被补偿的谐波负载并联在电网上，须承受电网基波电压，这使其容量很大。而构成APF主电路的PWM逆变器的容量和动态成反比，很难是APF在具有很大容量的同时还能具有良好的动态特性和较低的开关耗损。串联APF如图3（b）所示。它的逆变器结构主电路不需要电流控制电路，APF通过变压器串联在电网和负载之间，相当于一个受控电压源。其主要用于消除带电容二极管整流电路等电压源型谐波源负载对系统的影响。主要优点是能补偿电网谐波电压和三相不平衡的电压，对电压敏感性负载尤为适用。但与并联有源滤波器相比，主要缺点是流过很高的负载电流，使得变压器额定参数上升，体积变大，耗损大；此外串联APF投切、故障后的退出及各种保护也较为复杂。目前，并联型占了大多数。虽然SPF能实现大容量和低耗损以及多功能。但由于受开关器件的限制，容量增大往往有限，而且造价随之增大。而无源滤波器结构简单，造价低廉，所以人们选择有源和无源相结合的混合型APF来减小APF的容量，提高装置的经济性无源滤波器和串联型有源滤波器也可以混台使用，如图3(c)所示图3(d)和(e)所示分别为并联APF和无源滤波器混合并联以及混合串鞋的使用情况。另外为了充分发挥并联有源滤波器和串联有源滤波器各自的优点，可以将二者组合起来使用，这就是统一电能质量调节器的基本结构4T9】，如图2(f)串联有源滤波器通过变压器接入主电路中，具有谐波隔离、电压调节以及电压闪变，不平衡的补偿等作用，其变压器容量取决于电压调节范围，容量很小并联有源滤波器直接与主电路相连，起谐波和负序电流消除、无功电流补偿和直流母线电压调节作用这种结构虽然功率开关较多，但开关应力较小。容量不大两个有源滤波器都采用电压型逆变器结构公用直流乎波电容器，损耗低，效率高；系统输入和输出波形畸变小；电压调节动态响应时间短。范围宽，精度高；能适用于各种用电负载，能抑制电网三相交流电压不均衡这种电路结构的控制方式改变后可以实现统一潮流控制器和交流电网移相器的功能对这种装置电路结构和控制方法研究是目前电力电子技术领域的一个研究热点和发展方向。图3 有源滤波器的各种拓扑结构四、有源滤波器的检测技术 有源滤波器控制的第一个环节是补偿指令的获取这一环节将直接影响到有源滤波器的性能，因为如果不能准确地得到指令信号，电流的控制将无从谈起计算补偿电流指令，酋先必须根据补偿目的将谐波和无功电流分量或者正序、负序及零序等分量进行分离根据补偿目标，可以对电流进行不同的分解例如，在补偿所有高次谐波分量以及单位功率因数的条件下，只需检测基波有功电流分量即可：如果只进行某些次谐波消除以及基波无功分量补偿，则需要分别检测出各次谐波分量以及基波无功分量五、源滤波器的控制技术有源电力滤波器的闭环控制策略中最常用的是模拟或数字PI控制，另外还有变结构控制、模糊控制和人工神经网控制等现代新型控制方法PI控制器一般用于逆变器赢流环节的控制，如控制电压源型逆变器直流母线电压或电流源型逆变器直流母线电流电压源型电流跟踪型有源滤波器直流母线电压的稳定就采用了PI控制器给定直流参考电压与直流母线电压的差作为PI的输人信号，控制器的输出信号作为稳定逆变器直流母线电压的有功电流峰值它与电网同步单位参考电压的乘积即为PwM电流控制器的一部分输入信号六、有源滤波器的发展前景 有源滤波器作为净化电网污染、改善供电质量的一种有效装置，有着广阔的应用前景从近年来的研究和应用可以看出有源滤波器具有如下的发展前景： 1)为了降低成本、提高效率和扩大容量，有源滤波器与LC无源滤波装置组合的混和型有源滤波系统将得到广泛的应用 2)为了适应有源滤波器多功能复杂控制的需要，在有源滤波器走向实用化的道路上，一些先进的控制策略包括变结构和智能控制将得到真正的应用以获得更好的控制性能和效果3) 通过PWM调制和可提高开关期间等效开关频率的多重化技术，实现对高次谐波的有效补偿当有源滤波器的容量不